電子節氣門系統故障管理策略研究

李衛兵，吳 瓊，彭憶強，冀樹德

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合 肥 230601；2.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成 都 610039；3.中國北方發動機研究所，山西 大 同 037036）

隨著科技進步，整車電子控制系統數量和功能不斷增加，它們對發動機輸出扭矩響應方式和控制精度要求越來越復雜。為了解決駕駛員與外界電子控制系統之間的扭矩需求協調，電子節氣門控制系統（Electronic Throttle Control System，ETCS）逐步被采用［1－2］。ETCS采集駕駛員加速踏板信號，通過ECU計算進氣量，由直流電機控制發動機的扭矩輸出和速度響應。由此可見，系統中各部件的故障對發動機安全運行和扭矩輸出有著重要作用。由于ETCS系統每個部件的故障狀態復雜，因此本研究提出一種嵌入式故障狀態矩陣的故障管理方法，從部件到系統層面上研究ETCS故障管理策略。

1 ETCS組成

ETCS系統構成見圖1，它由2個加速踏板位置傳感器（PPS）、ECU、節氣門體、直流電機、2個節氣門位置傳感器（TPS）、剎車開關以及連接線束組成，各部件通過線束連接 ECU（見圖2）［3－4］。

當PPS1信號出現故障不能正確反映駕駛員的操作意圖時，如果此時TPS2信號也出現故障不能正確反映節氣門位置傳感器的狀態，那么就會導致直流電機不能正確控制節氣門動作，造成發動機輸出扭矩過大，出現車輛安全問題。

2 ETCS部件故障管理

2.1 電子節氣門故障模式

TPS采用冗余設計方式，如圖2所示，2個傳感器共用1個電源供電，傳感器信號完全反向，任何時候2個傳感器輸出電壓之和都與參考電壓一致。利用該特性對2個傳感器輸出電壓一致性進行相互校核和故障診斷。

TPS有2種故障模式：一種是與線路相關的斷路和短路故障，根據ISO 15031—6定義，當輸出電壓值低于或者高于正常電壓范圍出現斷路故障時，TPS1／TPS2 故 障 碼 分 別 為 P0122／P0222，P0123／P0223［5］；另一種故障模式為2個傳感器信號不一致，當TPS1和TPS2傳感器信號出現相關性故障時，故障碼為P2135。

用TPS＿Status定義TPS故障狀態。當TPS1診斷模塊發現故障碼為P0122，TPS1和TPS2沒有出現相關性故障，此時定義傳感器的故障狀態為TPS＿Status＝1。表1列出根據TPS不同故障可能組合得到的TPS故障狀態。

表1 TPS故障矩陣

節氣門體失效模式主要是直流電機和節氣門閥片回位出現故障。直流電機線路出現低電壓時報故障碼P2102，高電壓時報故障碼P2103，線路斷開時報故障碼P2100，直流電機驅動性能故障時報故障碼P2101；當出現節氣門閥片不回位時報故障碼P2119。通過表2計算得到節氣門故障狀態，將診斷結果存入變量Throttle＿Actuation＿Status中。當直流電機診斷模塊出現故障碼P2102，節氣門閥片沒 有 出 現 卡 滯 故 障 時，Throttle＿Actuation＿Status＝2，用該值表示這種狀態。

表2 節氣門體故障狀態矩陣

用變量Throttle＿Status表示電子節氣門故障狀態，表3為電子節氣門故障狀態計算矩陣。當電子節氣門沒有任何故障時，Throttle＿Status＝2；當2個節氣門位置傳感器有1個失效不能安全可靠地判定位置時，Throttle＿Status＝1；當2個傳感器都出現了故障或者執行系統出現故障時，電子節氣門系統失效，Throttle＿Status＝0。

表3 電子節氣門故障狀態矩陣

2.2 加速踏板失效模式

為了保證安全，PPS電路采用冗余設計方式，2路傳感器獨立工作，采用不同的參考電源，輸出電壓完全反向。將電子油門踏板的故障模式分為兩類：一種是與連接線路相關的故障，PPS1／PPS2斷路報 P2122／P2127，短路報 P2123／P2128，用變量PPS＿Range表示PPS線路故障狀態（見表4）；另一種是與傳感器輸出特性一致性相關故障，當出現傳感器信號一致性故障時報P2138，此時變量PPS＿Correlation＝1，否則為0。

表4 加速踏板位置傳感器線路故障狀態矩陣

用變量PPS＿Status表示電子油門踏板故障狀態。當2個傳感器都出現故障時，電子油門踏板信號完全失效，PPS＿Status＝0；當有1個傳感器出現故障時，但不能完全可靠地給ECU傳達駕駛性操作意圖，此時性能受到限制，PPS＿Status＝1；沒有故障時PPS＿Status＝2。表5為油門踏板的故障狀態矩陣。

表5 油門踏板故障狀態矩陣

2.3 輔助部件故障失效模式

制動信號也反映駕駛員的操作意圖，ECU需要接收制動踏板的制動信號，對車輛進行安全控制。車速信號涉及到車輛安全，在ETCS系統安全設計時要對車速信號進行安全性診斷。用變量Support＿Status表示這些輔助部件狀態。

沒任何故障時，Support＿Status＝0；當制動開關出現故障時，Support＿Status＝1；當車速傳感器出現故障時，Support＿Status＝2；制動開關和車速傳感器都出現故障時，Support＿Status＝3。

進氣壓力傳感器作為動力輸出控制系統的一個重要部件，它的故障狀態對發動機的動力輸出有重要的影響。動力系統的故障狀態需要綜合考慮該傳感器的故障狀態，ECU對進氣壓力傳感器故障狀態進行診斷，當出現故障時報P0068。

3 ETCS故障管理策略模型

將ETCS分為2個功能相關的子系統，一個是與駕駛員操作意圖相關的子系統，另一個為發動機動力輸出控制子系統。建立ETCS的故障管理策略模型，從系統層面上確定各部件失效對整車安全行駛的影響及其應對處理措施。

用變量Driver＿Status表示系統的故障狀態。當子系統沒有任何故障時，Driver＿Status＝2；當不能準確判斷駕駛性操作時需要限制發動機性能時，Driver＿Status＝1，該狀態下發動機的最大性能被限制，發動機響應變慢，當踩制動踏板時發動機強制進入怠速；當完全丟失油門踏板的操作意圖，發動機強制進入怠速控制模式時，Driver＿Status＝0。表6為駕駛員操作意圖子系統故障狀態計算矩陣。

表6 駕駛員操作意圖子系統故障狀態矩陣

用變量Power＿Control＿Status表示動力控制子系統狀態。當動力控制系統沒有任何故障時，Power＿Control＿Status＝2；當失去了對節氣門的控制能力時，節氣門只能回到初始位置，只能通過供油、點火和滅缸方式控制發動機的動力輸出，此時進入動力管理模式，Power＿Control＿Status＝1；當ECU內部系統出現故障時，系統不能控制發動機動力輸出，需要強制發動機熄火，Power＿Control＿Status＝0。

表7 動力控制子系統狀態矩陣

用變量ETCS＿Status表示電子節氣門系統故障狀態，表8定義了如何通過駕駛員操作意圖子系統和動力控制子系統計算ETCS系統工作狀態。

表8 電子節氣門系統故障狀態矩陣

1）當ECU出現非常嚴重內部程序問題，或者節氣門體不能控制進氣、燃油，點火和進氣控制能力喪失，發動機不能產生任何動力。此時必須進入強制熄火模式，報故障碼P2105，ETCS＿Status＝0。

2）當節氣門位置傳感器發生故障，ETC系統不能通過節氣門控制動力輸出，節氣門也不能可靠地回到缺省位置。怠速轉速控制主要靠點火、改變燃油量和滅缸的方法，這個時候進入怠速主要通過加速踏板的位置去辨識，系統處于功率輸出管理模式，報故障碼P2104，ETCS＿Status＝1。

3）當不能可靠地識別駕駛員意圖時，只能讓發動機進入怠速模式，這個時候車輛只能實現加熱、冷卻、電氣和燈光等功能，但是不能行駛。由于此時也是強制進入怠速，但是不能對外輸出功率，所以也報出故障碼P2104，ETCS＿Status＝2。

4）當不能通過節氣門控制發動機動力輸出時，發動機動力只能通過改變燃油量和點火方式確定，此時節氣門在缺省位置處，車輛可以緩慢行駛，但不能夠正常加速和爬坡等。該模式下限制性能和功率輸出，報故障碼P2106，ETCS＿Status＝3。

5）當加速踏板冗余傳感器信號丟失時，駕駛員的操作意圖被限制，所以發動機的動力輸出被限制，發動機隨加速踏板的響應也減慢，踩制動踏板就進入了怠速，此時也報故障碼P2106，ETCS＿Status＝4。

6）沒有故障時，ETCS＿Status＝5。

4 ETCS故障管理策略建模

4.1 嵌入式故障狀態矩陣

由于每個部件的故障狀態是有限的，部件與部件之間的故障狀態可以通過排列組合方式進行計算得到，這種排列和組合可以通過矩陣方式進行表示。

嵌入式故障矩陣定義：故障矩陣A（x，y）的行x是通過故障矩陣B（i，j）計算得到，列是通過故障狀態C矩陣計算得到，而B矩陣和C矩陣中的行和列也分別是通過其他的矩陣計算得到或者是通過部件的故障狀態得到，由此可見B矩陣和C矩陣是嵌入在A矩陣內部。

由圖3示意可知，B（2，2）＝3，C（2，3）＝1，計算得到A（1，3）＝4，最后系統的故障狀態為4。通過嵌入式矩陣表達部件、子系統和系統的故障狀態，便于從部件到系統狀態推理、查找與計算。

4.2 故障管理策略建模

利用Matlab／Simulink軟件建立ETCS故障管理策略模型（見圖4）。用sensor and actuator singal processing模塊處理來自電子油門踏板、電子節氣門等傳感器原始信號并進行故障診斷，將各傳感器的故障狀態傳遞給Driver＿Status和Power＿Control＿Status 2個模塊。根據前文描述部件、子系統和系統的故障，查表計算當前的故障狀態。

5 ETCS模型在環仿真與驗證

為了驗證上述模型的正確性和可行性，利用MACS565快速原型系統（見圖5）進行在環仿真和模型驗證。

Matlab／Simulink開發環境用于建立模型，通過RTW技術自動將模型轉化成可以在MACS565上運行的.rpc執行文件。Winspecs監控軟件將自動生產的rpc文件寫入到主控制器中，并對主控制器的RAM和FLASH進行相關管理。車輛模擬器（VS－VVT）能夠提供汽車發動機電控系統常用的各種傳感器信號，它能模擬各種模擬量、數字量，且符合各種傳感器的電壓輸出范圍和變化規律，ECU輸出信號可以在上面得到實時的反映。車輛模擬器可以對這些輸入信號進行通、斷和一致性設置。

利用上述系統將模型寫入控制器中，通過汽車模擬器模擬實際電子節氣門系統的部分故障狀態，驗證模型的正確性，結果見圖6至圖8。

圖6示出電子油門踏板故障驗證結果。利用車輛模擬器對PPS1傳感器進行斷路時，報出故障碼P2122，PPS＿Range＝1，PPS＿Status＝1，駕駛員需求子系統故障狀態Driver＿Status＝1，進入限制性能模式，報故障碼P2106。然后對PPS2傳感器進行斷路，報出故障碼P2122，P2127，駕駛員需求子系統故障狀態Driver＿Status＝0，發動機進入強制怠速，報出故障碼P2104。驗證結果與模型一致，符合ISO 15031標準要求。

圖7示出節氣門位置傳感器故障模型驗證結果。對兩路節氣門信號逐一進行斷路，系統立刻進入了強制怠速模式，節氣門開度保持默認值，不再響應駕駛性的操作。

圖8示出直流電機故障模型驗證結果，對直流驅動線路進行斷路試驗，系統立刻進入強制怠速模式，節氣門開度保持默認值，不再響應駕駛性的操作。

6 結束語

由于電子節氣門系統的安全性能直接關系到整車安全性，所以針對電子節氣門系統各部件的故障管理策略進行研究，確保整車系統的安全。首先對電子油門踏板、電子節氣門等部件的失效模式進行分析，根據各子系統的故障狀態矩陣計算得到子系統的故障狀態，最后確定電子節氣門系統的故障狀態及ISO 15031—6定義的故障碼。

通過Matlab／Simlink軟件建立故障管理模型，利用快速原型開發工具進行模型驗證，結果證明，由車輛模擬器注入故障后，故障管理模型能夠正確報出故障碼。

［1］ 吳 瓊.基于模型的天然氣發動機轉矩研究［D］.成都：西華大學，2009.

［2］ 陶國良，郭 連.電子節氣門技術的發展現狀及趨勢［J］.車用發動機，2003（4）：1－5.

［3］ 崔 如.汽油機電子節氣門控制技術的研究［D］.南京：南京理工大學，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.