主动进气格栅电控系统故障诊断策略

曹子健 吴长水 陈礼

关键词：主动进气格栅；软件架构；故障诊断；故障注入

国六标准的出台与实施，使各大汽车厂商对排放的要求更加严格，并尝试通过不同的技术手段解决问题[1-2]。主动进气格栅（activegrilleshutter，AGS）技术作为其中一项举措，能够根据汽车的不同工况，调节栅叶开闭角度，控制发动机舱的进气量，提升发动机冷机状态的运行效率，同时改善汽车的空气动力学性能，有效减小行驶阻力，提高燃油经济性[3-5]。据J.Bouilly等的评估结果显示在-7°和25°新欧洲驾驶循环周期（newEuropeandrivingcycle，NEDC）工况下，燃油经济性能够提高1.7%～2.4%[6]。但由于车辆本身运行工况较为复杂，格栅会出现在某一开度范围内的频繁启停，对整个系统的稳定性提出了较高要求，因此监测主动进气格栅的运行状态非常重要。

近年来，主动进气格栅技术在一些中高端车型上得到应用，取得了一定成效。随着该技术的进一步应用，对其优化设计研究尤为重要。贾青等[7]通过气动阻力与散热需求之间的模拟仿真，优化进气格栅策略，提高燃油经济性；N.Dutta等[8]针对主动进气格栅与其他系统相互作用的复杂性，提出用系统工程的方法来研究主动进气格栅，优化其控制策略；LIJiacheng等[9]通过建模，对机舱内的关键部件进行仿真，并结合散热量的研究，得到主动进气格栅的最佳开度曲线，依此对控制策略进行优化。谢月凤[10]将AGS系统控制模式分为初始化模式、故障模式、正常模式和手动模式4种，并在故障模式控制方案中设置了内部故障处理机制和外部故障处理机制来进行故障的处理；殷杰[11]采用了有限状态机和基本的simulink/stateflow模块库实现控制逻辑，在增扭驱动模式状态对堵转进行处理，在错误模式状态下，对故障进行处理。目前对于主动进气格栅的研究主要偏向于通过优化其控制策略以进一步提高燃油经济性，对于格栅的故障诊断以及处理等可靠性与稳定性方面的研究较少，故障的分类以及处理动作比较单一。

因此，本文以上述研究结果为基础，提出一种故障诊断策略。在该策略中，增加故障诊断类别，明确故障在各状态下的跳转条件，引入故障分级处理机制对故障进行处理[12]；并增加格栅挡点位置自适应算法，减小误差干扰，降低故障误报率，以提高系统的可靠性与稳定性。

1主动进气格栅及电控系统

主动进气格栅系统主要由3部分构成，即传感器、控制单元、执行器。执行器又分成执行电机、减速机构和格栅3部分。工作过程中，传感器采集温度、车速、空调状态等相关信号，传送至控制单元，经由相关控制策略计算出格栅最优开度，然后传输给执行器，执行相应动作[13]。由整个工作进程可知，为保证格栅动作执行的准确性和稳定性，必须对格栅系统进行实时诊断监测。主动进气格栅系统结构及原理图如图1所示。

本文选用无刷直流电机（brushlessdirectcurrentmotor，BLDCM），采用脉冲宽度调制（pulsewidthmodulation，PWM）占空比调节进行速度控制，通过键连接，带动格栅以一定速度正反转。格栅驱动电机技术参数如表1所示。

2主动进气格栅故障诊断策略

2.1AGS电控系统软件架构

软件上，控制器需要实现电机稳定运行，根据控制策略得出的最优开度执行启停动作。同时为保护格栅系统，需实时检测故障标志位，执行故障处理动作。AGS电控系统软件架构如图2所示。

2.2主动进气格栅故障诊断与处理

本文设计了4类故障诊断机制，实时监测系统运行过程中可能出现的电气故障、超行程故障、通信故障、堵转故障[14]，并提出相应的故障保护措施，为电机、格栅控制器以及格栅机械结构等提供保护作用，提升系统在高温、寒冷等恶劣环境下的稳定性与可靠性。

2.2.1主动进气格栅故障诊断机制

电气故障：将电气信号异常，电子元器件异常以及温度异常导致的系统故障判定为电气故障。电气故障诊断机制如表2所示。

超行程故障：若检测到格栅开度超过额定行程（90°）时，判定为超行程故障。

通信故障：本项目整车控制单元（vehiclecontrolunit，VCU）与电机控制器之间采用局域互联网络（localinterconnectnetwork，LIN）总线通信，当LIN通信中断时，判定为通信故障。以上2种故障诊断机制如表3所示。

堵转故障：为提高系统堵转故障判断的准确性，堵转故障判断需要经过堵转条件和堵转工况的判断，连续2次堵转工况后触发堵转故障。首先通过转速、电流以及状态持续时间来進行堵转条件的判断，如图3所示。当堵转条件触发后，通过与目标位置偏差值进一步判断堵转工况。检测到堵转工况后，进入故障模式，增大输出扭矩，进行挡点位置自学习。在自学习动作完成后，再次检测，若堵转工况消除，系统进入正常模式；若堵转工况仍旧未消除，则触发堵转故障。堵转故障诊断机制如表3所示。

堵转电流通过标定实验进行确定，利用台架模拟主动进气格栅的工况，测量最大额定负载时的母线电流峰值，作为堵转电流。

转速的测算需要经过滤波处理，本文选用了一阶低通滤波，采用实时转速值与上次滤波后转速值加权，得到有效滤波值，提高故障诊断转速输入条件的准确性。

其中：α为滤波系数；Xn为实时转速值；Y（n-1）为上次滤波输出的转速值；Yn为本次滤波输出的转速值。

2.2.2主动进气格栅故障处理机制

1）运行模式。在实际运行过程中，格栅会处于不同的状态，为方便故障诊断与处理以及提高系统的运行效率与可靠性，将格栅配置为多模式运行，明确各模式下的功能以及各模式间的跳转逻辑。

格栅控制器运行模式分为5种：初始化模式，标定模式，正常模式，睡眠模式，故障模式[15]。系统启动后，首先进入初始化模式，进行系统自检。若自检通过，进入标定模式，等待VCU控制命令，并开始实时检测系统故障。当电机控制器接收到挡点位置自学习命令，开始学习格栅全开、全闭2个动作运行的极限点，分别作为0%和100%的参考位置，作为之后一切动作的基础。完成自学习后进入正常模式，等待开度指令，在没有故障发生的情况下，系统持续根据VCU下发的命令执行动作。当发生故障时，立即跳转到故障模式，执行相应故障处理动作，并向VCU反馈故障信息，等待相应指令。格栅系统模式跳转逻辑如图4所示。

2）故障处理机制。电气故障分作2级进行处理。一级为低压故障、高压故障、高温故障，当此类故障发生后，短时间的运行并不会对系统产生较大影响，所以对格栅进行功能降级处理。此时检测到故障，跳转进入故障模式，格栅运行到全开位置后停止运动，保留格栅最基本的散热功能，不再响应其他控制命令，同时将故障反馈到VCU，等待故障消除。二级为欠压故障、过压故障、过温故障。此类故障会严重影响元器件的使用寿命，造成不可逆的后果，甚至影响到整车的其他功能。检测到故障时，立即停止动作，关闭驱动桥输出，等待故障消除；若故障解决，进入标定模式重新进行挡点位置自学习。

超行程故障发生多为栅叶损坏，进一步的动作可能对车身其他结构造成破坏。所以故障发生时，进入故障模式，立刻停止动作，保持力矩，反馈故障，等待维修。

通信故障发生后，格栅开度不能及时更新，散热需求处于不确定状态，系统跳转进入故障模式，对格栅功能进行降级处理。栅叶向全开方向开至最大，保持力矩，保证足够散热量，并依照LIN标准规定，进入休眠状态。当检测到故障消除时，恢复至原状态。

堵转故障发生时，系统立即停止动作，保持力矩，并反馈故障信息，等待维修。

2.3故障误报消除算法

自学习过程中，格栅学习到的挡点位置与总行程是开度指令执行的基础。但由于器件的老化、齿轮间隙以及开度执行误差的累积等内因，往往会导致这2个基准值在频繁启停后不再准确，影响开度指令的执行，进入堵转条件、堵转工况的判断与处理，甚至误报堵转故障，严重影响用户体验。为避免这种情况的发生，增加格栅挡点位置自适应算法，一方面保证格栅能够运行到位，另一方面通過撞击2个挡点，更新位置值与总行程，消除误差，使格栅始终在正确的基准上执行动作。

格栅挡点位置自适应算法流程图如图5所示。当接收到开度指令之后，首先对指令进行判断，区分出边界指令0%、100%。当判断为边界指令，在到达位置后继续对堵转条件进行判断。若触发堵转条件，格栅立即停止运动；若到达位置后，堵转条件未触发，格栅继续保持原运动方向运行，直至堵转条件触发，并将此时的位置更新为边界位置。

3AGS故障诊断策略验证实验

基于台架模拟格栅运行工况，通过上位机软件发送控制指令，并记录测试过程的系统响应状态，验证诊断策略的合理性与可靠性。

3.1故障注入

从故障注入实验中选取如下几种故障工况进行详细陈述。

图6为电气故障注入后的系统响应状态。格栅自学习成功后，进入正常模式，通过上位机发送开度指令100%，并将系统的母线供电电压由初始值12V调节到异常值17.5V，格栅迅速识别，进行功能降级处理，运行至全开位置0%，使能故障标志位，并不再响应开度命令。将系统的母线供电电压恢复至正常范围12V，故障标志位被清除，电气故障消除。

图7为超行程故障注入后的系统响应状态。进入正常模式后，将测试台架的行程由正常值90°调整为异常值125°，格栅超过额定边界15°后，识别到故障，立即停止动作，并使能标志位。

图8为通信故障注入后的系统响应状态。正常模式下，通过上位机发送开度指令100%，在格栅运行过程中断开LIN线，格栅运行至全开位置。通信恢复后，继续执行开度命令。

图9为堵转故障注入后的系统响应状态。标定模式下，在格栅开度范围内设置故障挡点，利用上位机发送自学习指令，格栅能够迅速识别堵转工况，并进行增扭自学习。当自学习完成时，停留在正常模式，等待VCU进一步指令，故障标志位清除。

3.2故障误报测试

本项试验主要验证所设计的挡点位置自适应算法对误报故障问题的影响，通过上位机发送开度指令，控制格栅以一定的步长往复运动，并设置试验组数与每组试验循环次数。试验结果表明，在每组试验循环次数为1000次的情况下，添加格栅挡点位置自适应算法后，误报故障次数得到降低，保证了格栅的可靠性。故障误报测试结果如表4所示。

4结论

本文基于主动进气格栅电控系统软件架构，设计了格栅故障诊断策略，并引入格栅挡点位置自适应算法，解决因齿轮间隙、开度执行误差累积以及格栅器件老化导致的误报故障问题，提高故障诊断策略的准确性与可靠性。

基于台架对格栅进行故障注入试验与故障误报测试试验，实验结果表明，所设计的故障诊断策略能够快速、准确检测到故障，并根据故障类别进行相应处理，保证正常运行过程中的格栅开度误差范围为限值5°，提高了格栅系统的可靠性与稳定性。