摘要

本系列文章阐述了HILS，它已成为车载系统开发中不可或缺的一部分。本期我们将介绍节气门位置传感器和旋转传感器的故障测试方法。

上期结束后，我们将继续使用HILS对ECU进行测试。这次，我们将介绍节气门位置传感器和旋转传感器的故障测试。

点击查阅：硬件在环HIL（一）：什么是HILS？

点击查阅：硬件在环HIL（二）：HILS的工作原理

点击查阅：硬件在环HIL（三）：硬件在环仿真和传感器

点击查阅：硬件在环HIL（四）：硬件在环仿真和执行器

点击查阅：硬件在环HIL（五）：硬件在环仿真和工厂模型

点击查阅：硬件在环HIL（六）：基于统计模型的工厂模型

点击查阅：硬件在环HIL（七）：发电机的被控对象模型

点击查阅：硬件在环HIL（八）：将工厂模型集成到HILS中

点击查阅：硬件在环HIL（九）：使用HILS测试ECU

点击查阅：硬件在环HIL（十）：测试怠速功能、速度控制和超速防止功能

点击查阅：硬件在环HIL（十一）：使用HILS测试故障诊断功能

节气门位置传感器故障

最简单的节气门位置传感器（以下简称SP传感器）是图 1所示的滑动接触式可变电阻器，用于检测节气门位置，但可能出现的故障包括表 1中列出的故障。

图 1、SP传感器（滑动接触式可变电阻器）

表1、SP传感器故障

SP传感器的HILS接口采用DA转换器，如图7所示。例如，传感器电路在正常情况下的输出特性如图1 (b)所示，正常电压范围为0.5V至4.5V。

这一特性使得区分正常状态和电源电路断开时的 0V 或接地电路断开时的 5V 变得容易。

利用HILS接口实现SP传感器故障

电源电路断路，接地电路断路

（1）当发生“电源电路断开”故障时，无论发动机装置模型的状态如何，均输出 0V；

（2）当发生“接地电路断开”故障时，输出 5V，从而重现故障情况。

信号电路断开

（3）关于“信号电路断开”，需要创建实际的断开状态，如图1(b)所示，并在AD转换器的输出端添加一个触点继电器。然而，添加继电器会使HILS接口变得复杂。

一种实用的测试方法是测量并记录导线断开时ECU输入端电压的变化，然后使用模数转换器（AD转换器）产生相同的电压变化。大多数情况下，电压将为0V。这与实际的导线断开并不完全相同，但可以模拟导线断开的状态。

滑动接触不良

采用滑动触点的位置传感器由于长期使用造成的磨损，触点表面存在劣化风险，从而导致（4）“接触不良”。接触不良可能表现为多种状态，从触点电阻较正常触点略有增加，到触点电阻显著增加直至接近断裂。

可以通过在DA转换器输出电压中产生间歇性的噪声样电压降来重现此现象，电压降的源电压如图1(b)所示。不同的电压降模式可以模拟不同的触点故障情况。待测试的电压降模式取决于ECU的故障检测逻辑。

例如，考虑这样一种故障检测逻辑：当ECU停止节气门位置控制时，如果传感器电压在10分钟内出现三次每次下降0.5V x 0.01秒或更多的情况，则发出警告。图2中的测试波形(1)、(2)和(3)通过改变电压、时间和频率等参数来生成和测试该逻辑。

图 2、SP传感器测试波形（1）至（3）

由于触点滑动时，电阻膜上的特定位置经常出现接触不良，因此需要在节气门操作过程中，使传感器电压发生变化时产生电压降。为了测试这种情况，需要将电压降模型与正常运行的设备模型相结合，如图 3所示。

图 3、SP传感器测试波形 (4)

为了在HILS中产生这种电压变化，图4显示了一种可能的故障生成方法。故障波形预先记录在一个文件中，然后在 UI 屏幕上的“故障波形UI”中选择波形编号 (1)。

在开始测试之前，先运行系统模型，使SP传感器输出正常值。对于测试波形（1）至（3），保持发动机转速和负载恒定，并将SP传感器电压调整至测试电压。对于测试波形（4），在改变发动机负载的同时运行发动机模型，以改变SP传感器的输出。

测试开始时，按下“故障生成开关”，将SP传感器电压与测试电压混合。故障波形结束后，SP传感器输出将恢复正常。

如果这些测试能够在控制发生明显变化之前检测到故障、发出警报并防止故障发生，则可以认为测试结果成功。

图 4、SP传感器故障机制

旋转传感器异常

该发动机中的旋转传感器为磁性拾取式。如图5所示，传感器波形的电压和频率会随转速发生显著变化。ECU输入信号对该波形进行整形，然后测量其周期和频率以检测转速。

如果波形变化偏离检测要求，且ECU无法正确检测到，则视为传感器故障。可能的故障包括表2中所列的故障。

表2、旋转传感器故障

图5、旋转传感器波形图

利用HILS接口实现旋转传感器故障检测

如果电线断裂，信号将完全丢失，因此我们在此不做讨论。作为另一种故障类型的例子，让我们考虑表2 (3)中的情况，其中脉冲环发生变形，并且在脉冲环旋转一周期间与旋转传感器的间隙发生变化（图 6）。

图 6、传感器间隙变化时的旋转传感器波形

如果传感器间隙大于正常值，穿过脉冲环的磁力线会减弱，导致传感器电动势下降，进而导致脉冲环旋转一周内的旋转波形也随之下降。如果最小传感器电动势低于ECU的脉冲波形检测阈值，则该区域的脉冲将无法被检测到，从而造成脉冲丢失。最终，检测到的转速将低于实际转速。

为了在硬件在环仿真中模拟这种类型的故障，接口输出的传感器波形不能是简单的恒压方波或正弦波，而应该是一种允许波形幅度可变并反映旋转速度和传感器间隙的机制。

在此机制中，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。通过准备一个具有图 5 所示波形模式的故障波形文件，并在图 7所示的 HILS-UI 中选择并切换该文件，即可输出各种故障波形，包括正常波形。

图 7、旋转传感器故障的发生方式

旋转传感器故障是由电磁噪声混合波形引起的

不仅是转速传感器输入电路，ECU的所有输入电路都会受到电磁噪声（以下简称噪声）的影响，这些噪声会影响信号检测。某些噪声会影响控制，在极少数情况下甚至会导致严重的故障。

噪声不仅由电机等大电流设备产生，几乎所有电子电气设备都会产生噪声。此外，人触摸开关时释放的静电，以及手机、收音机、电视机等发出的电磁波也会产生噪声。

为了评估这些噪声的影响，有一种称为电磁敏感性（EMS）的测试，它以各种方式向电子控制单元（ECU）施加噪声。根据噪声源和传输路径，JIS、JASO、ISO 和国际电工委员会（IEC）等标准规定了各种测试方法。同时，这些测试对于确保安全至关重要，因此汽车等相关法律法规均有要求。

为了测试这些噪声，需要生成实际的噪声和电磁波。对于通过导线连接的电气/电子设备产生的噪声，使用能够产生数十伏至数千伏噪声的瞬态浪涌测试仪；而对于静电，则使用能够释放数十千伏静电的静电测试仪。对于电磁波入侵，则需要更大规模的测试设备，包括能够发射100千赫至1吉赫电磁波的设备，以及能够屏蔽电磁波以防止其泄漏到外部的测试设备。当这些设备应用于电子系统时，远强于正常实际环境中的噪声会侵入ECU和线束，并同时侵入硬件在环（HILS）电路。

测试旋转传感器是否因电磁噪声而失效

添加噪声直至达到ECU的容差极限通常会超出HILS接口的电磁抗扰度，从而破坏HILS并使测试无法进行。因此，通常不使用HILS来测试噪声干扰的影响。

然而，在极少数情况下，当调查现场缺陷等原因时，可能需要测试噪声的影响。例如，在这种情况下，当对由 HILS 操作的 ECU 的旋转传感器线束进行瞬态浪涌测试时，只有通过创建如图 8 所示的特殊测试环境才能实现，在该环境中，ECU 和瞬态浪涌测试仪可以与 HILS 隔离。

图 8、噪声测试设备，结合了瞬态浪涌测试装置和硬件在环测试

图 9展示了使用图 8 所示设备进行的测试示例，模拟了当继电器等触点切断电流时产生的噪声干扰旋转传感器信号的情况。我们在此不赘述测试方法的细节，但图中显示，测试结果产生的噪声强度是实际噪声的两倍，该噪声在怠速状态下会干扰旋转波形，并经过 ECU 的脉冲波形整形电路到达 ECU 内部的计数器输入端。

当这种情况发生时，ECU会将高频噪声脉冲误判为转速。当转速传感器处于怠速状态时，如果脉冲环有60个齿，转速为600 rpm，则脉冲频率为600 Hz。当10 kHz的噪声进入时，频率将是原来的13.3倍。当包含噪声的传感器波形超过波形检测阈值时，它会检测到通常不会被检测到的噪声成分，从而将转速脉冲短暂地检测为10000 rpm。

图 9、旋转传感器波形图（含10 kHz噪声）

因此，可以观察到ECU控制的变化。与常规的控制规范验证不同，这种测试并非仅仅验证是否符合控制要求，而是重现被报告为故障的系统行为，阐明故障发生的原因，并找出故障根源。

一旦确定了缺陷原因，便会整理测试条件并将其反馈到设计规范中，同时针对ECU实施相应的对策。此外，基于缺陷复现测试，会修改现有测试规范并添加新的测试项目。然后，通过将针对此缺陷的测试项目添加到已修复产品和未来新产品的规范中，可以提高产品可靠性。

到目前为止，我们已经讨论了传感器故障的测试方法。下期，我们将探讨执行器故障的测试方法。