内容提要：在此专题的最后一个篇章“连载三”中，我们将介绍执行器故障中喷油器和节气门执行器的测试。尽管这可能不是很常见，但我们想展示一个如何使用HILS检测执行器故障的示例。

本专题连载共分为“一、二、三”三个篇章，在“连载二”中，我们介绍了节气门位置传感器和旋转传感器故障的测试。那么在此专题的最后一个篇章“连载三”中，我们将介绍执行器故障中喷油器和节气门执行器的测试。尽管这可能不是很常见，但我们想展示一个如何使用HILS检测执行器故障的示例。

喷油器故障

考虑喷油器故障。喷油器由打开和关闭燃油通道的阀门、驱动阀门的电磁阀和喷射燃油的喷嘴组成。表1显示了可能的故障。

表1.喷油器故障

假设主机在进气支管中每个气缸都有一个喷油器，因此如果4缸发动机的任何气缸中的独立喷油器发生故障，则该气缸的扭矩产生将丢失。

如果#1缸喷油器中的表1（1）中的电磁线圈发生断路故障，则从此时起#1缸的输出扭矩将为0 Nm，而其他气缸将像以前一样产生扭矩。

通过HILS实现喷油器断路故障

喷油器和HILS接口具有一个电路（伪负载B）。为了防止使用HILS接口电路发生喷油器线圈断路连接，请将断电时打开的继电器插入到虚拟负载电路中，如图1所示，并对线圈通电以在断路连接时将其关闭。也可以通过手动断开HILS和ECU之间线束中的电路来实现断路，而无需使用继电器。

图1.HILS伪负载电路中喷油器线圈断路

断路连接对发动机行为的影响是通过将设备模型切换到故障状态模型来实现的。如果工厂模型是物理模型，则即使模型中#1气缸喷油器的电磁阀通电，也可以通过不喷射燃油来实现这一点。结果，#1气缸扭矩为0 Nm。

在统计模型的故障状态模型中，假设4个气缸的指示扭矩T_ind减少1个气缸变为四分之三，则根据以下公式计算#1气缸故障时的发动机扭矩T_fail。

·#1缸故障时输出扭矩：T_fail=3/4×T_ind－T_brake

·图示扭矩：T_ind＝T_out－T_brake

·但Tout为正常情况下的轴输出扭矩，T_brake为发动机制动扭矩

具体来说，如图2所示变更产生扭矩的发动机模型，相对于正常时扭矩15Nm，得到故障时扭矩9.25Nm。

图2.喷油器线圈断路故障装置模型

为了进行测试，适用可切换正常时的扭矩和喷油器故障的扭矩的成套设备模型。在图3的用户界面中选择#1喷油器，然后打开断路SW。HILS内部的逻辑会随着断路SW的接通而切断#1喷油器伪负载。

图3.喷油器断路故障测试用户界面

结果，HILS测量电路无法检测到#1喷油器的脉冲，并且工厂模型通过从正常值Tout切换到故障扭矩Tfail来降低扭矩输出。

发动机ECU可检测到喷射器回路输出状态的变化和工厂模型扭矩减少引起的转速变化。可能会发生各种变化，例如故障对策逻辑工作良好并且扭矩恢复且维持原始转速的情况，或者故障对策逻辑不工作并且转速下降的情况。测试的关键是观察和测量这种行为的变化并验证是否满足控制设计要求。

节气门执行器故障

节气门执行器由节气门、节气门驱动机构和节气门驱动电机组成。我们假设一个2极、6槽有刷直流电机。表2显示了此处可能出现的故障。

表2.节气门执行器故障

(1)至(3)是电气故障，包括断路和电阻值等电气变化，以及旋转停止和扭矩降低等相关机械效应。通过测量输出电路的端电压和电流值可以对ECU进行故障诊断。另一方面，(4)至(8)是机械部件的故障，无法由ECU直接诊断。

电机转子线圈断路故障

让我们考虑一下表2的(2)中的线圈断路。图4显示了正常运行期间和线圈断路时流经电机线圈的电流。在此，从换向器提供的电流流过串联的两个系统，并在6组线圈中产生电磁力，产生电机轴扭矩。如果一组线圈中的一根电线断裂，则一个串联系统将断路，电流将仅在一个系统中流动。图4右图表示线圈②断路，流经④、③、②的电流路径被切断，电流仅流经⑤、⑥、①路径。

图4.线圈断路时的电流路径和电机扭矩

关于电机上的伪负载，可以通过将伪负载电阻加倍来实现故障状态，但有必要设计一种方法来更改HILS伪负载电阻的值。而且，由于电阻元件不像真实电机的线圈那样产生反电动势，因此它不能准确地模拟电机的电负载。仅当与ECU电机输出电路的故障检测方法相对应时，才可以使用此方法进行断路测试。

考虑到线圈断路时电机的行为，电磁力④、③和②将消失，扭矩将相应减半。当转子旋转一圈时，断开的线圈②的位置发生变化，但断开的线圈②所属一侧的电流路径继续被切断，因此无论旋转角度如何，扭矩为正常时的二分之一。

断路处为2处时，根据第2处的位置和转子的旋转角（以图4的状态为基准0度，左转为0～360度的值），产生扭矩会发生变化。使用示意图（简化图4的换向器间的电流路径）总结正常线圈和断路线圈的话，如表3所示，旋转角每旋转60度就会发生变化。

表3.线圈两处断路时扭矩产生情况

当两组相邻线圈断路时，平均扭矩减小到正常扭矩的三分之一。如果两组线圈相隔一个断路，则平均扭矩将减少六分之一。在这两种情况下，扭矩在一转期间两次在零和正常值的一半之间变化，从而引起振动。如果相反的线圈断路，则扭矩将为零。

类似地，对于伪负载电阻来说，伪负载电阻一圈内在双状态和断路状态之间变化两次。这需要一个特殊的伪负载电阻电路，根据电机的旋转角度改变电阻值，这使得它即使在HILS中也是一个相当复杂的机制。

如果在实际发动机中出现这样的故障，节气门特性会因扭矩下降而导致响应变慢，节气门将变成如图5所示。最终，要考虑发动机转速的变化和对排气部件的影响。

图5.电机线圈断路时油门动作

然而，在主工厂模型中，发动机扭矩仅由喷油器输出决定，因此即使节气门发生故障，HILS 发动机工厂的行为也不会改变。如果需要进行测试，则需要重新创建工厂模型 ）。另一方面，即使被控模型的行为保持不变，如果ECU检测到节气门电机断路故障并控制喷油器输出，例如，发动机将因整个系统而停止。

利用HILS实现节气门电机断路故障

以测试油门电机转子线圈断路状态为例，使用图6所示的用户界面，选择线圈按钮②，按下断路开关。响应于此，HILS逻辑改变伪负载电路的电阻值设置，并将节气门执行器模型改变为故障时的电机扭矩，从而实现故障条件。

图6.油门电机断路故障测试UI

与喷射器故障测试一样，该测试的要点是，ECU通过检测马达断路来改变控制，观测并测量系统整体的行为变化情况，验证是否符合控制设计要求。

使用HILS来实现执行器故障并影响工厂行为的现象并不容易。由于ECU的故障检测功能仅限于简单的断路和短路检测，因此故障模式通常不被纳入HILS设备模型中。

然而，有时需要测试故障条件以进行功能安全验证等。其中许多测试可能无法在真实设备上进行，或者执行起来可能太危险。另一方面，HILS可能会导致发动机运行时内部发动机部件发生故障，或者产生极高的转速，甚至可能损坏发动机。然而，为了做到这一点，我们必须分析应该从HILS设计阶段重现的故障现象，考虑伪负载电路和设备模型，并结合适当的机制。

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作者：牛喀网专栏作者
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