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【功能安全】HILS故障诊断功能测试（二）

专栏作者 2024-04-29

内容提要：此篇章“连载二”中，我们将介绍节气门位置传感器和旋转传感器故障的测试。

本专题连载共分为“一、二、三”三个篇章，在“连载一”中，我们使用HILS来测试ECU，介绍了系统组成设备的故障和故障时的安全功能等诊断功能的测试。而在此篇章“连载二”中，我们将介绍节气门位置传感器和旋转传感器故障的测试。

节气门位置传感器故障

检测节气门位置的节气门位置传感器（以下简称SP传感器）最简单的是如图1所示的滑动触点式可变电阻器，故障可考虑如表1所示。

(a) SP传感器结构 (b) SP传感器电路的输出电压特性

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图1.SP传感器（滑动接触式可变电阻器）

表1.png

表1.SP传感器故障

SP传感器的HILS接口使用D-A转换器。以传感器电路正常状态下的输出特性为例，如图1(b)所示，正常电压范围为0.5V～4.5V。

由于这一特性，可以很容易地将电源电路断开时的0V和GND电路断开时的5V，与正常状态区分开。

通过HILS接口实现SP传感器故障

电源电路断路、GND电路断路

(1)如果发生“电源电路断路”故障，则无论发动机装置模型的状态如何，都会输出0V，而(2)如果发生“GND电路断路”故障，则输出5V，使得可以重现故障情况。

信号电路断路

（3）关于“信号电路断路”，需要制作出实际的断路状态，在A-D转换器的输出侧还需要追加有接点继电器。但是，添加继电器的方法会使HILS接口复杂化。

一种实用的测试方法是测量并记录断路时ECU输入端电压的变化，并使用A-D转换器产生相同的电压变化。电压通常为0V。虽然与实际断路不完全相同，但可以作为伪断路条件。

滑动触点接触不良

具有滑动触点的位置传感器，如果长期使用的话，由于磨损接触面会劣化（4）有成为“接触不良”的风险。所谓接触不良，是指从接触电阻比通常的接点稍微增加的状态，到接触电阻大幅增加几乎断路的状态，包含各种各样的状态。

此现象可通过图1（b）的电压断断续续地产生噪声状的电压降低来再现D-A转换器输出电压。各种各样的接触不良状态，根据各种各样的电压降低的图形对应。测试什么样的模式将考虑ECU故障检测逻辑。

作为故障判定逻辑的一个例子，ECU在停止节气门位置时，如果在10分钟内发生3次以上传感器电压下降0.5V×0.01秒以上，则考虑发出警告的故障检测逻辑。针对该逻辑，通过改变电压、时间、频率等参数，制作图2中（1）、（2）、（3）的测试波形并进行测试。

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图2.SP传感器测试波形（1）至（3）

接触不良在电阻膜上的特定位置滑动时经常发生，因此需要在传感器电压随油门操作变化的同时引起电压下降。为了测试这种情况，需要将正常运行的设备模型与电压降模型结合起来，如图3所示。

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图3.SP传感器测试波形（4）

为了在HILS中产生这样的电压变化，一种可能的产生故障的方法如图4所示。预先将故障波形注册到文件中，并在UI屏幕的“故障波形UI”上选择波形编号（1）。

开始测试前，运行被控对象模型，使SP传感器输出正常值。对于测试波形（1）至（3），以恒定速度和负载运行发动机，并将SP传感器电压调整至测试电压。在测试波形（4）的情况下，发动机装置在发动机负载变化的同时运行以改变SP传感器输出。

在开始测试时按下“故障发生开关”，将SP传感器电压与测试电压组合起来。当故障波形结束时，SP传感器恢复正常输出。

如果这些测试能够在控制发生明显变化之前,检测到故障并显示警告并防止问题发生，则可以说测试结果已通过。

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油门传感器发生故障的工厂模型图片油门传感器故障发生UI图像

图4.SP传感器故障是如何发生的

旋转传感器异常

主机的旋转传感器采用磁传感器形式。传感器波形的电压和频率根据转速而发生很大变化。对ECU输入波形进行整形后，测量周期和频率以检测转速。

如果出现偏离检测要求的波形变化而ECU无法正确检测，就会出现传感器故障。此时，可能会出现表2所示的故障。

表2.png

表2.旋转传感器故障

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图5.旋转传感器波形图

通过HILS接口实现旋转传感器故障

断路的情况下，信号就完全丢失了，所以这个就省略了。作为其他故障的示例，请考虑表2 (3) 中的脉冲环变形,并且脉冲环旋转一圈内脉冲环与旋转传感器之间的间隙发生变化的情况（图 6）。

图6.png

图6.传感器间隙变化时的旋转传感器波形

如果传感器间隙变得大于正常值，则穿过脉冲环的磁力线将下降，导致传感器电动势下降，并且在脉冲环旋转一圈期间出现旋转波形下降的现象。当传感器电动势的最低值低于ECU的脉冲波形检测阈值时，无法检测到该区域的脉冲，从而导致脉冲丢失。结果，出现检测到的转速低于实际转速的问题。

为了用HILS实现这种故障，从接口输出的传感器波形不是简单的恒压矩形波或正弦波形，而是需要一种改变波形大小以反映旋转速度和传感器间隙的机制。

在此，可以通过将电动势变化波形输入到调节波高的放大器来生成故障波形。通过准备具有图5所示波形模式的故障波形文件，并选择并打开图7所示的HILS-UI，可以输出包括正常波形在内的各种故障波形。

图7.png

发动机旋转传感器发生故障的工厂模型图像发动机旋转传感器故障发生UI的图像

图7.旋转传感器故障如何发生

电磁噪声混合波形导致旋转传感器故障

不仅是旋转传感器输入电路，所有ECU输入电路都会受到电磁噪声（以下简称噪声）的影响，这可能会影响信号检测。在极少数情况下，有些可能会影响控制并导致严重故障。

噪音不仅来自电机等消耗大电流的设备，而且几乎所有电子/电气设备都会产生噪音。此外，人触摸开关等时释放的静电以及手机、收音机、电视等的电磁波也会侵入该区域。

关于这些噪声的影响的评估，有称为电磁敏感性（EMS）测试的测试，以各种方式将噪声应用于ECU，例如JIS、JASO、ISO、国际电工委员会（IEC）等。标准规定了各种测试方法取决于噪声源和传输路径。同时，从确保安全的角度来看，这些测试也很重要，因此是汽车法律法规所要求的。

要进行这些噪音的测试，实际上会产生噪音和电磁波进行测试。关于由电线连接的电气/电子装置产生的噪音，使用产生几十伏到几千伏噪音的瞬态浪涌试验装置，对于静电，我们使用释放几十伏静电的静电测试仪。关于电磁波的侵入，需要发送100k至1GHz的电磁波的装置和为了不向外部泄漏电磁波而屏蔽的试验装置等更大规模的试验装置。当这些设备应用于电子系统时，比普通实机环境强得多的噪音会侵入ECU和线束，在ECU的同时也会侵入HILS电路。

测试因电磁噪声导致的旋转传感器故障

将噪声添加到ECU的容限通常会超出HILS接口的电磁抗扰度，从而导致HILS损坏且无法测试。因此，HILS中通常不进行噪声侵入影响的测试。然而，在极少数情况下，可能需要测试噪声的影响以调查市场缺陷的原因。在这种情况下，例如，在HILS运行的ECU的旋转传感器线束上应用瞬态浪涌试验时，通过构筑能够将ECU和瞬态浪涌试验机与HILS隔断的图8所示的特别试验环境，才能实现。

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图8.瞬态浪涌测试装置与HILS相结合的噪声测试装置

图9显示了使用图8所示设备进行测试的示例，假设继电器等触点中断电流时产生的噪声侵入旋转传感器信号。具体的测试方法就不解释了，但结果是，怠速时两倍大小的噪声侵入到旋转波形中，经过ECU的脉冲波形整形电路，经过ECU内部计数器输入。

当这种情况发生时，ECU会检测到高频噪声脉冲作为转速。当脉冲环齿数为60、转速为600rpm时，怠速时旋转传感器的脉冲为600Hz。如果10kHz噪声进入，频率将是此的13.3倍。当包含噪声的传感器波形超过波形检测阈值时，会发生检测到通常不会检测到的噪声成分并且转速脉冲瞬间检测到10000rpm的现象。

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