CN101806875A - 压电执行器的诊断检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柴油机喷油器压电执行器的诊断检测方法及装置，预先在闪存存储器Flash ROM中设定经试验获得的，压电执行器驱动回路的控制参数范围，包括期望加载电压、控制参数上限、控制参数下限、控制参数检测时刻、驱动充电时间、放电卸载时间等，通过检测在规定时刻控制参数的数值，并和通过试验确定的参数进行对比，据此判断压电执行器是否发生故障；其特征是确定的控制参数是通过压电元件的驱动电流。该方法可检测压电元件是否发生短路、断路和层间脱开故障，且无需额外增加电控单元成本；仅需调整硬件信号采集和软件算法程序，为喷油器压电执行器的开发及应用奠定基础。

Description

压电执行器的诊断检测方法及装置

技术领域

本发明涉及压电执行器的诊断检测方法及装置，特别是一种用于柴油机电控共轨喷油器中压电执行器的诊断检测方法及装置。

背景技术

现代柴油机共轨喷射系统中，广泛采用压电执行器精确控制电控喷油器的喷油时间和喷油量。由于压电执行器的性能和可靠性直接影响发动机的性能和可靠性，因此，需要有一种能对压电执行器进行实时故障诊断检测的方法和装置，以便当故障出现后能及时对控制策略进行调整，防止故障进一步蔓延、恶化。

根据CN101133501A介绍，压电执行器是一种层叠型结构，压电执行器由多层压电体层和内部电极层构成，层叠片在电气特性方面是并联的电容，在使用过程中会出现各层(主要是靠外的层)分离，结果导致执行器电气和机械特性变化，严重者可导致功能失效，因此控制系统必须能够实时监测压电执行器是否存在各种故障，确认故障并发出故障报警信号。

现有技术中，专利文献CN1581667A和US6820474B2公开了一种压电执行器的诊断方法和装置，是基于电荷或电压来控制。专利文献WO2005040582A2公开了另一种压电执行器的诊断方法，它用于诊断的控制参数是压电执行器的有效电阻。以上专利存在的不足之处是它们虽然可判断压电执行器是否有故障，但难以通过对上述参数的分析准确判断压电执行器的故障类型，例如压电元件是否存在短路和断路故障，如果发生压电元件层间故障，也无法定性分析层间故障的严重程度。

压电元件是压电执行器的核心部件，在现有技术中，专利CN101072939A和US6522049B2都涉及压电元件驱动电路。其中可用于电流测量的方法是，利用串联在测量回路中的对地测量电阻进行电流测量。由于在这种驱动电路中，测量电阻一端对地，在实际控制系统中由于驱动电路地线较易受到干扰，必将直接影响电路电流测量的准确性和可靠性，从而影响故障判断的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种新的用于柴油机电控共轨喷油器压电元件的诊断检测方法及装置。

本发明所采用的技术方案和主要特征是：预先在闪存存储器Flash ROM中设定经试验获得的，压电执行器驱动回路的控制参数范围，包括期望加载电压、控制参数上限、控制参数下限、控制参数检测时刻、驱动充电时间、放电卸载时间等，通过检测在规定时刻控制参数的数值，并和通过试验确定的参数范围进行对比，据此判断压电执行器是否发生故障；其特征是确定的控制参数是通过压电元件的驱动电流，通过对电流值的分析不仅能判断压电执行器是否发生故障，而且可通过检测压电元件的电压、电流和充、放电时间分析出压电执行器的故障类型，包括压电元件层间脱开，压电元件断路，压电元件电极短路故障。此外还可以在充电和放电过程中按照预先设定的时刻进行电流和时间测量，并按照两个测量结果综合判断系统是否确实存在故障，以防止系统故障误判。压电执行器中的核心部件是压电元件。本发明利用串联在驱动MOS管上端和下端的电流传感器，检测通过压电元件的电流。此外，本发明还通过调整和压电元件并联的电阻网络阻值来实现期望的压电元件充电电压。

与现有技术不同，本发明中，通过串联在驱动MOS管和地线之间的电流传感器测量驱动电流，通过串联在放电MOS管和地线之间的电流传感器测量放电电流，还通过串联在放电回路中的电阻限制卸载电流，消除了地线干扰影响，而且可同时测量电流数值和方向，大大提高了压电元件故障判断的可靠性。同时本发明在进行故障判断时，对压电元件期望负载电压实时测量，并测量充电和放电时间，再和预存的数据进行比照，按照预先设计的算法进行分析，对中间位置进行插值计算，并根据充电和放电综合判断系统是否存在故障。

本发明的优点是测量的电流值准确、可靠，不仅能判断压电执行器是否发生故障，而且可检测压电元件是否发生短路、断路等故障类型。同时无需额外增加电控单元成本，只需调整硬件信号的采集和软件算法程序。

本技术方案的应用特征和优点将由下面对附图示出的实施例进行详细描述，但本发明的保护范围并不限于说明书和附图的具体描述。在此，所有描述或所示特征本身形成本发明的内容，它与权利要求中的概括或引用有关，而不仅限于说明书及附图所展示的形式。

附图说明

图1是本发明所述压电元件执行器原理性电路框图；

图2是压电元件驱动电压和电流波形示意图；

图3是不同压电容值时电压与充电时间关系图；

图4是不同压电容值时电压与放电时间关系图；

图5是压电元件驱动电流及控制信号时序图；

图6是压电元件充电电压反馈控制原理框图；

图7是数字电位计61阻值随压电元件充电电压变化趋势；

图8是压电元件执行器故障诊断检测方法流程图；

图9是压电元件执行器故障分析和判断方法。

图中区域代号

A：压电驱动升压电路

B：信号处理及控制电路，包括专用芯片G及控制存储单元H

图中元器件代号

压电元件：11、12、13、14、15、16

电流传感器：21、22、23、24

二极管：31、32、33、34

电感：41、42，电容：51，52

数字电位计：61

MOS管：71、72、73、74、75、76、77、78、79

三极管：81，蓄电池：91

控制信号：101～110，反馈信号111～117

电阻：201～214

比较器：301

与非门：401

图中时间、电压、电容参数代号

t_r：实测压电元件充电上升时间；

t_f：实测压电元件放电下降时间；

t_nr：压电元件正常时充电上升时间；

t_nf：压电元件正常时放电下降时间；

t_f1：电压从期望电压V_max到门限电压V_thresh的放电时间；

V_max：压电元件期望充电电压；

V_thresh：压电电压门槛限值；

V_boost：压电元件驱动高压；

C_pizo：压电元件块实际等效容值；

C_org：正常压电元件块容值；

+I_P1：压电元件峰值充电电流，-I_P2：压电元件峰值放电电流；

I_r：压电元件充电电流，I_f：压电元件放电电流。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明所述压电元件执行器故障诊断检测方法的工作原理、具体结构及优选的实施例。

图1是本发明所述压电元件执行器原理性电路框图，其中包括两个用虚线框包围的区域A和B，其中区域B是信号处理及控制电路，包括专用芯片G及控制存储单元H，G负责处理各种电压、电流输入信号，同时输出控制存储单元H所需的控制信号。控制存储单元H据接收到的信号进行计算，并输出控制信号驱动压电元件。图1以本发明在一台六缸柴油机上的应用为例。

区域A是压电驱动升压电路，即利用MOS管78的高速通断，利用升压电感41将蓄电池91的直流电压转换为压电元件驱动需要的高压V_boost，该高压通过二极管31的单向导通作用保存于电容51，以便形成一个稳定的高压源。控制信号107是由专用芯片G输出的PWM(Pulse Width Modulation)信号，用于控制MOS管78的开启和关断，采样电阻201用于测量MOS管78导通时的回路电流，并通过反馈信号117输入到信号处理及控制电路B，当信号117高于设定限值，即驱动回路电流超过限值时，软件自动调整控制信号107，从而避免系统由于电流过大而受到进一步损坏。

由精密电阻202、203组成的分压网络测量电容51高压，并通过反馈信号112输入到区域B，当采集到的电压信号112低于设定限值时MOS管78继续工作，从而继续对电容51充电；当采集到的电压信号112高于设定限值时，MOS管78截止，从而停止对电容51充电。电流传感器21串联在电容51负端和地之间，用于测量电容充、放电时的电流，并通过信号111输入到区域B，信号111和其他信号一起实现对压电元件的故障诊断和分析。

六个压电元件11、12、13、14、15、16相互并联，每个压电元件分别和电阻205并联，各压电元件分别与驱动MOS管71、72、73、74、75、76串联，与其对应的控制信号101、102、103、104、105、106分别来自信号处理及控制电路B。各压电元件驱动回路与电流传感器24串联，用于系统回路电流测量，采用电流传感器可有效防止驱动过程中的地线干扰，提高系统电流测量精度，且可同时测量电流数值及方向。

MOS管79和77控制压电元件驱动，这里仅以压电元件11为例说明系统驱动控制过程。当压电元件11需要驱动时，信号处理及控制电路B通过PWM控制信号108将MOS管79导通，电流通过电容51流过导通的MOS管79、二极管32、电感42、电流传感器22、压电元件11、导通的驱动MOS管71、电流传感器24、地、电流传感器21，最后返回电容51。其中二极管34用于防止驱动过程中电感42侧出现负电压，二极管33防止压电执行器驱动电压过高，即压电执行器的驱动电压不得超过电容51的电压值。压电元件11充电电压通过206和61组成的电阻网络进行测量，其中206为精密电阻，61为数字电位计，并通过反馈信号115反馈进入信号处理及控制电路B，用于压电元件充电电压的闭环反馈控制和测量。

当MOS管79截止时，由于电感42的储能作用，电流通过电感42、电流传感器22、压电元件11、导通的驱动MOS管71、电流传感器24、地、二极管34，最后返回到电感42。这样通过MOS管79的重复导通和关闭实现对压电元件11进行充电，直至压电元件被充到期望电压为止。

当需要对压电元件11放电时，首先信号处理及控制电路B通过信号110和101使得MOS管77和71导通，电流从压电元件11、限流电阻204、导通的放电MOS管77、电流传感器23、地、电流传感器24、导通的驱动MOS管71、最后返回到压电元件11，直至压电元件11的电压降低到期望值(例如0)，以便准备下一次驱动，在放电回路中限流电阻204可有效控制压电元件放电时的电流幅值，而且可防止使用电感限流反复关断时所引起的反电势干扰。

图2是压电元件驱动电压和电流波形示意图，在图中电压OA段是压电元件充电过程，此时，能量从电容51向压电元件放电，当被充到期望的电压值后停止充电，该过程产生充电电流波形I_r，记电压从零充到期望值时的时间为上升时间t_r；当电压充到期望值后保持恒定，即电压曲线AB；当驱动结束后开始放电，即能量从压电元件流出直至为零，形成电压曲线BD段，并产生放电电流波形I_f，记电压从期望值到零的时间为下降时间t_f，V_thresh为压电电压的某个门槛限值，V_max为压电元件期望的充电电压，这些符号和参数将在后续的故障诊断及分析中使用。

压电元件利用压电陶瓷材料经叠层工艺制作而成，为增加系统的变形量，通常使用数片压电陶瓷材料通过低温共烧整体烧结，而每一片压电陶瓷片可看成一个容性负载，即可等效成电容模型，因而，压电元件执行器可等效为几个电容的并联。若相邻两片压电陶瓷材料极性连结良好，即可等效为并联的电容个数最多，即压电元件块的容值最大，记为C_org。若由于某种原因，如振动、驱动电流过大或系统老化等导致压电元层间电极烧断，则等效为并联的电容个数减少，也就是说压电元件块的容值C_pizo减小，即C_pizo≤C_org，也就是压电元件参数发生了变化(故障)，此时，将直接影响压电元件在充、放电过程的特征，本发明正是利用这个特性来进行压电元件的故障分析和判断。

图3是不同压电容值时电压与充电时间关系图，即通过试验确定的特定压电元件参数在不同期望充电电压V_max时需要的充电时间t_r，即V_max越大则需要的充电时间t_r越长。利用不同的压电容值参数进行试验，最终形成如图3所示的三维曲线，并存储在控制单元存储器中，从图中可见，在相同期望充电电压V_max时，压电元件容值越大，则实际需要的充电时间t_r也就越长。

图4是不同压电容值时电压与放电时间关系图，即通过试验确定的特定压电元件参数在不同期望电压V_max时需要的放电时间t_f，即V_max越大则需要的放电时间t_f也越长。利用不同压电容值参数进行试验，最终形成如图4所示的三维曲线。从图中见，在相同期望充电电压V_max时，压电元件容值越大，则实际需要的放电时间t_f也就越长。实际应用中为提高t_f测量精度，可设定如图2所示电压门槛限值V_thresh，该电压稍高于地线零电压，例如5.0V，即测量电压从期望电压V_max到门限电压V_thresh的放电时间t_f1，从而可防止由于电压零位测量不确定性而引起的误差，大大提高了放电时间的测量精度，从而提高了系统对压电元件故障分析和判断的准确性。

图5是压电元件驱动电流及控制信号时序图，图中在压电元件充电时形成一个+I_P1的峰值充电电流，而在压电元件放电时形成-I_P2的峰值放电电流，在压电元件充、放电过程中，驱动信号分别有效，即图1中101、102、103、104、105、106之一，在充电过程中图1充电PWM信号108同时有效，实现从电容51到压电元件的充电；在放电时图1放电控制信号110和驱动信号在相同的时序范围内有效，从而确保压电元件能量被彻底释放。

图6是压电元件充电电压反馈控制的一个具体实施例，从压电元件电阻网络206、61分压后的电压信号115输入到比较器301负端，其中PWM1是由单片机产生的充电信号，比较器输出信号和PWM1控制信号经与非门401逻辑处理，并利用三极管81提升驱动能力，并起到逻辑反向作用，并从三极管81集电极输出信号108控制MOS管79的开启和关闭，即控制高压是否加载到压电元件。从图中的逻辑信号可见，当反馈信号115超过门槛电压后，控制信号108为低电平，即NPN型MOS管79截止，而当信号115低于门槛电压时，则MOS管79导通，即继续对压电元件充电。

图7为数字电位计61阻值随压电元件充电电压的变化趋势，根据图1和图6的原理分析可见，压电元件充电电压的大小受反馈电压信号115控制，当图6比较器正端输入电压一定时，即比较器翻转电压一定，若压电元件分压电阻网络中电阻206固定，则数字电位计61阻值的变化直接反映反馈信号115的电压，同时决定了压电元件期望的充电电压。当数字电位计61阻值变大时，信号115具有输出更高电压的趋势，即在压电元件电压较低时就达到门槛电压，也就是说压电元件期望的充电电压较低。反之，当数字电位计61阻值变小时压电元件期望的充电电压升高。因而，可通过调整数字电位计61阻值的大小来确定期望的压电元件充电电压，并通过图6所示的电压闭环进行电压精确控制。

图8为压电元件执行器故障诊断检测方法流程图，步骤S10完成电控单元系统初始化，即初始化控制寄存器、A/D采样、驱动输出模块等，为压电元件驱动及故障诊断做准备。步骤S20确定需要的压电元件驱动电压，压电元件在实际工作中由于老化、发动机工况变化等因素，需对压电元件驱动电压进行优化，该步骤根据优化标定好的MAP查询本次驱动期望的充电电压，然后据图7所示的曲线，通过控制信号109调整数字电位计61的阻值，以实现压电元件期望的充电电压。步骤S30为喷油器驱动，其信号逻辑如图5所示，喷油规律控制则由当时发动机的工况所决定。步骤S40为驱动电压采样，由于压电元件属于电压驱动型执行器，在执行器整个驱动周期内都通过反馈信号115实时检测压电元件电压状态，同时在高压加载期内将通过电流传感器22、24检测系统回路电流，在压电元件电压卸载时通过电流传感器23、24检测系统回路电流。S50为驱动电流及时间采样，从图1可见，在高压加载期间，电流从电容51到MOS管79，经过二极管32到电感42，经过电流传感器22，再经过压电执行器负载，最后通过电流传感器24到地线并返回电容51，可见电流传感器22、24数值和方向一致；而在放电过程中，电流从压电执行器经过限流电阻204到放电MOS管77，经电流传感器23，最后经地线通过电流传感器24返回到压电执行器，可见在放电过程中电流传感器23、24所测量的结果数值一致，但方向相反。步骤S60为故障分析和判断，也是本发明的核心所在，详细的分析见图9所示，当系统无故障时本次驱动结束，若有故障，则进入步骤S70进行故障处理，即根据故障类型和严重程度程序进入不同的程序判断分支。

图9为压电元件执行器故障分析和判断方法，根据图2所示的驱动压电元件电压和电流曲线，驱动过程中据信号115的电压反馈，当电压达到期望驱动电压时的测量时间记为t_r，驱动电流最大为+I_P1，在放电过程中，从期望电压V_max到门槛电压V_thresh的测量时间记为t_f1，驱动电流反向最大为-I_P2。步骤S61首先判断正向充电电流是否零，若为零则在步骤S62中判断反向放电电流是否为零，若两者都为零则判断为断路故障。显然断路故障驱动时由于并联压电元件的电阻很大，即负载很大，驱动时电流传感器22、24的测量电流非常小，若考虑到系统干扰等因素，此时电流即可认为是零。而在放电过程中，由于压电元件开路，显然电流传感器23、24处也没有电流流过。当正向充电电流不等于零，步骤S63中判断+I_P1是否过大，即远大于正常值，当电流过大时步骤S64判断反向放电电流是否为零，若为零则判断为短路故障。显然，当压电元件短路时充电过程由于没有负载，则电流传感器22、24处测量电流将远大于正常值，而在放电过程中，由于压电元件短路，放电时电流传感器23、24处将无电流测量值。

当正向充电电流不等于零，同时也不过大时，记某次驱动期望充电电压和压电元件正常容值时经图3查表所得上升时间为t_nr，压电元件属层叠型结构，当出现故障，如层间脱开断路时直接反映就是压电元件容值下降，也就是说在同样电压下变形量减小，则在相同期望充电电压时充电时间将缩短；记在放电过程中，据某次驱动期望电压和压电元件正常容值经过图4查表所得下降时间为t_nf，容值下降后在相同期望电压时放电时间缩短，步骤S65首先判断实测上升时间t_r＜t_nr是否成立，若成立则在步骤S66中判断放电时间t_f1＜t_nf是否成立，为防止故障误判，设定一个故障计数器，即当S65和S66两个条件同时成立开始计数，步骤S67判断连续计数是否达到三次，若成立则确认压电元件系统故障，在其他情况下故障判断结束，即进行下一次驱动故障判断，且当实际时间测量值与正常时间值差距越大，则压电元件层间脱开断路的故障程度越严重，即容值越小。

以上所述的具体实施方式，包括所列举的流程框图，在本发明内容和权利要求所覆盖的范围内可有多种变型和改变，因此，所述的实施例并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种压电执行器的诊断检测方法及装置，预先在闪存存储器Flash ROM中设定经试验获得的，压电执行器驱动回路的控制参数范围，包括期望加载电压、控制参数上限、控制参数下限、控制参数检测时刻、驱动充电时间、放电卸载时间等，通过检测在规定时刻控制参数的数值，并和通过试验确定的参数范围进行对比，据此判断压电执行器是否发生故障；其特征是确定的控制参数是通过压电元件的驱动电流，通过对电流值分析，不仅能判断压电执行器是否发生故障，而且可以通过检测压电元件的电压、电流和充、放电时间分析出压电执行器的故障类型。

2.根据权利要求1所述的压电执行器的诊断检测方法及装置，其特征在于利用串联在驱动MOS管上端和下端的电流传感器，检测通过压电元件的电流。

3.根据权利要求1所述的压电执行器的诊断检测方法及装置，其特征在于，通过串联在放电回路中的电阻限制卸载电流。

4.根据权利要求1所述的压电执行器的诊断检测方法及装置，其特征在于，通过检测压电元件的电压、电流和充、放电时间，分析出故障类型，包括压电元件层间脱开，压电元件断路，压电元件电极短路故障。

5.根据权利要求4所述的压电执行器的诊断检测方法及装置，其特征在于通过调整和压电元件并联的电阻网络阻值来实现期望的压电元件充电电压。

6.根据权利要求4所述的压电执行器的诊断检测方法及装置，其特征在于通过串联在驱动MOS管和地线之间的电流传感器测量驱动电流，通过串联在放电MOS管和地线之间的电流传感器测量放电电流，且可同时测量电流数值和方向。

7.根据权利要求1所述的压电执行器的诊断检测方法及装置，其特征是在进行故障判断时，对压电元件期望负载电压进行实时测量，并测量充电和放电时间，再和预存的数据进行对比；对中间位置值进行插值计算，并根据充电和放电特征共同判断系统是否存在故障。

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