电子节气门系统故障管理策略研究

李卫兵，吴 琼，彭忆强，冀树德

（1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合 肥 230601；2.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成 都 610039；3.中国北方发动机研究所，山西 大 同 037036）

随着科技进步，整车电子控制系统数量和功能不断增加，它们对发动机输出扭矩响应方式和控制精度要求越来越复杂。为了解决驾驶员与外界电子控制系统之间的扭矩需求协调，电子节气门控制系统（Electronic Throttle Control System，ETCS）逐步被采用［1－2］。ETCS采集驾驶员加速踏板信号，通过ECU计算进气量，由直流电机控制发动机的扭矩输出和速度响应。由此可见，系统中各部件的故障对发动机安全运行和扭矩输出有着重要作用。由于ETCS系统每个部件的故障状态复杂，因此本研究提出一种嵌入式故障状态矩阵的故障管理方法，从部件到系统层面上研究ETCS故障管理策略。

1 ETCS组成

ETCS系统构成见图1，它由2个加速踏板位置传感器（PPS）、ECU、节气门体、直流电机、2个节气门位置传感器（TPS）、刹车开关以及连接线束组成，各部件通过线束连接 ECU（见图2）［3－4］。

当PPS1信号出现故障不能正确反映驾驶员的操作意图时，如果此时TPS2信号也出现故障不能正确反映节气门位置传感器的状态，那么就会导致直流电机不能正确控制节气门动作，造成发动机输出扭矩过大，出现车辆安全问题。

2 ETCS部件故障管理

2.1 电子节气门故障模式

TPS采用冗余设计方式，如图2所示，2个传感器共用1个电源供电，传感器信号完全反向，任何时候2个传感器输出电压之和都与参考电压一致。利用该特性对2个传感器输出电压一致性进行相互校核和故障诊断。

TPS有2种故障模式：一种是与线路相关的断路和短路故障，根据ISO 15031—6定义，当输出电压值低于或者高于正常电压范围出现断路故障时，TPS1／TPS2 故 障 码 分 别 为 P0122／P0222，P0123／P0223［5］；另一种故障模式为2个传感器信号不一致，当TPS1和TPS2传感器信号出现相关性故障时，故障码为P2135。

用TPS＿Status定义TPS故障状态。当TPS1诊断模块发现故障码为P0122，TPS1和TPS2没有出现相关性故障，此时定义传感器的故障状态为TPS＿Status＝1。表1列出根据TPS不同故障可能组合得到的TPS故障状态。

表1 TPS故障矩阵

节气门体失效模式主要是直流电机和节气门阀片回位出现故障。直流电机线路出现低电压时报故障码P2102，高电压时报故障码P2103，线路断开时报故障码P2100，直流电机驱动性能故障时报故障码P2101；当出现节气门阀片不回位时报故障码P2119。通过表2计算得到节气门故障状态，将诊断结果存入变量Throttle＿Actuation＿Status中。当直流电机诊断模块出现故障码P2102，节气门阀片没 有 出 现 卡 滞 故 障 时，Throttle＿Actuation＿Status＝2，用该值表示这种状态。

表2 节气门体故障状态矩阵

用变量Throttle＿Status表示电子节气门故障状态，表3为电子节气门故障状态计算矩阵。当电子节气门没有任何故障时，Throttle＿Status＝2；当2个节气门位置传感器有1个失效不能安全可靠地判定位置时，Throttle＿Status＝1；当2个传感器都出现了故障或者执行系统出现故障时，电子节气门系统失效，Throttle＿Status＝0。

表3 电子节气门故障状态矩阵

2.2 加速踏板失效模式

为了保证安全，PPS电路采用冗余设计方式，2路传感器独立工作，采用不同的参考电源，输出电压完全反向。将电子油门踏板的故障模式分为两类：一种是与连接线路相关的故障，PPS1／PPS2断路报 P2122／P2127，短路报 P2123／P2128，用变量PPS＿Range表示PPS线路故障状态（见表4）；另一种是与传感器输出特性一致性相关故障，当出现传感器信号一致性故障时报P2138，此时变量PPS＿Correlation＝1，否则为0。

表4 加速踏板位置传感器线路故障状态矩阵

用变量PPS＿Status表示电子油门踏板故障状态。当2个传感器都出现故障时，电子油门踏板信号完全失效，PPS＿Status＝0；当有1个传感器出现故障时，但不能完全可靠地给ECU传达驾驶性操作意图，此时性能受到限制，PPS＿Status＝1；没有故障时PPS＿Status＝2。表5为油门踏板的故障状态矩阵。

表5 油门踏板故障状态矩阵

2.3 辅助部件故障失效模式

制动信号也反映驾驶员的操作意图，ECU需要接收制动踏板的制动信号，对车辆进行安全控制。车速信号涉及到车辆安全，在ETCS系统安全设计时要对车速信号进行安全性诊断。用变量Support＿Status表示这些辅助部件状态。

没任何故障时，Support＿Status＝0；当制动开关出现故障时，Support＿Status＝1；当车速传感器出现故障时，Support＿Status＝2；制动开关和车速传感器都出现故障时，Support＿Status＝3。

进气压力传感器作为动力输出控制系统的一个重要部件，它的故障状态对发动机的动力输出有重要的影响。动力系统的故障状态需要综合考虑该传感器的故障状态，ECU对进气压力传感器故障状态进行诊断，当出现故障时报P0068。

3 ETCS故障管理策略模型

将ETCS分为2个功能相关的子系统，一个是与驾驶员操作意图相关的子系统，另一个为发动机动力输出控制子系统。建立ETCS的故障管理策略模型，从系统层面上确定各部件失效对整车安全行驶的影响及其应对处理措施。

用变量Driver＿Status表示系统的故障状态。当子系统没有任何故障时，Driver＿Status＝2；当不能准确判断驾驶性操作时需要限制发动机性能时，Driver＿Status＝1，该状态下发动机的最大性能被限制，发动机响应变慢，当踩制动踏板时发动机强制进入怠速；当完全丢失油门踏板的操作意图，发动机强制进入怠速控制模式时，Driver＿Status＝0。表6为驾驶员操作意图子系统故障状态计算矩阵。

表6 驾驶员操作意图子系统故障状态矩阵

用变量Power＿Control＿Status表示动力控制子系统状态。当动力控制系统没有任何故障时，Power＿Control＿Status＝2；当失去了对节气门的控制能力时，节气门只能回到初始位置，只能通过供油、点火和灭缸方式控制发动机的动力输出，此时进入动力管理模式，Power＿Control＿Status＝1；当ECU内部系统出现故障时，系统不能控制发动机动力输出，需要强制发动机熄火，Power＿Control＿Status＝0。

表7 动力控制子系统状态矩阵

用变量ETCS＿Status表示电子节气门系统故障状态，表8定义了如何通过驾驶员操作意图子系统和动力控制子系统计算ETCS系统工作状态。

表8 电子节气门系统故障状态矩阵

1）当ECU出现非常严重内部程序问题，或者节气门体不能控制进气、燃油，点火和进气控制能力丧失，发动机不能产生任何动力。此时必须进入强制熄火模式，报故障码P2105，ETCS＿Status＝0。

2）当节气门位置传感器发生故障，ETC系统不能通过节气门控制动力输出，节气门也不能可靠地回到缺省位置。怠速转速控制主要靠点火、改变燃油量和灭缸的方法，这个时候进入怠速主要通过加速踏板的位置去辨识，系统处于功率输出管理模式，报故障码P2104，ETCS＿Status＝1。

3）当不能可靠地识别驾驶员意图时，只能让发动机进入怠速模式，这个时候车辆只能实现加热、冷却、电气和灯光等功能，但是不能行驶。由于此时也是强制进入怠速，但是不能对外输出功率，所以也报出故障码P2104，ETCS＿Status＝2。

4）当不能通过节气门控制发动机动力输出时，发动机动力只能通过改变燃油量和点火方式确定，此时节气门在缺省位置处，车辆可以缓慢行驶，但不能够正常加速和爬坡等。该模式下限制性能和功率输出，报故障码P2106，ETCS＿Status＝3。

5）当加速踏板冗余传感器信号丢失时，驾驶员的操作意图被限制，所以发动机的动力输出被限制，发动机随加速踏板的响应也减慢，踩制动踏板就进入了怠速，此时也报故障码P2106，ETCS＿Status＝4。

6）没有故障时，ETCS＿Status＝5。

4 ETCS故障管理策略建模

4.1 嵌入式故障状态矩阵

由于每个部件的故障状态是有限的，部件与部件之间的故障状态可以通过排列组合方式进行计算得到，这种排列和组合可以通过矩阵方式进行表示。

嵌入式故障矩阵定义：故障矩阵A（x，y）的行x是通过故障矩阵B（i，j）计算得到，列是通过故障状态C矩阵计算得到，而B矩阵和C矩阵中的行和列也分别是通过其他的矩阵计算得到或者是通过部件的故障状态得到，由此可见B矩阵和C矩阵是嵌入在A矩阵内部。

由图3示意可知，B（2，2）＝3，C（2，3）＝1，计算得到A（1，3）＝4，最后系统的故障状态为4。通过嵌入式矩阵表达部件、子系统和系统的故障状态，便于从部件到系统状态推理、查找与计算。

4.2 故障管理策略建模

利用Matlab／Simulink软件建立ETCS故障管理策略模型（见图4）。用sensor and actuator singal processing模块处理来自电子油门踏板、电子节气门等传感器原始信号并进行故障诊断，将各传感器的故障状态传递给Driver＿Status和Power＿Control＿Status 2个模块。根据前文描述部件、子系统和系统的故障，查表计算当前的故障状态。

5 ETCS模型在环仿真与验证

为了验证上述模型的正确性和可行性，利用MACS565快速原型系统（见图5）进行在环仿真和模型验证。

Matlab／Simulink开发环境用于建立模型，通过RTW技术自动将模型转化成可以在MACS565上运行的.rpc执行文件。Winspecs监控软件将自动生产的rpc文件写入到主控制器中，并对主控制器的RAM和FLASH进行相关管理。车辆模拟器（VS－VVT）能够提供汽车发动机电控系统常用的各种传感器信号，它能模拟各种模拟量、数字量，且符合各种传感器的电压输出范围和变化规律，ECU输出信号可以在上面得到实时的反映。车辆模拟器可以对这些输入信号进行通、断和一致性设置。

利用上述系统将模型写入控制器中，通过汽车模拟器模拟实际电子节气门系统的部分故障状态，验证模型的正确性，结果见图6至图8。

图6示出电子油门踏板故障验证结果。利用车辆模拟器对PPS1传感器进行断路时，报出故障码P2122，PPS＿Range＝1，PPS＿Status＝1，驾驶员需求子系统故障状态Driver＿Status＝1，进入限制性能模式，报故障码P2106。然后对PPS2传感器进行断路，报出故障码P2122，P2127，驾驶员需求子系统故障状态Driver＿Status＝0，发动机进入强制怠速，报出故障码P2104。验证结果与模型一致，符合ISO 15031标准要求。

图7示出节气门位置传感器故障模型验证结果。对两路节气门信号逐一进行断路，系统立刻进入了强制怠速模式，节气门开度保持默认值，不再响应驾驶性的操作。

图8示出直流电机故障模型验证结果，对直流驱动线路进行断路试验，系统立刻进入强制怠速模式，节气门开度保持默认值，不再响应驾驶性的操作。

6 结束语

由于电子节气门系统的安全性能直接关系到整车安全性，所以针对电子节气门系统各部件的故障管理策略进行研究，确保整车系统的安全。首先对电子油门踏板、电子节气门等部件的失效模式进行分析，根据各子系统的故障状态矩阵计算得到子系统的故障状态，最后确定电子节气门系统的故障状态及ISO 15031—6定义的故障码。

通过Matlab／Simlink软件建立故障管理模型，利用快速原型开发工具进行模型验证，结果证明，由车辆模拟器注入故障后，故障管理模型能够正确报出故障码。

［1］ 吴 琼.基于模型的天然气发动机转矩研究［D］.成都：西华大学，2009.

［2］ 陶国良，郭 连.电子节气门技术的发展现状及趋势［J］.车用发动机，2003（4）：1－5.

［3］ 崔 如.汽油机电子节气门控制技术的研究［D］.南京：南京理工大学，2009.

［4］ Daniel McKay，Gary Nichols，Bart Schreurs.Delphi E－lectronic Throttle Control Systems for Model Year 2000；Driver Features，System Security，and OEM Benefits.ETC for the Mass Market［C］.SAE Paper 2000－01－0556.

［5］ International Standard.ISO 15031—6：2005（E）Road vehicles－Communication between vehicle and external equipment for emissions－related diagnostics－Part 6：Diagnostic trouble code definitions［S］.Switzerland：International Organization for Standardiztion，2005.