汽车电子加速踏板可靠性控制的研究

广州广电计量检测股份有限公司 陈 宁

对于传统的汽车运行来说，主要通过机械连接的方法，有效控制拉线式节气门的开度，其加速踏板的控制较为简单，但是往往出现数据偏差，影响操作的精确度，造成发动机工作状态和汽车的运行状况不相符。应用汽车电子加速踏板，通过传感器采集踏板位置的信号，经过电控技术单元的处理之后，就可以通过伺服电机来精确控制电子节气门的开度，不单纯地由驾驶员操纵加速踏板而决定；在电控单元运行过程中，结合发动机的工况以及汽车行驶的状态等，有针对性地调整节气门开度，确保发动机始终处于良好的运行过程，保障企业的安全性、舒适性与动力性。虽然这一过程中的控制较为复杂，但是精确度高，当前已经普遍投入使用。

另外，为了更好地提升节气门开度的精确性、可靠性，国内外已经针对此问题开展了大量的研究，提出了各种各样的控制技巧与计算方法，如模糊控制、PID控制、滑膜控制等，但是具体到汽车电子加速踏板的可靠性研究却十分有限。应该考虑到，汽车电子加速踏板与电子节气门的开度控制密不可分，在电子加速踏板的工作过程中，必须保障踏板信号的精准性，加强汽车电子加速踏板可靠性控制的相关分析，具有重要意义。

1.汽车电子加速踏板的工作原理

汽车电子加速踏板主要包括踏板、电路、位移传感器及相关附件等；利用位移传感器的作用，可以将踏板的位置信号转化为电压模拟信号；在踏板中，存在两个独立发生作用的传感器，可以根据踏板位置的变化情况，对输出端的电阻值做出相应变化调整，进而带动输出电压信号的变化，只要测试输出电压值的大小就可以判断踏板具体位置。

2.汽车电子加速踏板的可靠性控制策略

2.1 信号滤波的诊断

对于经过位移传感器传输的电压模拟信号来说，必须经过滤波处理之后，减少信号中存在的毛刺或干扰问题，以此提高信号的精准性、有效性。例如，采取限幅滤波与中位值平衡滤波相结合的方法，处理电压信号滤波，如图1所示。

为了更好地提高信号可靠性，在经过滤波处理之后，必须诊断信号状况，以保障其检测的精准性。分别在踏板空载与踏板满载的位置进行滤波信号的比较，如果获得数值大于满载位置的电压或者小于空载位置的电压，则可判断该信号出现错误，此时需要输入APS1信号的错误标志位：APS1_Signal_Error为1；如果该数值位于满载位置电压和空载位置电压的数值中间，那么可判断该信号为正确信号，此时需要输出标志位：0。为确保所有滤波后的正确信号都能被检测到，在设定比较电压时，放大上下限值的范围，因此设定APS1比较电压上限值U’max1=0.961V，下限值U’min1=0.085V；设定APS2比较电压上限值U’max2=0.496V，下限值U’min2=0.010V。

2.2 传感器的信号选择

在汽车电子加速踏板中，分别存在两个独立运行的传感器，当系统处于工作状态，其中一个传感器的输出信号就是显示踏板位置的信号。首先，应该判断两个传感器分别所处的信号状态，如何二者均存在故障或缺陷，则此时输出传感器选取标志位：APS_Sensor_Choice为0；且输出选取信号APS_Sensor为0；如果两个传感器只有一个发生故障，那么另一个传感器仍然可以用于正确输出信号，并获得相应位置的标志位，此时选取传感器APS1的标志位：1；传感器APS2的标志位：2。如果两个传感器都处于正常状态，那么利用APS1的信号值减去APS2信号值的2倍，将其差值的绝对值与事先设定的限值进行比较，如果大于限值，则信号存在错误，此时输出选取标志位：0，输出信号也为0；如果小于该限值，则由传感器APS1信号作为输出信号。

图1 信号滤波及其诊断控制模型

图2 传感器故障诊断的模型

图3 传感器APsl仿真测试

图4 传感器Aps2仿真测试

2.3 传感器的故障诊断

为了更好地确定经过信号诊断发生错误信号的原因，必须进一步诊断错误信号，判断其是否由于传感器故障而引起。当前，大多采用对错误信号进行频度与宽度的检测，其中频度检测设置在特定的时间范围内，查看累计出现错误信号的次数是否超过限定值；宽度检测主要判断连续出现错误信号的频率是否已经超过了事先设定的次数。例如，在传感器APS1中进行宽度检测，如图2所示。

假定其中a=15，如果连续出现了15次以上的错误信号，那么就可判定传感器发生故障，此时输出APS1传感器故障的标志位：APS1_Signal_Error为1；在进行频度检测时，系统运行的周期为5ms，设置时间的周期为1s，那么在该周期范围内运行的次数为200次，假设c=200，b=25，当周期内累计出现的错误信号超过了25次，则判断传感器发生故障，此时输出传感器故障的标志位：1。反之，如果没有超过25次，则输出标志位：0。为了保证加速踏板开度的稳定性，且方便系统采样和计算，须对计算得到的加速踏板开度值做取整运算，只保留加速踏板开度值的整数位。

如果传感器的故障标志位APS1_Signal_Error为1，那么可以判断该传感器存在故障，为了确保系统能够保持平稳、可靠地运行，应停止使用由该传感器输出的信号，不需要继续判断传感器的故障；当传感器发生故障之后，系统也无需针对其故障进行建模，只有检修合格之后，才能重新启动系统并投入工作。

2.4 定标处理过程

当已经选择了正确的信号指挥，应该将输出的电压模拟信号转化为数字信号；也就是将传感器中的输出电压转换为电子加速踏板的开度值；例如，在应用传感器APS1时，假设踏板处于空载位置对应的加速踏板为0开度；在满载位置时对应的加速踏板为100%开度，那么为了避免去除误差、空行程等对加速踏板开度造成影响，应该设置电压为0.145V和加速踏板的0开度对应；同时设置电压为0.911V和加速踏板的100%开度对应，改对应关系呈为现象变化模式。

3.项目检测与试验

为了更好地提高汽车电子加速踏板可靠性控制效果，需要对控制的过程进行仿真试验，如滤波测试、传感器故障测试、信号测试及定标测试等。通过构建仿真测试的控制模型，APS1输入信号约为APS2输入信号的2倍；

利用MotoTron快速控制的原型开发工具，在Matlab的运行环境中，利用编译软件进行仿真测试，将程序代码输入到MotoTron产品级的开发中，形成一个快速、精准的控制原型控制系统。利用信号发生器，可模拟事先设置的踏板位置电压信号值，以此作为快速控制原型控制系统的输入依据。经过滤波处理之后，可减少毛刺和脉冲对信号产生的干扰，对传感器APS1进行测试，判断其周期内的信号是否正确，包括宽度检测、频度检测等。如图3、4所示。

传感器APS2在0.23s发生信号错误，在第0.28s经过宽度检测之后，判断为传感器故障；在0-0.09s范围内，传感器APS1与APS2均处于正常状态；从0.28s开始，传感器APS1处于正常状态，而传感器APS2发生故障。

4.结论与思考

本文系统性地分析了汽车电子加速踏板的工作原理，在此基础上构建电子踏板可靠性控制模型，通过检测与试验，获得如下结果：

（1）通过对传感器的信号进行选取、判断传感器的故障，可有效避免由于传感器故障而造成输出失误，进而影响加速踏板开度的精准性，保障电子加速踏板的可靠性；

（2）采取联合滤波技术，可减少干扰信号，进而避免影响踏板的信号采集，保障信号精确性、完整性；

（3）经过对输入踏板位置信号的处理，可以精确地控制加速踏板开度，满足可靠性控制要求，提高行车安全性。

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