汽车电子加速踏板可靠性控制和故障处理机制研究

文德华

摘 要：为确保汽车电子加速踏板信号的可靠性，对踏板位置传感器信号提出一种限幅消抖滤波、中位值平均滤波、一阶低通滤波，进行3次滤波消除信号突变，并结合“强制法规”对加速踏板位置传感器信号进行故障诊断。在Simulink/Stateflow中建立加速踏板信号检测模块、故障诊断模块、信号选择模块等。测试了整个控制过程的可靠性。结果表明，踏板信号出现线路故障或同步性异常时能准确判断出各种故障状态，且故障后的信号处理措施科学、实用，符合行车安全要求。

关键词：加速踏板信号 一阶低通滤波 诊断 故障处理机制

1 引言

纯电动汽车在行驶过程中，驾驶员的驾驶意图较大程度上通过加速踏板信号来反映。踏板信号的问题，无论是由于踏板本身的机械问题，还是由于踏板位置传感器的故障，都会导致监控控制器发送错误的扭矩命令，这可能会导致传动系统传递的扭矩过大[1]，影响行车安全。

目前，国内外对可靠性和故障处理机制研究较少，大多集中在防误踩识别上面[2-3]，文献[4-5]对踏板信号的滤波处理，文献[6]集中研究了失效诊断和安全机制。本文提出一种联合滤波算法，并对加速踏板传感器信号进行故障诊断，设计故障处理机制，保证行车安全。

2 踏板信号处理

2.1 加速踏板原理

汽车电子加速踏板即转变踏板位移为模拟量信号输出，基于踏板、电路、位移传感器三部分构成。在纯电动汽车中，加速踏板开度值多使用非接触式传感器来测量，相较于接触式传感器有更长的使用寿命和较高可靠性。但是加速踏板都在一定程度上存在短路、断路、电磁干扰等直接影响着踏板信号的准确可靠传输。加速踏板通过两个独立传感器，且两路信号变化呈现双倍关系，以此双冗余结构的加速踏板，可自主诊断加速踏板信号，并进行可靠性设计。

踏板信号的处理流程见图1，踏板信号经过限幅消抖滤波，中位值平均滤波，一阶低通滤波后，分别进行线路故障诊断和同步性故障诊断，根据当前的故障类型，进行综合决策，最终输出踏板开度信号，进行安全机制处理。

2.2 联合滤波算法

在纯电动车上加速踏板一定程度存在短路、开路、电磁干扰等直接影响踏板信号的准确传输，因此，加速踏板传感器输出的电压模拟信号传送给整车控制器处理之前，要经过滤波算法消除信号中的抖动和干扰，从而得到较准确的信号。

为得到灵敏性高和平稳性好的信号，采取联合滤波算法：

（1）限幅消抖滤波，根据经验判断两次采样允许的最大偏差值A，每次采新值时判断：若本次值与上次值之差<=A，则本次有效;若本次值与上次值之差>A，本次无效，用上次值代替本次。

（2）中位值平均濾波。连续采样多次次，按大小排列，取中间值的平均值为本次有效值。

（3）一阶低通滤波，其数学微分方程为：

（1）

式中：Ｒ，Ｃ 分别为ＲＣ电路的电阻和电容值;ｘ（ｔ）为系统激励源;ｙ（ｔ）为系统响应;ｔ为采样时间。

踏板信号经过限幅消抖滤波和中位值平均滤波后，送到一阶低通滤波模型处理，当滤波程度大时，信号平稳，但是灵敏度差，当滤波程度小时，信号响应快，但平稳性差。在联合滤波模型中增加滤波程度的控制逻辑，当前加速踏板采样值和上次加速踏板滤波后采样值做差，根据差值来查表得到不同的滤波程度。使系统能较好的满足信号响应和平稳性的要求。

从图4可以看出联合滤波模型对杂波有良好的过滤效果，信号灵敏度好，平稳性优良。

2.3 故障诊断

2.3.1 超限值检测处理

将输入的踏板加速信号与设定的最大值和最小值进行比较，能够检测出信号传输电路对控制器短路故障、对地短路开路等故障。以加速踏板信号1为例，信号先进行上限和下限比对，如果超过了上限值则短高错误故障计数以200ms周期开始累加，累加至1S，错误标志APS1_Hiv_error置1，如果低于下限值则短地错误故障计数增长至2S，错误标志 APS1_Lov_error置1。否则经历故障轮巡时间之后，确认没有故障，故障标志位APS1_Hiv_error，APS1_Lov_error为0。

2.3.2 同步校验

对两路加速踏板信号分别进行短路故障处理后，还要通过判断加速踏板信号的同步性是否合理，来最终选择加速踏板位置传感器信号输出。图8为同步性校验控制模型，首先进行同步异常判断，将联合滤波处理后得到的两路输出信号 APS1_Per和APS2_Per相差再取绝对值，若该值大于4%，且持续时间超过2S，则报出同步性故障，APS_Syn_error置1。

2.4 信号选取和安全机制处理

首先判断2个传感器的线路故障，若两个传感器没有线路故障，再判断同步性故障，若没有同步性故障，则加速踏板传感器信号输出选用APS1_afterfilter。若2个传感器有一个出现线路故障，则输出另一路传感器信号;若2个传感器都出现线路故障，则输出踏板开度0，并且VCU控制电机强制切换为怠速模式，进入跛行状态;若2个传感器都没有线路故障，则进入同步性诊断，若出现同步性故障，则踏板信号1的权重取0.6，踏板信号2的权重取0.4，输出踏板开度。

3 仿真测试

图9中，在时间戳5S处，加速踏板信号1电压低于阈值，在第7S处APS1_Lov_error置1，报出加速踏板信号1短地故障。在第10S处加速踏板信号1电压恢复正常，在第12S处APS1_Lov_error置0。

图10中，在时间戳14.9S处，加速踏板信号1电压高于阈值，在第15.9S处APS1_Hiv_error置1，报出加速踏板信号1短高故障。在第19.2S处加速踏板信号1电压恢复正常，在第21S处APS1_Hiv_error置0。

图11中，在时间戳13.9S处，加速踏板1的开度比加速踏板2高3%，未达到阈值4%，没有报出同步性故障;在时间戳19.9S处，加速踏板1的开度比加速踏板2高5%，超过了阈值4%，约延时2S后，同步性故障标志APS_Syn_error置1。

4 结论

基于加速踏板信号的特性，建立了信号联合滤波、故障诊断模型，通过测试验证，结果表明：

１）线路故障、同步性故障可以及时的诊断出来，发生故障后的信号处理逻辑合理，保证行车安全性。

２）采用联合滤波算法，能够有效消除干扰信号，能兼顾灵敏性和平稳性，保证信号可靠。

参考文献：

[1] J. Zhang， A. Amodio， B. Aksun-Guvenc， G. Rizzoni and P. Pisu， "Investigation of torque security problems in electrified vehicles"， Proc. ASME 2015 Dyn. Syst. Control Conf.， 2015.

[2]胡振奇，朱昌吉，李君，等.汽车防误踩加速踏板系统的研发[J].汽车工程，2011，33（8）：713-716.

[3]魏丽.汽车油门防误踩智能控制装置设计[J].微型电脑应用，2020，36（9）：120-122.

[4]汪东坪，李舜酩，魏民祥，等．汽车电子加速踏板可靠性控制的研究[J]．汽车工程，2012，34（8）：713-717.

[5]巴特，高印寒，曾小华，等.混合动力汽车工作模式切换控制方案[J]. 吉林大学学报（工学版），2016，46（1）：21-27.

[6]孙振耀，孙仁云，王瀚，等.纯电动汽车加速踏板失效诊断和安全机制的研究[J].湖北汽车工业学院学报，2019，33（1）：28-33.