基于動態模擬技術的混動車輛發動機電控單元檢測系統設計

韓 銳

(廣西現代職業技術學院 信息工程學院，廣西 河池 547017)

0 引言

混動車輛是指同時裝備熱動力源和電動力源的汽車，將電機應用于混合動力汽車，可使動力系統根據車輛的實際工作條件進行靈活調節，同時使發動機工作在最優的狀態下，達到降低燃油消耗和排放的目的。與傳統車輛相比，混動車輛對燃油的消耗量更少，同時工作程序更復雜，發生故障的概率更大?；靹榆囕v的動力系統中發動機及電控單元是決定混動車輛正常行駛性能的直接因素[1]。發動機是為混動車輛提供動力的裝置，而電控單元則是電氣控制單元，具體來說，就是將各種電氣部件結合在一起，以達到對一個或一些對象進行控制，以確保被控設備的安全可靠運行。

混動車輛發動機電控單元常見的故障包括了以下方面：怠速不穩、加速不良、起步過渡不平穩等。由于混動汽車發動機電控單元組成元素較多，其故障診斷與檢測牽扯內容較多，給混動車輛發動機電控單元檢測工作帶來較大難度。為實現對混動車輛發動機電控單元的精準檢測，設計并開發了混動車輛發動機電控單元檢測系統。從目前電控單元檢測系統發展較為成熟的研究成果包括：文獻[1]提出的基于機器視覺的發動機檢測系統、文獻[2]提出的基于大數據的發動機檢測系統以及文獻[3]提出的基于改進YOLOv4的發動機檢測系統，其中文獻[1]提出系統根據輪廓點的距離-位置、坡度-位置等順序曲線，對輪廓點進行選擇和剔除，基于最小二乘法，對選取的輪廓點進行圓弧擬合，實現對輪廓點的外徑測量，針對 VVT發動機端面存在的刮擦等缺陷，利用連通性分析，確定被檢測區域，利用支持向量機對其進行分類，完成發電機缺陷的檢測。文獻[2]提出系統由數據采集模塊、數據庫、智能分析模塊、檢測模塊、信息查詢和維修模塊以及檢修模塊等部分組成。為了防止人為操作對故障檢測造成的影響，使用卷積神經網絡的故障檢測模式，對發動機進行故障類型的識別，并對卷積神經網絡結構進行設計，從而提高故障檢測的智能化程度。而文獻[3]提出系統在路徑聚集網絡中，建立一個底層的特征融合層，將更多的淺層特征和更深層的特征進行融合，從而提升該網絡對小目標損壞的檢測能力。為了降低網絡中的冗余參數，將一個深度可分卷積引入到一個頸部結構中，并將標準卷積重新構造成一個深度可分卷積的形式，通過特征提取與匹配，輸出發動機的檢測結果。然而上述傳統檢測系統存在明顯的檢測功能與運行性能問題，主要體現在檢測誤差大、檢測響應速度慢等方面，為此引入動態模擬技術。

動態模擬技術就是對真實事物或過程進行模擬的技術，將其應用到混動車輛發動機電控單元檢測系統的優化設計工作中，通過對發動機電控單元運行狀態的模擬判斷當前電控單元是否存在運行故障，通過系統優化以期能夠在加快檢測速度的同時，提高系統的檢測精度。

1 混動車輛發動機電控單元檢測硬件系統設計

優化設計的混動車輛發動機電控單元檢測的基本原理是確定電控單元在正常狀態下的運行特征，在此基礎上收集當前電控單元的運行數據，并與正常運行特征進行匹配，若當前運行特征與正常狀態下的運行特征差距較大，則認為當前電控單元存在運行故障，進而得出故障類型、故障位置等信息的檢測結果[2]。為了方便車輛發動機電控單元信息的采集、分析與處理，需要在待檢測的電控單元中安裝傳感器、處理器等設備。結合優化設計系統軟件功能的運行需要，對硬件設備以及連接電路進行改裝與調整，保證系統硬件與軟件部分的適配度。

1.1 車輛發動機電控單元傳感器

優化設計的混動車輛發動機電控單元檢測系統中使用的傳感器包括溫度傳感器、發動機轉速傳感器、霍爾傳感器等。

溫度傳感器在結構設計上包括前端感應電路、帶隙參考電路、運放和模數轉換器等部分。其中，前端傳感電路采用三極管基極-發射極上電壓的差值來實現負值的輸出，雙路電壓差值來實現正值的輸出。由于電壓差的輸出值很小，所以在設計電路的時候，通常會使用全差分運算放大器來對信號進行放大，放大后的差分信號再經過ADC來對感溫電路輸出的電壓進行采樣和量化，并輸出數字碼[3]。發動機轉速傳感器和霍爾傳感器主要用來獲取發動機轉速和曲軸的精準位置，發動機轉速傳感器是一種電磁感應式傳感器，安裝在發動機缸體的左側，傳感器中有電磁感應線圈，并與曲軸上齒圈的輪齒相對應.齒圈的輪齒有兩個缺齒，可用于識別曲軸的位置。在發動機轉動的同時，曲軸內的環形齒輪也隨之轉動，感應器內的電磁場也隨之改變，從而產生一種感應電壓，并把信號傳輸給上位機[4]。該電壓脈沖的頻率與發動機的速度成比例，由計算機對其頻率信號進行分析，得到發動機的速度。另外霍爾傳感器的基本原理為：當電流以與磁場相垂直的方向流過被置于磁場中的半導體襯底時，在與電流與磁場相垂直的半導體襯底的橫表面上會出現霍爾電壓，該電壓與電流與磁場的強度成比例。在葉輪的凹槽面對空氣間隙時，磁體產生的磁力通過導板、空氣間隙和半導體襯底形成一個回路，在這個回路中，傳感器會輸出一個霍爾電壓，而在葉輪的刀片進入空氣間隙后，刀片會繞過原磁路，此時傳感器不會輸出一個霍爾電壓。在傳感器安裝過程中，需保證傳感器之間型號的適配度，保證不同類型的傳感器數據能夠統一處理，且傳感器之間的運行不會產生互斥現象[5]。

1.2 車輛發動機電控信號處理器

車輛發動機電控信號處理器主要用來完成對車輛發動機電控單元傳感信號的處理，使輸出的傳感信號滿足系統的輸入要求。

電控信號處理器內置傳感器接口和通信接口，輸入的傳感器輸出信號通過運放電路對其阻抗進行匹配、放大，將其調制成可供數據檢測裝置接收的模擬信號；在對繼電器狀態進行測量的基礎上，對繼電器狀態進行測量，并對其進行測量[6]。在信號調制電路中，由于輸入信號的特性和幅值存在差異，在調制電路中，必須對信號的特性進行變換，并采用多通道開關來實現門控，從而節省 A/D的資源。在車輛發動機電控信號處理器中添加一個低通濾波器元件，為提高初始電控檢測信號的采集質量提供執行裝置。

1.3 系統電路設計

考慮混動車輛發動機電控單元檢測系統中硬件裝置的改裝結果，對系統中部分電路的連接方式進行調整[7]。分壓隔離電路的調整結果如圖1所示。

圖1 分壓隔離電路圖

模擬信號經衰減電路進行衰減，再由比例放大電路處理后，轉為±10 V范圍內的標準信號，由模擬板卡讀取數值，完成模擬量的讀取。實現大電壓衰減和電壓跟隨采集的功能[8]。另外，可靠穩定的電源電路是硬件系統各部件功能正常的基本保證，采用轉向電源芯片取代常規系統中的電源芯片，使其工作溫度范圍更寬，既能滿足系統需求，又能將浪涌電壓對系統電源的影響降到最低，同時有效提升系統硬件的抗干擾能力。

2 混動車輛發動機電控單元檢測系統軟件功能設計

在硬件系統的支持下，對混動車輛發動機電控單元檢測系統的軟件部分進行優化設計，系統軟件功能的設計與執行原理為：利用動態模擬技術模擬正常狀態下混動車輛發動機電控單元中各個元件的執行過程，并得出正常狀態下電控單元的標準運行特征。針對不同的電控單元故障類型，設置電控單元的檢測標準，利用傳感器裝置采集發動機電控單元的實時運行信號，通過對信號特征的提取與分析，判斷當前混動車輛發動機電控單元是否存在故障，并確定故障類型以及故障位置，完成系統的檢測功能。

2.1 動態模擬技術

混動車輛發動機電控過程模擬的目的是確定發動機電控單元在不同狀態下的運行特征，為電控單元檢測標準的制定提供參考，并將發動機電控單元運行過程中容易出現故障的節點位置作為電控運行信號采集的測點位置[9]。為保證混動車輛發動機電控單元工作過程的模擬結果與電控單元的實際運行過程相符，利用動態模擬技術進行電控過程模擬。動態模擬技術的基本運行流程如圖2所示。

圖2 發動機電控單元的動態模擬流程圖

從圖2中可以看出，動態模擬技術的運行大體可以分為兩個步驟，首先建立模擬對象的等效模型，根據電控單元中各個元件的工作原理，實時獲取電控單元的動態運行數據；然后將其添加到構建的等效模型中，實現模型狀態的調整，通過電控單元實際運行狀態與同步動態調整，得出最終的模擬結果[10]?；靹榆囕v發動機電控單元的主要功能包括控制發動機啟動、怠速、空燃比、極限轉速、減速斷油、燃油蒸氣回收、爆震、電動燃油泵自診斷等，從組成結構上來看，電控單元由發動機控制器、點火線圈和火花塞、噴油器等部分組成，具體的組成結構如圖3所示。

圖3 混動車輛發動機電控單元組成結構圖

電控單元通過引擎控制模塊設定工作方式，通過油門的位移和位移速率來分析駕駛員的意圖，獲得油門傳遞的基本期望值[11]。在運行過程中，將混動車輛發動機的實時運行數據表示為：

xengine=κgather·κtransmission·x

(1)

其中：κgather和κtransmission分別為發動機的采集系數和傳輸系數，x為發動機的實際運行數據，初始采集的發動機數據包括發動機轉速、節氣門角度等，根據發動機的控制目標計算電控單元的執行控制量，計算公式如下：

Cx=xengine-xtarget

(2)

式中，xtarget表示混動車輛的發動機控制目標，若計算得出控制量取值為0，證明當前混動車輛發動機的運行狀態與控制目標一致，無需啟動電控單元程序，若計算得出Cx的值為正數，則向當前發動機運行的反方向執行電控任務，否則向當前發動機運行方向執行電控任務，由此可以根據公式(2)的計算結果判斷是否啟動電控單元，并以控制量計算結果為內容生成控制指令[12]。在混動車輛發動機電控過程動態模擬過程中，重復上述過程，根據實時數據的采集結果，切換電控單元的運行狀態，直至當混動車輛發動機停止運行。

2.2 設置混動車輛發動機電控單元檢測標準

混動車輛發動機電控單元的故障類型包括：電控元件啟動困難、電控元件怠速不穩、電控單元運行偏差、電控單元爆震等，以電控元件啟動困難為例，在該故障下電控單元的運行特征可以表示為：

τDifficulty in starting=tfiring-t0≠0

(3)

其中：tfiring和t0分別為發動機電控單元的實際啟動時間和理論啟動時間[13]。同理可以得出電控元件怠速不穩、電控單元運行偏差和電控單元爆震故障下電控單元的標準運行特征為：

(4)

式中，vt+1、vt和vt-1分別對應的是連續3個時刻的電控元件執行速度，α為常數系數，Cx和C′對應的是電控元件的理論控制量和實際輸出控制量，Avibrate和A0分別為電控元件輸出信號的振動信號幅值與幅值閾值[14]。按照上述方式可以得出混動車輛發動機電控單元其他故障下的標準運行特征，并以此作為混動車輛發動機電控單元的檢測標準。

2.3 采集混動車輛發動機電控單元輸出信號

利用安裝在混動車輛發動機電控單元上的傳感器設備，獲取電控單元的實時運行與輸出信號[15]。需要采集的混動車輛發動機電控單元運行信號包括轉速、溫度、壓力以及運行狀態等，電控單元實時轉速信號的采集過程可以量化表示為：

(5)

式中，變量f和δ分別表示發動機電控單元的工作頻率及其內部電機的極對數[16]。電控單元工作溫度數據的采集結果為：

(6)

式中，Rt表示t時刻溫度傳感器中的熱敏電阻值，B表示電控單元的材質系數。同理可以得出混動車輛發動機電控單元壓力以及元件工作狀態數據的采集結果。在對混動車輛發動機電控單元的輸出信號進行采集之前，需要將其轉換成數字信號，然后用計算機對其進行處理和分析，并從中提取相關的參數和信息。由于計算機僅能對有限長度的離散時序進行處理，因此需要對連續的模擬信號進行取樣并對其進行截斷[17]。在采樣過程中，將一串相等間隔的周期脈沖與模擬信號作點積，而截斷則是對信號進行加窗處理。設置混動車輛發動機電控單元輸出信號的采集頻率為：

(7)

其中：Δtsampling為采樣間隔。在式(7)表示采集頻率的驅動下，按照上述方式獲取發動機電控單元的實時輸出信號，并對不同傳感器輸出的信號采集結果進行融合處理，融合處理過程如下：

(8)

從式(8)中可以看出，在初始信號融合之前首先需要對信號進行歸一化處理，保證異構信號之間的可融合性，變量xmin和xmax分別表示初始采集信號的最小值和最大值，xg為信號的歸一化處理結果，?為數據融合權重值[18]。重復上述操作，實現在混動車輛發動機運行狀態下電控單元輸出信號的實時采集。

2.4 提取混動車輛發動機電控信號特征

以獲取的混動車輛發動機電控單元輸出信號采集結果為處理對象，從時域和頻域兩個方面提取電控信號特征，時域特征的提取向量包括：信號峰值、方根幅值、偏斜度等，信號峰值特征向量的提取結果為：

(9)

其中：Xmax為電控單元信號的最大值，Xi為第i個信號采集結果，Ngather為電控單元信號采集總量。另外方根幅值和偏斜度特征向量的提取結果為：

(10)

(11)

式中，XA為混動車輛發動機電控信號的離散點幅值[19]。最終在考慮特征權值的情況下，對提取的電控信號特征進行融合處理，得出電控單元輸出信號的綜合特征，將其記為τcon。

2.5 實現混動車輛發動機電控單元檢測功能

最終采用特征匹配的方式判斷當前混動車輛發動機電控單元是否存在故障狀態，并確定故障類型，電控單元特征的匹配過程如下：

(12)

若式(12)的計算結果高于閾值s0，說明當前混動車輛發動機電控單元存在運行故障，運行故障類型與比對的特征標準一致，若計算得出si取值低于閾值，則證明當前特征標準對應的故障類型不屬于發動機電控單元，如果當前電控單元信號與故障標準特征的匹配度均低于s0，則認為當前混動車輛發動機電控單元不存在運行故障[20]。在此基礎上，針對存在故障的混動車輛發動機電控單元的故障點進行檢測，最終將故障狀態、故障類型、故障位置等參數的檢測結果以可視化的形式輸出，實現系統的混動車輛發動機電控單元檢測功能。

3 系統測試

以測試優化設計基于動態模擬技術的混動車輛發動機電控單元檢測系統的檢測功能和性能為目的，在混動車輛發動機不同的運行狀態下，利用優化設計系統對發動機電控單元進行檢測，設計相應的系統測試實驗。此次實驗采用白盒測試的方式，在不同的發動機運行狀態下，對發動機中內置電控單元的運行情況進行設置，在已知電控單元運行情況的基礎上，利用檢測系統得出發動機電控單元狀態的檢測結果，通過與設置真實值的對比，得出反映系統檢測功能的測試結果，最終通過發動機不同運行場景下系統檢測功能的比對，體現出系統的運行性能。

3.1 選擇混動車輛發動機電控單元檢測對象

混動車輛發動機電控單元由信號輸入裝置、電子控制裝置、執行元件等部分組成，在此次實驗中選擇某混動車輛中LFB11型號的發動機電控單元作為檢測對象。所有發動機電控單元通過導線將信號傳遞給各個傳感器或執行元件，從而使電控單元正常工作。把發動機電控單元輸出的線束先連接到試驗合故障模擬設置電路中再接到原線束中，即將試驗臺串聯到線路中。在實驗開始之前，對準備的電控單元檢測對象進行調試，保證電控單元在初始狀態下均處于正常工作狀態，保證電控單元狀態設置任務的可操作性。

3.2 搭建系統運行與測試環境

優化設計系統以Linux為操作平臺，選擇TestStand作為測試執行管理軟件。NITestStand被用來開發，管理和實施測試程序。這一系列的測試都是用兩種測試程序語言所寫出的。測試順序還對執行過程、報告產生、數據庫輸入以及與其它系統的聯接進行標準化。NITestStand能夠與一系列軟件實現無縫集成，同時還能將模塊化的儀表、軟切換等檢測設備進行集成，為檢測系統提供了一套完備的軟件、硬件環境。

3.3 安裝與調試硬件系統裝置

根據檢測系統硬件模塊的優化設計結果，將相關設備元件安裝在選擇的發動機電控單元檢測對象上，其中傳感器設備的安裝情況如圖4所示。

圖4 混動車輛發動機電控單元傳感器裝置安裝實景

按照上述方式完成對硬件系統中其他裝置的實際安裝。為保證硬件設備在實際檢測工作中的正常運行，同時保證硬件設備之間及其與發動機之間的適配度，需要在開始實驗之前對所有安裝的硬件裝置進行調試。在調試操作中，首先將所有的硬件設備切換至工作狀態，隨機發布一個執行指令，觀察硬件設備的輸出結果是否與預期結果一致，得出單一硬件設備的調試結果。在此基礎上對硬件設備進行聯合調試，判斷處理器是否能夠成功接收傳感器輸出信號，并得出相應的處理結果。若調試發現硬件設備存在故障或硬件設備之間存在不適配的情況，需要對相應設備進行重新連接，或替換對應的硬件設備，直至所有裝置均調試成功為止。

3.4 動態模擬技術的應用

此次系統測試實驗分別在發動機處于遲相、進相和調相狀態下進行，遲相運行狀態是指混動車輛發動機勵磁模塊處于過勵磁狀態，同時向發動機輸送有功功率和無功功率，此時功率因數為正。進相運行狀態降低了發動機勵磁電流，使發動機電勢降低，發動機負荷電流產生助磁電樞反應，系統輸送有功功率，此時發動機處于進相運行狀態。而調相運行狀態則是指發動機不發出有功功率，只是用來將感性無功功率輸送到電網，從而對系統無功進行調節，維持系統電壓水平。動態模擬技術的應用如下：

1)首先，獲取車輛電控單元的各種數據，及采集系數和傳輸系數κgather和κtransmission，根據發動機的控制目標計算電控單元的執行控制量。

2)其次，控制量計算結果為內容生成控制指令，得出電控元件怠速不穩、電控單元運行偏差和電控單元爆震故障下電控單元的標準運行特征。

3)最后，分別在上述實驗場景下，采用人為設置與破壞的方式，對混動車輛發動機電控單元的實際運行狀態進行設置，并記錄電控單元的狀態信息與故障位置信息，以此作為判斷系統輸出檢測結果是否正確的比對標準。

利用動態模擬技術，模擬發動機電控單元檢測樣本在不同發動機運行場景下的工作狀態，并通過系統軟件功能的運行輸出最終的電控單元檢測結果，圖5表示的是系統輸出的第一個電控單元樣本的檢測結果。

圖5 混動車輛發動機電控單元檢測系統運行界面

為保證實驗結果的可信度，實驗共準備800個電控單元檢測樣本，將其劃分成8組，每組實驗的樣本數量為100個，采用多組實驗取平均值的方式，得出較為精準的實驗結果。按照上述方式可以得出系統輸出的其他發動機電控單元在不同場景下的輸出結果。為體現出優化設計系統在檢測功能方面的優勢，設置傳統的基于機器視覺的發動機電控單元檢測系統和基于大數據的發動機電控單元檢測系統作為實驗的兩個對比系統，在相同的實驗環境下進行對比系統的開發，并獲得不同場景下電控單元的檢測結果。

3.5 設置系統量化測試指標

設置漏檢率和誤檢率作為系統功能的量化測試指標，其中漏檢率主要用來檢測系統是否能夠將處于異常狀態的所有電控單元成功檢測出來(漏檢率指標為未檢測出的異常數量與總數量比值)，而誤檢率則是判斷系統檢測輸出的電控單元異常類型是否正確(誤檢率為錯誤檢出的異常數量與總數量比值)，上述指標的數值結果如下：

(13)

式中，變量numset和numdetection分別表示設置為異常狀態的電控單元數量以及系統檢測出處于異常狀態的電控單元數量，numerror in type表示系統檢測故障類型錯誤的電控單元數量。最終計算得出系統的漏檢率和誤檢率越低，證明對應系統的檢測功能越優。

3.6 實驗結果對比分析

3.6.1 遲相運行狀態

統計混動車輛發動機遲相運行狀態下，系統輸出的電控單元檢測結果數據，得出反映系統檢測功能的測試結果，如表1所示。

表1 發動機遲相狀態下系統檢測功能測試數據表

(1)輸出處于異常狀態的電控單元數量/個;

(2)異常類型檢測錯誤的電控單元數量/個。

將表1數據代入到公式(13)中，計算得出發動機遲相運行狀態場景下，兩對比系統對電控單元狀態的平均漏檢率分別為3.12%和1.41%，電控單元異常類型的平均誤檢率分別為2.51%和1.38%，而優化設計系統的漏檢率和誤檢率平均值分別為0.25%和0.50%。

3.6.2 進相運行狀態

在混動車輛發動機進相運行狀態下，通過相關數據的統計，得出系統檢測功能的測試結果，如表2所示。

表2 發動機進相狀態下系統檢測功能測試數據表

(1)輸出處于異常狀態的電控單元數量/個；

(2)異常類型檢測錯誤的電控單元數量/個。

通過公式(13)的計算得出3個系統的平均漏檢率分別為4.07%、1.93%和0.25%，而平均誤檢率分別為3.14%、1.88%和0.5%。

3.6.3 調相運行狀態

重復上述操作，通過數據統計與公式(13)的計算，得出混動車輛發動機調相運行狀態下系統對電控單元檢測功能的測試對比結果，如圖6所示。

圖6 調相運行狀態下系統對電控單元檢測功能測試結果

從圖6中可以直觀地看出，3個系統的平均漏檢率分別為3.7%、3.1%和0.3%，平均誤檢率分別為3.2%、3.2%和0.5%。綜合上述3種場景下的實驗結果，可以看出優化設計基于動態模擬技術的混動車輛發動機電控單元檢測系統的漏檢率和誤檢率始終低于兩種傳統方法，通過縱向對比，發現優化設計系統在3種發動機運行場景下的漏檢率和誤檢率未發生明顯波動，由此說明優化設計方法具有良好的運行穩定性能。

4 結束語

在節能環保的大背景下，混動車輛的市場占比與應用范圍逐漸擴大，逐漸成為主流車輛形式。電控單元是混動車輛發動機的重要組成部分，直接決定了發動機的工作效率，從而影響混動車輛的行駛性能。在此次研究中，通過動態模擬技術的應用，設計并開發了一套軟硬件相結合的混動車輛發動機電控單元檢測系統，從實驗結果中可以看出，優化設計系統具有良好的檢測功能，能夠適應發動機的不同運行狀態，因此具有較高的應用價值。然而此次系統測試實驗未對電控單元故障位置檢測性能進行測試，因此在投入使用之前還需對實驗數據加以補充。