一种基于自诊断技术的转速处理系统的设计

白蒲江 阮班水

摘 要：文章首先介绍了缓速器在重型商用车辆上的重要作用，然后介绍了缓速器控制系统的构成及作用，接着分析车辆对象转速测量及处理原理，基于Simulink开发了转速及自诊断模型。该模型可以适用于大部分场景，在实车上完成控制功能的验证，取得较好的性能效果。

关键词：自诊断;转速测量;控制系统

中图分类号：U261.24+2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-45-03

Shaft Speed Control System Design Based On Self-Diagnose Technology

Bai Pujiang， Ruan Banshui

（ Intelligent Transmission Research Institute of Shaanxi Fast Automotive Transmission Engineering

Research Institute， Shaanxi Xi'an 710077 ）

Abstract： Importance of retarder on The heavy duty vehicle are introduced firstly， Then the principles and methods of speed measure are described; At last， design of speed self-diagnose model based on Simulink are achieved and applied.

Keywords： Self-diagnose; Speed measurement; Control system

CLC NO.： U261.24+2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-45-03

1 技術背景

传统的重型车辆制动依靠行车主制动装置实现。在复杂的工况下，比如：长下坡制动，平路频繁制动等，行车主制动较一般工况制动强度大幅增加，这样就带来制动器的加快磨损，制动衬片加速衰退等，当达到某种严重程度，可导致主制动的失灵，造成交通事故。为了提高车辆安全性，越来越多的车辆匹配了辅助制动器--液力缓速器。液力缓速器在大部分长下坡路段，平路坡度中低程度制动时，能独立实现车辆车速的维持或降低等，从而提高车辆安全性能，减轻驾驶强度，降低了主制动装置维护成本。

随着整车技术的发展，整车对液力缓速器控制控制系统的准确性提出新的要求，如整车匹配EBS（电子制动系统）功能时，缓速器需按一定周期响应扭矩请求，根据缓速器转速调整缓速器压力，保证整车制动舒适性。因此在控制开发过程中，传动轴转速成为必要的组成部分。

为此，必须对转速信号进行专门的开发。结合国际主流开发趋势，采用了基于MATLAB环境 Simulink工具开发该系统的方案。本文旨在以Simulink的强大集成环境为基础，建立一种自诊断转速测量算法模型。

2 自诊断技术介绍

自诊断技术是在车辆实际运行工况基础上，运用各种诊断方法，实时对车辆各部分状态进行判断，最终确定目标故障，查找故障原因并提出故障解决方案。

故障诊断模块既要能够及时对诊断对象进行合理性判断，又要能够将故障信息以合适的格式保存并显示，故障自诊断模块处理汽车上的各种传感器，电子系统以及执行元件，在汽车运行过程中检测被诊断对象的输入信息，在信号出现持续一段时间（几十毫秒以上）的异常后，故障自诊断模块开始运行诊断算法。自诊断软件根据取得的信号条件判断异常对应的故障部位，并把该故障以代码的形式存入诊断控制单元的数据存储器，如有需要则点亮仪表盘上的故障指示灯或发出提示音。故障被检测出后针对故障发生的位置及对车辆运行情况的影响程度不同。自诊断模块采取不同的应急措施：

传感器故障：其信号不能再作为车辆的运行控制参数，此时故障自诊断模块调用预先设定的经验值作为替代应急输出，供其它相关部件使用，以保证车辆可以继续工作。

元件故障：如果有一元件出现可能影响系统其它部门正常工作甚至可能产生严重后果的故障时，故障诊断模块采取一定措施，自动停止与该元件相关的功能的执行，并向用户发出警报，建议尽快进行维修。

3 转速处理系统的设计

3.1 转速测量原理

车速及转速是用于整车传动系电控装置控制动力、制动输出的重要信号。

在整车应用中，后桥、分动箱、变速器、发动机等部件处均布置有转速传感器用于测量转速，每个部分测量的转速信号与车速、其它部分的转速有一定的逻辑关系。下面重点说明车速、轮边转速、变速器输出轴转速等信号。

基于车轮转速的车速：主要由ABS装置实现，用于ABS＼AMT对行车制动器、变速器的控制实现。也可用于其它需要车速信号的设备。计算方法为基于轮速传感器的转速结合轮胎参数可得到车速后，一方面用于通过制动器调节对车辆姿态进行控制，另一方面，广播该车速信号到整车通讯总线，便于信号共用（ABS防抱死装置EBC2）。基于变速器或分动箱输出轴的车速及转速：由仪表装置、发动机、自动变速器实现，用于监测变速器输出轴实时状态，确保车辆运行稳定。原理为基于变速器输出轴转速结合轮胎参数、后桥、分动箱参数得到车速，一方面用于仪表显示，另一方面，广播该车速信号到整车通讯总线，便于信号共用（如发动机CCVS、仪表TCO1、自动变速器ET1等）。

3.2 自诊断策略设计与软硬件实现

3.2.1 自诊断信号的判定方法

（1）超出范围判断

当电控单元接收到的输入信号超出规定的数值范围时，自诊断系统就确认输入信号出现故障。例如：某车转速信号设计在正常转速范围0—2800rpm（或范围更大些）内，转速传感器输出频率为0—1000hz，所以当电控单元检测出频率信号大于1000Hz或转速值大于2800rpm就判定转速传感器信号故障或计算错误。对于识别转速传感器的车辆，如果脉冲数配置错误，也会导致转速值错误。对此，进行了标定值与最小值比较，以判定是否配置错误。配置错误时，转速值不可信。

（2）超时判断

当电控单元检测时发现某一输入信号在一定的时间内没有发生变化或变化没有达到预先规定的次数时，自诊断系统就确定该信号出现故障。例如：对于来自CAN总线的车速转速信号，当超过一定时间，若车速转速报文无更新，则判断CAN接收故障。

（3）逻辑判断 电控单元对两个具有相互联系的传感器进行数据比较，当发现两个传感器信号之间的逻辑关系违反设定条件时，就断定其一定有故障。

3.2.2 设计实现

自诊断设计的思路：在不增加过多硬件电路及电路板尺寸不变的情况下，进行必要的诊断;在不增加过多软件开销的情况下，采用更优的算法实现诊断与容错控制。

基于上述思路，根据缓速器转速测量的需求，进行了软硬件的设计。硬件方面，专门配置电路识别一路频率形式的车速信号，该电路与传感器直接连接;CAN通讯电路是必要的组成部分，一方面接收发动机巡航、油门信号用于协调工作，另一方面识别缓速器控制器所需的转速信号（TCO1报文来自仪表、EBS2报文来自ABS、CCVS报文来自发动机等）。

软件方面，底层基于微处理器的库函数，进行脉冲计算算法开发，实现频率特性的测量，可为转速计算算法提供脉冲周期时间，脉冲高电平时间两个变量。对于C3形式信号，计算占空比后基于固定的系数计算出车速，然后基于车速根据车辆参数、缓速器参数得到转速。对于频率形式信号，先根据脉冲周期时间计算出频率，然后直接根据车辆参数、缓速器参数计算得到转速。对于基于报文的车速，直接解析为车速后，可直接根据车辆参数、缓速器参数计算得到转速;对于转速基于报文的情况，直接解析为转速。经过转速测量模块后，多个优先级不同的车速、转速信号可用于转速的控制。从车速方面，优先级排序为 CCVS>TCO1>ABS;转速方面，ETC1>TCO1。对于这些信号，在用于扭矩控制前，通过一定的故障识别方式可确认故障及进行故障处理。

首先，通过时域判定法判断先判断最高优先级报文的周期是否符合规范要求，若符合，则即被识别为在线状态;否则判断其它优先级信号是否正确，依次类推，从而实现信号的确定。

接着，根据自诊断的原理，结合不同转速的测量原理分析，缓速器的转速故障识别可通过逻辑判定法来实现。对于车辆输出轴转速信号而言，任何时刻，其值应与车速成一定的比例关系，比例值应在一定范围内。范围上限和下限基于车辆的极限参数计算。当指定的转速信号与车速信号的比例计算值在范围以外时，转速信号不可信。一个及多个控制周期内，转速信号的变化量也应在一定范围内，变化量上限基于车辆的极限参数计算。当转速信号变化值在上限以上时，转速信号不可信。

最后，进行变化率判断。变化值判断仅在驾驶员有扭矩请求时处理。分两种情况：故障发生在某次扭矩请求前，并持续存在;故障發生在某次扭矩请求期间，持续存在、断续发生。对于第一种持续存在的情况，通过置转速变化异常故障标志位告知扭矩及压力限制模块后，本次扭矩请求实现按恒压力模式实现，不与任何转速信号关联。对于第二种情形，前n次依据历史记录数据结合趋势变化（基于极限变化值）进行转速估计，第n+1拍及以后缓速器控制不再关联转速。

4 结论

本设计基于缓速器控制系统、车辆对象特性、车速采集的基本原理，总结容错处理算法，开发了较为全面的转速测量数字系统，使得该系统可以适用于缓速器扭矩控制。随着制动系统技术的发展，本系统还需不断升级优化，应用于更多的技术平台中。

参考文献

[1] 刘诒荣.转速测量数字系统设计及应用[J].计量技术，2002（02）：23- 25.

[2] 许秀玲，汪晓东.传感器故障诊断方法研究[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2004（03）：18-22.

[3] 程军.重型汽车控制系统的通讯与诊断协议[J].汽车电器，2001（01）： 1-4.

[4] 张萍，王桂增，周东华.动态系统的故障诊断方法[J].控制理论与应用，2000（02）：153-158.

[5] 蔡国锐，张雷.汽车故障自诊断及故障诊断技术[J].机械研究与应用，2005（04）：12-13.

[6] 雷鸣远.浅析快速诊断CAN总线常见故障[J].科技经济导刊，2020， 28（11）：50.