第２１卷第２期重庆交通 学院学报２００２年６月Ｊｕｎｅ ２００２从Ａ．２ １ Ｎｏ ．２ Ｊ（ＡＪＲＶＡＬ ＯＦ Ｃ；Ｉ－ＪＯＶＧＱＭ ＪＩＡＣＪＩＣＩＮＧ Ｕ．ＶＩＶＥＲＳＴｒＹ电控机械自动变速器的故障自诊断和容错控制’苏玉刚’，曹长侈’，杨志刚２（１重庆大学Ａ区自动化学院，重庆：＇）０ｔ１４４： ２．重庆交通学院，重庆４０００７４）摘要：恨据电控机械式自动变速器系统的特点，提出」系统故障自诊断和容错控制的设计原则。分析了系统中已发生和潜在的主要故障现象及原因。给出了系统的故障模型及故障诊断方法．并对一些关键故障进行了容错控制设计汽车道路试验证明该设计方法是行之有效的且非常实用关键词：汽车自动变速器；故障自诊断容错控制中１３１分类号：ＴＰ３０２．８文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－７１６Ｘ （２００２）０２－０１０３－０５在最近３０年间，汽车电子技术发展很快．汽 车自动变速器、制动防抱死装释、电子控制燃油喷射、电子控制悬架系统等电控装置的应用，不仅提高厂汽车的动力性和经济性，而且还提高了汽车的１电控机械式自动变速器的系统组成及特点 传统的手动机械式变速器具有传动效率高、成本低、结构简单等优点，从而获得广泛应用．但这种变速器存在着换档操作复杂、劳动强度大、驾驶舒适性和安全性，减轻了驾驶员的负担现代汽车复杂的电子自动控制系统，对汽车的 维修技术人员提出了更高的要求，很多具有传统汽车丰富维修经验的师傅，能够迅速地判断和解决传统汽车的各种故障，但面对现代汽车的故障感到无从下手因此，如何利用微处理机对汽车电子控制系统进行在线监测、监控及故障自诊断。并将其故障按轻重分类进行储存、处理和报警，从而提高现代汽车的故障自诊断和容错控制性能不仅为汽车的维护维修带来方便，更重要的是确保系统安全性，即确保系统在执行器、传感器或元部件发生故障时，汽车仍能行驶，系统不会对人员、Ｒ备和环员换档的技术水平对汽车行驶性能有较大影响等缺点电控机械式自动变速器（ＡＭＴ）是用先进的微机控制技术、智能控制技术、传感器技术和信息处理技术改造传统的手动机械式变速器而形成的一种集电子、机械和液压于一体的自动变速控制系统它不仅保留了原手动变速器的优点，而且还具有换档操作实现自动化，汽车换档时机保证最佳动力性或最佳经济性等优点．这种自动变速器被一些专家认为是第三代变速器〔’］．国外不少公司都在致力开发我国在这方面也做了较多研究工作，近几年进展较大ＡＭｌ，与液压自动变速器相比，其控制上难度很大．笔者经过３年多的努力，在ＡＭ，的研究和产品开发巾作了大量工作，研制出的ＡＭＩ，已安装在桑塔纳２０（１（１型轿车上，通过成渝高速公路、渝长高速公路和市区不同道路的路试，自动换档效果良好，取得了可喜的成果．笔者研制的ＡＭＴ系统组成如图１图中电子控 制单元包括微处理机、外部扩展存储器、输入输出境造成损害．这些问题的研究具有十分重要的意义．我们在微型轿车电控机械式自动变速器的研究和产品开发中，对系统的故障自诊断和容错控制进行了研究，提出了一些解决问题的方法，汽车道路试验结果表明所采取的方法是可行的，很多设计思想可以用于其他汽车电子控制装置．收稿日期：２００１－０７－０９：修订日期：２００１－０９－１９墓金项目：教育部博十点基金资助（９７０６１１０４）在职博十生，副教授，主要从事电力电子技术、计算机测控及智能控作者简介：苏玉刚（１９６２一），男辽宁大连人，制技术与应用研究 卫１［１０４重庆交通学院学报弟２１卷接ｆｌ电路、控制器电源等部分．由图可见ＡＭ是和容错控制技术．我们在研制ＡＭ中，对这个问一 个非常复杂的系统，其涉及到计算机技术、智能题进行厂研究，设计出的在线故障自诊断和容错控控制、传感器技术、电子技术和液压控制等多门学制系统、不仅进一步提高了系统的可靠性和安全科．为厂确保该系统的可靠性和安全性，并为系统性，而且为我们的调试和维修提供了很大方便．的维护维修提供方便。迫切需要先进的故障自诊断行驶条件、交通状况，汽车载荷、汽车车速等悄况图ｔ电控机械式自动变速器系统结构图２在线故障自诊断与容错控制系统的内部的丰富资源，利用系统在控制中的信息，利用专家知识进行故障自诊断，建立基于知识的容错系设计 统．因此，基本上没有增加系统成本，大大提高了ＡＭＴ在线故障自诊断与容错控制系统的功能 系统的性能价格比，使产品更具有竞争力．是在ＡＭＴ的实时控制中，实现对系统的监测和监２．尽量减少系统的软件开销，确保系统实时 控，一旦发现故障，马上报警，并施以必要的保控制的性能，护，且将故障以代码形式显示并保存．ＡＭＴ系统是一个要求实时性很强的控制系统． ２．１ ＡＭＴ在线故障自诊断与容错控制系统的设计系统在运行中要对发动机转速、车速、加速度、油中应遵循的原则 「１踏板信号、制动踏板信号等很多信息进行监测和１．尽量应用先进的故障自诊断和容错控制技 监控，并按照最佳动力性或最佳经济性规律进行分术，最大限度减小整个系统的硬件开销．析，一旦发现档位不合适，发出相应的换档命令若要采取对系统的关键部分，如单片机、传感 系统从微机发出换档信号到换档结束，其中包括减器和执行器驱动器等部分以冗余方式增强系统的容小油门、离合器分离、选换档、离合器重新接合、错功能、则会大大增加ＡＭＴ的成本，使产品失去重新调整油门等一系列控制．整个过程要在１秒左市场竞争力．同时冗余部分越多，系统越复杂，用右时间内完成．要在这种实时控制中加入系统故障单片机实现控制难度越大．因此采用冗余方式实现白诊断和容错控制功能，且这些功能基本上用软件容错控制是行不通的．系统的故障自诊断和容错控完成，就必须充分考虑资源的分配问题我们在这制应建立在先进的控制方法上尽量利用系统控制个问题的解决卜采取了一系列技巧措施：一是充分的信息和专家知识，建立基本专家知识的故障诊断利用８０Ｃ１９６ＫＣ：单片机的一些独特功能，如外设事系统．我们在故障自诊断和容错控制系统的设计件管理器ＰＴＳ、高速枪入器ＨＳＩ和高速输出器Ｉ－ＬＳＯ中充分利用系统的已有资源，特别是高档单片机等减少系统运行对ＣＰＵ的占有时间，这部分内容第２期苏玉刚．等：电控机械自动变速愚的故降自诊断和容错控制１０５详见文仁２１；是将系统ｉ友障诊断和容错控制分成修带来方便很多子程序利用控制巾的间歇时间来分别执行这２．３系统故隙模型些子程序，从而较好地解决了系统的实时控制和复 由于引起系统的故障原因很多，且各种故障难杂的故障自诊断和容错控制在时间上的协调间题．以用统一的方法加以诊断，因此需要建立系统的故３．系统的故障自诊断和容错控制只抓住主要 障模型根据ＡＭＣ系统的特点，我们选择故障树子盾模型．故障树模型是描述诊断对象结构、功能和关Ａ， ＭＩ是一个｝分复杂的系统，系统故障涉及系的一种定性因果模型，它体现了故障传播的层次到机、电、液、传感器等多方面的原因．希望通过性和子节点（即下层故障源）与父节点（即巨层故障故障自诊断和容错控制系统的一次性开发来解决所现象）之间的因果关系．就某一个节点而言，它对有的问题是不现实的较为可行的解决办法就是抓｝＿层作为故障源子节点，对下层则又可作为故障现住主要矛盾，即首先解决发生额率较高、对系统运象父节点故障树模型中的各个子节点与其父节点行和维修起着较为关键作用的部分故障．根据我们构成了正向因果关系链，这种因果关系链与“ｉｆ．．．开发产品所积累的经验，只要对几个关键部分实现ｔｈｅｎ”型故障诊断规则本质上具有一致性，因此故障自诊断和容错控制，则基本土可以达到要求，特别适用于利用专家知识的故障自诊断与容错控制这样可以少大简化系统的设计．系统的设计２．２ ＡＭＴ系统主要故障现象及原因系统的故障树模型可以描述如下： １．程序跑健．主要原因是干扰所致 因为系整个系统的可能故障为树根，用Ｆ表示． 统中干扰源较多，虽然采取ｒ一系列的抗干扰措各个功能部分的可能故障定义为树枝，用Ｆｌ ，施．但程序跑飞现象偶有发生．Ｆ２，，，Ｆｋ表示．２．选档、换档控制中，程序进入死等待，系 各个部分的子功能部分可能故障定义为树叶， 统失控．主要原因是当微机发出选档、换档控制命用ＦＩ，， Ｆｉｔ，…，Ｆｌ．； Ｆ２ｕ， Ｆｎ，一，ＦＺ ；令后，查询选档、换档是否到位，用光电发射接收Ｆｋ，， Ｆｋｚ， ．．．凡表示，则故障树模型如图２示．器检侧有时因机械行程偏差或选换档不到位，微机检测不到选、换档到位的信号代码而进入死等待，使系统对其他信号概不响应，系统失控．３．发动机转速检测无信号而使系统失控，原 因是传感器故障车速和发动机转速信号是自动换档控制中两个重要的信号，除了传感器故障引起检测信号异常外，因断线、接口电路器件出现故障及图２故陈树摘型 传感器电源出现故障都会导致检测无信号而使系统 根据故障树的描述和ＡＭＩ＇系统的故障分析，失控．可以得出ＡＭ，系统的故障树模型如图３示． 系统在应用中出现概率较大的故障有脚踏板２．４故障诊断方法角位移传感器故障，节气门和离合器位移传感器故根据对系统的故障分析和我们在试验中的经 障，因其在系统控制中动作频率较高，相对来说容验，发现系统中有一大类故障可采用定时跟踪诊断易出现问题方案，系统中很多子控制系统都具有这个特点，即除此之外，选换档作动器、节气门作动器和离 当（ＴＵ发出控制命令后，则查询命令执行后的相合器作动器及其控制电路是系统中最复杂，也是最关信息，若信息正常，则根据信息发出下一个命关键的几个部分液压系统压力过低、电磁阀故令．若查询不到预定的信息，则会一直等待，而使障、电磁阀驱动电路故障、电源故障都可能导致各系统失控．上述选档、换档控制以及节气门、离合个作动器失灵，从而使整个系统失控．对这几个部器等部分的控制都具有这个特点．由于控制程序完分实现容错控制比较困难，因此，在设计中对这几成某项功能的正常执行时间都是已知的，故可用微个部分除了加强可靠性设计，使其出现故障的概率机的定时器定时跟踪各部分的控制若在预定的时减到最小之外，应加强故障自诊断功能设计，以确间内没有查询到相应的信息。则储存并发出相应的保在相应的故障出现时，能迅速找到故障源，给维故障类型代码、１０６重庆交通学院学报第２１卷系统故附舫赦档酥黝璧村麟档不到位税潍故脚抓号障踏故车甜板熬译速程传检序器感弋侧幽藕熊器无飞信故曰栽器电徽电无电电电无阁洲压力徽磁潇压电传接电磁电无电故故深阀阅故力感接磁传感口电阀湃压磁湃借钧故聪故闷璐口拐路故故力周障动阻隆故妞故电故电阵动随路电故沛故阻娜流取路随随故故路障动电谧故路隆故曰图３从盯系统故脸树模型 在控制中，脚踏板的角位移传感器、节气门开运行，但上次的故障信息仍保留当向某一档位换度传感器和离合器位移传感器信号有效使用范围都档出现两次换档失败时，则系统退出自动换档模设定在。．５Ｖ－４．５Ｖ范围内，若传感器部分或其接式，自动进入强制二档或强制一档运行，保证汽车口电路出现故障，最大可能性是信号越限微机每具有基本的行驶能力，同时向驾驶员发出故障信次检测信号后、一旦发现信号越限，则储存并发出息若系统降一档（或升一档）控制后，仍检测不到故障代码．选换档到位信号代码、则很有可能是选换档作动器 发动机转速检测传感器或相应接口电路故障诊部分出现故障，立即向驾驶员鸣声报警，提醒驾驶断方法是：在汽车运行中．发动机转速应该大于某员立即将汽车开到路边安全地带停车维修然后再一定值，若传感器或检测回路出现故障，则发动机检测原来档位信号代码是否改变，储存并发出不同转速信号会小十定值，当微机发现故障后，则再作的故障信息一次检测，两次检测都小于定值，则确定发动机转车速和发动机转速信号是自动换档控制中两个 速检测回路出现故障，储存并显示故障代码．对于重要的信号．其中一个信号检测环节出现故障，整车速检测传感器或相应接口电路故障诊断方法，可个系统就会失控．对其作了如下的容错控制．当微以利用在变速器处于某一档位且离合器处于接合状机发现故障后，使系统退出自动换档模式，自动进态时，车速和发动机转速信号之间的关联来诊断＿入强制一挡运行模式，使汽车仍具有基本的行驶能一 般来说，这两部分同时出现故障的概率很小，若力微机检测到车速信号为零，同时发动机转速信号不 若油门踏板角位移传感器及其接口电路出现故为零，且非空档，而离合器又处于接合状态，则可障，则节气门控制无给定信号，系统会失控容错断定车速传感器或其接口电路出现故障，储存并发控制措施是当微机诊断到该故障后，使系统退出自出相应的故障代码．动换档模式，‘自动进入强制一档运行模式．且使汽车以恒低速运行为目标、自动调节节气门开度，保２．５系统容错控制设计在系统的调试和道路试验中曾出现几次因选、 证汽车仍具有基本的行驶能力．对于因干扰而使程序跑飞故障，采用单片机内 换档中微机检测不到选、换档到位信号代码而进入部的看门狗电路定时跟踪程序运行．若程序正常运死等待，从而使系统失控．对此我们做了如下的容行，则在一定的时间内不断重置定时器，使定时器错控制设计：在微机诊断到故障后，储存和发出故不溢出．一旦程序跑飞，则定时器溢出，自动使系障信息，同时发出降一档运行选换档命令，例如在统复位．复位后微机根据当前运行状态的信息自动向四档换档出现问题时，则换到二档运行；若在向控制系统进入相应的运行，从而使系统恢复正常．一档换档出现问题时，则升一档运行．当汽车根据换档规律又发出换档命令，若所换档位是上一次出３结论现问题的档位时，继续再试一次，若成功，则继续ｔ．根据电控机械式自动变速器系统的特点， 利第２期苏玉刚．等：电撞机械自动变速器的故障自诊断和容错控制１０７提出ｒ系统在线故障自诊断和容错控制的设计原明我们的设计是可行的，是一种行之有效的且非常则实用的设计方法．它不仅提高ｒ系统的性能，特别 ２．分析ｒ系统中已发生和潜在的主要故障现是给我们的调试和试验提供ｒ极大方便．系统设计象及原因，给出了系统的故障模型及故障诊断方中还有一些考虑不周到的地方，将在以后的研究中法＿解决 ３．对系统中一些关键故障进行了容错控制设计．确保汽车在这些故障发生时仍具有・定的行驶参考文献：能力，从而可将汽车开到附近的维修单位维修，避Ｌ１ｌ过学迅．汽车自动变速器—原理，结构【Ｍ〕北免汽车瘫痪在路中堵塞交通，更确保了汽车和乘员京：机械工业出版社，１ ９９９的安全．１２１苏玉刚，黄建明，杨志刚，等电控机械式自动变 我们研制的电控机械式自动变速器早已安装到速器的８ＯＣ１ ９６ＫＣ单片机控制Ｕｌ汽车电器，１９９９桑塔纳２０００型轿车匕，并通过了成渝高速公路、（Ｓ）： ７一１０渝长高速公路和市区不同路况的道路试验．试验证！习周东华，叶银忠＿现代故障诊断与容错控制［Ｍ］北京 清华大学出版杜，２０００．Ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ＡＭＴＳＵ Ｙｕ－＆ａｎｇｌ． ＣＡＯ ｃｈａｎｇ－．．＇． ＹＡＮＧ Ｚｈｉ－ｇｅｎｅ（１． （ｊｏｎｇｇｉｍｇ Ｕｎｉ－ｉｔｙ， Ｃｈａｔｇｇｉｎｇ ４０００４４， ａｉｎａ： ２． Ｃｔｏｒｔ ｇｇｉ＊， ｌｉａｏｔｏｏｇ Ｕｒｉｖｅｓｉｔｙ， Ｃｈｍｇｇｉｗ ４０００７４， ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅＡＭＩ＇ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔｃｏｎｔｏｒｌ ｔｏＡＭ［＇ ｓｙｓｔｅｍ ａｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒＴｈｅ ｍａｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｆａｃｔｕｒａｌ ｆａｕｌｔ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒｅａｓｃｕｖｓ ａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ八ｎｄ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ＡＭｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｉｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅｓｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｏｃｎｔｏｒｌ ｔｏ ｓａｎｅ ｋｅｙ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ＡＭＴ＇ｓｙｓｔ ｅｍ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈａｎｔｉｓ ｖｅｒｙ ｐｒａｃｔｉｃａｌＫｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ； ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ； ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃｏｎｔｏｒｌ资任编辑：衷本奎