CN102570377A

CN102570377A - 负载故障诊断检测方法与装置

Info

Publication number: CN102570377A
Application number: CN2010105848606A
Authority: CN
Inventors: 宋国民; 朱晓明
Original assignee: Wuxi Fuel Injection Equipment Institute China Faw Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: CN102570377B

Abstract

本发明涉及一种负载故障诊断检测方法与装置，通过负载驱动上升阶段电流波形采样，并与预先设定的门槛阈值比较，超过门槛阈值诊断信号发生逻辑翻转，检测诊断信号逻辑翻转时刻的时间，该时间与预先设定的基准值对照分析，据此判断负载是否存在短路、断路及负载超限故障，同时，对于短路故障能够判断出是短路到地还是短路到电源类型；通过测量驱动开始及诊断信号结束翻转时刻的时间，并与驱动信号比较，据此判断驱动信号脉宽输出是否存在异常。本方法仅在负载执行器驱动电路的基础上增加诊断电路，附加成本较少，可显著提高负载执行器驱动过程中的保护及控制可靠性，从而为负载驱动分析及故障诊断奠定基础。

Description

负载故障诊断检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种负载故障诊断检测方法与装置，可用于电控系统负载驱动相关技术领域。

背景技术

在采用电子控制的车辆及发动机系统中，有各种负载执行器，例如电磁阀、马达、继电器等，这些负载执行器是整个电控系统的核心部件，执行器性能的好坏直接影响车辆及发动机性能，特别是对于燃油喷射系统执行器，将直接影响发动机及整车功能。因此，必须在负载执行器驱动过程中实时检测其性能，一旦功能异常程序作出相应故障处理及保护，以防止故障进一步蔓延。

负载执行器驱动主要以开关信号或脉宽调制信号(PWM)为主，某些执行器为提高响应速度采用双电压驱动，如高压共轨系统喷油器电磁阀，该电磁阀在电流上升阶段利用高压(Boost电压)驱动，以获得较快的电流上升速率，在保持阶段利用低压(如蓄电池电压)电源作PWM驱动，该类型驱动实际是开关信号和PWM信号的组合驱动方式。

无论负载执行器采用何种类型的驱动方式，都必须在驱动过程中实时检测负载是否存在异常，如短路、断路、负载超限等故障。专利CN1545650A公开了一种对PWM驱动进行故障检测的方法，利用PWM驱动时负载端产生的电压信号积分值与基准值比较的方法来判断负载故障，该方法仅针对PWM方式驱动型负载，同时，在判断出负载短路到地故障时，无法及时切断加载的驱动电源，以确保系统安全；专利CN101542166A公开了另外一种诊断装置，该诊断装置适用于线性电磁阀，检测电路驱动时在规定时间内电源接通-断开的切换次数，若切换次数在规定次数以下，则判断为接地短路异常故障，该方法也是针对PWM方式驱动型负载，对非PWM方式驱动型负载，如开关或组合驱动方式同样无法准确判断，且当负载发生短路到地故障时，同样无法及时切断加载的驱动电源，以防止故障进一步扩散。

实际应用中，对各种负载执行器而言，驱动脉宽参数由于直接影响负载执行器性能，因此，就控制而言必须确保实际电路输出的脉宽与控制发出的数据严格一致。通常硬件系统驱动脉宽无反馈信号，即仅作开环控制，但在实际控制器处理信号时，若输出控制脉宽任务执行时碰到优先级更高任务，则优先级低任务将被系统暂时“挂起”，这会导致实际输出与期望值不一致，若这种差异在一定范围内，则对系统性能的影响较小，但如果实际输出脉宽和期望值差距较大，则可能对系统性能造成严重影响，甚至发生危险，因此，有必要在负载驱动过程中判断实际输出脉宽和期望值差异是否在可接受范围内，以监控系统性能是否正常。

从以上分析可见，对于短路、断路故障的检测很多专利已涉及，但对于短路故障通常无法区分是短路到电源还是短路到地，同时负载使用过程中易形成负载参数变化，如电感的匝间短路、焊接点性能退化等，这些将导致负载电参数变化，参数变化超过一定范围将直接影响性能，因而，必须在负载驱动过程中能够判断负载是否存在超限故障。为此，本发明的目的是提供能够解决上述已有技术中的不足，提供一种负载故障诊断检测方法与装置，能适用于不同类型驱动方式的负载执行器，可检测出短路、断路、负载超限故障，并能在驱动负载发生故障时软件及时切断驱动电源，确保局部故障不蔓延至电控系统其它部分。

发明内容

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种负载故障诊断检测方法，通过负载驱动上升阶段电流波形采样，并与预先设定的门槛阈值比较，超过门槛阈值诊断信号发生逻辑翻转，检测诊断信号逻辑翻转时刻的时间，该时间与预先设定的基准值对照分析，据此判断负载是否存在故障，其特征是：

(1)通过负载执行器驱动时诊断信号及低端放大输出信号的逻辑真值表判断负载是否发生短路及断路故障，同时，对于短路故障能够判断出是短路到地还是短路到电源类型；

(2)当发生短路到地故障时，通过预先设定的故障处理程序关闭负载驱动电源，确保故障不进一步扩散；

(3)检测负载驱动上升阶段的电流波形，通过测量诊断信号逻辑翻转时刻的时间判断负载超限故障；

(4)通过测量驱动开始及诊断信号结束翻转时刻的时间，并与驱动信号比较，据此判断驱动信号脉宽输出是否存在异常。

与现有技术不同，本发明采用高端MOSFET和驱动MOSFET，通过负载执行器驱动时诊断信号及低端放大输出信号的逻辑真值表判断负载是否发生短路及断路故障，同时，对于短路故障能够判断出是短路到地还是短路到电源类型，且当负载短路到地信号不经过驱动MOSFET时能及时切断驱动电源，以防止故障进一步扩散；通过测量驱动开始及诊断信号结束翻转时刻的时间，并与驱动信号比较，据此判断驱动信号脉宽输出是否存在异常。

本发明的优点是对于负载驱动可测量短路、断路及负载超限故障，对于短路故障能够判断出是短路到地还是短路到电源类型，并在发生短路到地故障时及时切断负载驱动电源，并能分析实际驱动信号脉宽是否和期望值一致，为故障分析及诊断奠定基础，可显著提高负载执行器驱动过程中的保护及控制可靠性。

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是负载故障诊断检测装置原理框图；

图2是采样信号放大电路；

图3是负载故障诊断控制信号逻辑；

图4是负载故障检测原理；

图5是驱动信号故障检测原理；

图6是短路、断路判断逻辑真值表；

图7是负载故障判断流程图。

图中区域代号

10：高端MOSFET预驱电路

11：驱动MOSFET预驱电路

12：信号差分放大电路

13：比较电路

14：反相电路

15：负载

图中信号代号

100：高端驱动控制信号

101：驱动控制信号

102：低端采样信号

103：诊断信号

104：低端放大输出信号

200：负载驱动电流特性曲线

201：负载驱动电流上限曲线

202：负载驱动电流下限曲线

300：T₁特性曲线

301：T₁上限曲线

302：T₁下限曲线

图中时间、器件参数代号

T：驱动信号脉宽

T₁：诊断控制信号脉宽

20：高端场效应晶体管

21：驱动场效应晶体管

22、23、24：比较器

27：NPN型三极管

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明所述负载故障诊断检测方法与装置的工作原理、具体结构及优选的实施例。

图1是本发明所述负载故障诊断检测装置原理框图，装置中包括高端场效应晶体管(MOSFET)预驱电路10、高端采样电阻R5、驱动MOSFET预驱电路11、低端采样电阻R13、信号差分放大电路12、比较电路13及反相电路14组成。高端MOSFET预驱电路10由信号100控制，实现高端场效应晶体管20驱动控制，起到负载驱动电源+V加载及断开的作用。

二极管D1阳极连接高端场效应晶体管20的信号输出，阴极连接高端采样电阻R5电流输入端，二极管D1起单向导通作用，确保负载驱动时电流信号只能从负载电源+V输出，防止电流信号反向流动。信号差分放大电路12把经过高端采样电阻R5的电流转换为电压信号后放大，信号放大倍数通过电阻R7、R2调整。采用差分信号放大电路可有效降低信号干扰，即当信号存在干扰导致采样电压变化时，采样电阻两端由于干扰而引起的信号可相互抵消，因此对被测信号的影响大大降低，提高了信号的采样精度，从而起到提高故障判断准确性的目的。

负载15串联在驱动场效应晶体管21的漏极和高端采样电阻R5之间，续流二极管D2的阳极连接在驱动场效应晶体管21漏极和负载之间，阴极连接驱动负载电源+V，吸收驱动场效应晶体管21关闭时的反向电压，并给负载电源+V充电，一方面可回收能量，另一方面防止驱动关闭时过高的反向电压击穿MOSFET。

驱动场效应晶体管21由信号101实现驱动，低端采样信号102通过低端采样电阻R13采集负载驱动回路电流，R13一端接地，另一端接驱动场效应晶体管21的源极。比较电路13处理信号差分放大电路12的输出信号，比较电路13中的比较器负端接差分放大电路12的输出信号，比较器正端接基准门槛电压信号，基准门槛电压信号通过电阻R12、R14调整，实现比较器翻转阈值控制，比较电路13的另一作用是把采集到的电压信号转换为数字信号，便于计算机后续分析处理。

反相电路14实现比较电路13的输出信号处理，即把比较电路13的输出信号进行逻辑反相，主要通过NPN型三极管27及上拉电阻R8实现，即当比较电路13输出高电平时三极管27导通，则诊断信号103输出低电平；当比较器电路13输出低电平时三极管27截止，诊断信号103输出高电平。反相电路除实现反相功能外，还有一目的就实现信号整形，即通过反相电路后数字波形的上升时间及下降时间更短，有利于后续信号处理。

从负载故障诊断检测装置原理框图可见，若流过负载的电流增大，则流经高端采样电阻R5的信号增大，从而信号差分放大电路12的输出信号增大，由于该信号输入到比较电路13的反相端，当输入信号增大并超过正相输入端的门槛电压时，比较电路13的输出信号为低电平，则经过反相电路14的输出诊断信号103为高电平，反之诊断信号103为低电平。

图2是采样信号放大电路，由于低端采样电阻R13的输出电压信号较小，不适合后续信号处理，因此低端采样信号102输入到比较器24的正相输入端，并通过电阻R20、R19实现负反馈，电压信号经过信号放大后输出信号104，放大后的电压信号连接后续处理电路实现单片机实时采样。

图3是负载故障诊断控制信号逻辑，负载在驱动过程形成如图3所示的电流波形，信号101为驱动控制信号，其驱动脉宽为T，信号100为高端驱动控制信号，信号103为诊断信号。为叙述方便信号101、100仅以低电平有效为例进行说明，实际根据驱动电路设计及MOSFET类型可实现不同有效电平状态，但不影响实际的控制功能及原理。正常驱动时信号100、101同步，即仅在负载驱动时才加载电源+V，起系统安全保护作用，即在不驱动时无电源加载。

图3中i₀为根据负载及电路特性设定的门槛阈值，由于采样电阻为定值，因此当i₀确定后对应的门槛电压阈值随之确定。图中O为负载驱动开始点，对应的时刻为T_O，当驱动电流达到门槛阈值后，诊断信号103翻转输出高电平，如图3中T_A时刻所示，记从驱动开始到翻转时刻的时间为Δt；当驱动到达T_B时刻，驱动控制信号101及高驱动控制信号100无效，记T_A到T_B时刻的时间为Δt₂；当信号101、100无效后，负载驱动电流开始下降，当达到电流波形C点，如图3中T_c时刻所示，负载电流小于设定的门槛阈值，诊断信号103翻转，若记从B到C时刻的时间为Δt₃，则在此之后诊断信号103输出低电平。当电路设计完毕及负载执行器参数确定后，Δt₃作为电路的固有特性保持不变，D点为负载执行器驱动电流为零时刻，对应的时刻为T_D。

从图3分析可见，在实际负载驱动过程中，记驱动控制信号101的脉宽为T，则当负载及电路正常工作时，诊断信号103延迟Δt后输出高电平，当到达T_B时刻后再经过Δt₃恢复输出低电平，从而完成一次负载执行器驱动。在系统设计完毕后，若负载及电路正常工作，则Δt、Δt₃作为电器系统的固有特性保持不变，因此，可利用诊断信号103的输出宽度判断驱动控制信号101的脉宽是否工作在正常范围内，记T₁为诊断控制信号脉宽，其计算公式如下：

T₁＝Δt₂+Δt₃-Δt (1)

从公式(1)可见，当电路系统设计完毕后，若负载及电路正常工作，Δt、Δt₃作为系统固有特性保持不变，而Δt₂随驱动信号脉宽T的变化而变化，则可通过T₁与T值比较判断驱动控制信号101的脉宽是否正常。

为判断驱动信号脉宽输出是否存在异常，根据信号101的工作范围，通过试验标定不同T值时公式(1)所对应时间T₁的工作范围，并作为标定数据预存在电控单元(ECU)中，实际工作时对应不同驱动信号脉宽T时，计算T₁是否在规定范围内，若在规定范围内，则说明系统正常，若超出规定范围，则表明驱动信号脉宽输出异常，系统进入故障处理模式。

图4是负载故障检测原理，当负载特性正常时，驱动初始电流上升按负载驱动电流特性曲线200工作，记电流到达A时刻的时间为Δt；若由于某种故障导致负载阻抗变小，则在驱动时电流上升过程具有加快趋势，图4曲线201为负载驱动电流上限，在曲线上限位置A′时刻诊断信号103发生翻转，此时对应的时间为Δt′，显然由于驱动时电流上升更快，因此Δt′＜Δt；若由于某种故障导致负载阻抗变大，则在驱动时电流上升过程具有变缓趋势，图4曲线202为负载驱动电流下限，在曲线下限位置A″时刻诊断信号103发生翻转，此时对应的时间为Δt″，显然由于驱动过程电流上升放缓，则Δt″＞Δt。可见在负载执行器正常情况下，考虑到系统加工及制造散差，电流上升过程的特性曲线如图4剖面线所示，即在曲线201和202的包络线区间内，正常状态下驱动过程诊断信号翻转时间Δt应满足下式：

Δt′≤Δt≤Δt″ (2)

若Δt满足式(2)，则表明负载执行器正常，若Δt不满足式(2)，则表明负载执行器出现了功能异常。其中若Δt＜Δt′，则表明负载过小；Δt＞Δt″，则表明负载过大，其中Δt′、Δt″为通过预先标定确定的限值，预存在ECU存储器中。

图5是驱动信号故障检测原理，其中300为诊断控制信号脉宽T₁的特性曲线，301及302为T₁的上、下限曲线，在电路及负载执行器性能正常情况下，按照式(1)计算本次驱动诊断信号T₁对应的脉宽，根据驱动脉宽T查表得到对应曲线301及302的上、下限值，若T₁不超出对应的上、下限值，则表明驱动信号脉宽输出正常，否则判断为异常，软件进入异常处理，其中曲线301及302对应的上、下限值为预先根据系统标定确定数据，预存在ECU存储器中。

图6是短路、断路判断逻辑真值表，根据图1所示的负载故障诊断检测装置原理框图，按照诊断信号103及低端放大输出信号104的组合，共分以下四种类型进行分析。

模式1：诊断信号103无翻转，低端放大输出信号104无信号

若在负载执行器驱动过程中诊断信号103无翻转，即Δt无测量值，低端放大输出信号104无信号，则表明在负载输入和输出端都无测量信号，据此判断为负载断路故障。

模式2：诊断信号103无翻转，低端放大输出信号104有信号

若在负载执行器驱动过程中诊断信号103无翻转，即Δt无测量值，低端放大输出信号104有信号。由于负载输出端有信号，因此，在驱动过程中负载电源+V存在加载，但由于负载与电源短路旁通了高端采样电阻R5，从而导致诊断信号103无翻转，据此判断为负载短路到电源故障。

当发生负载短路到电源故障时，虽然从驱动功能上无明显影响，但存在较大故障风险，因此，必须进行故障保护处理。

模式3：诊断信号103有翻转，低端放大输出信号104无信号

若在负载执行器驱动过程中诊断信号103有翻转，即Δt有测量值，但低端放大输出信号104无信号，则在驱动过程中负载电源+V存在加载，由于负载和地线短路旁通了低端采样电阻R13，从而导致低端放大输出信号104无信号，据此判断为负载短路到地故障。

当发生负载短路到地故障时，由于不受驱动场效应晶体管21的控制，将导致负载流过的电流过大，故障风险极高，因此必须进行故障保护处理，即在这种情况下通过高端MOSFET切断驱动电源+V加载，从而起到系统保护作用，防止故障影响进一步扩散。

模式4：诊断信号103有翻转，低端放大输出信号104有信号

若在负载执行器驱动过程中诊断信号103有翻转，即Δt有测量值，低端放大输出信号104有信号，即系统正常工作状态，据此判断为负载无短路、断路故障，具体负载超限故障将通过Δt与基准值对照分析得出。

上述为根据诊断信号103及低端放大输出信号104的组合逻辑真值表，判断负载是否存在短路、断路故障，同时在短路故障时能够判断出是短路到地线还是短路到电源类型。

图7是负载故障判断流程图，即在图6所示模式4情况下，诊断信号103有翻转，低端放大输出信号104有信号，需根据Δt判断负载是否存在超限故障。

步骤S1测量O时刻至A时刻的时间Δt，在图3所示的负载故障诊断控制信号逻辑中，O为负载驱动开始点，A为诊断信号低电平至高电平翻转时刻点，Δt即代表负载在驱动过程中电流到达比较器门槛阈值的时间。

步骤S2根据采样得到的时间Δt，判断Δt≥Δt′是否成立，其中Δt′为预先通过标定确定的比较时间下限值，若判断成立，则进入步骤S3；若判断不成立，则进入步骤S10，本次驱动诊断为负载过小；步骤S11为故障确认及处理，故障确认方法为连续数次步骤S11确认为负载过小，并进行相应的故障处理，软件控制流程进入故障模式后转入结束流程，本次故障判断结束。

步骤S3根据计算得到的时间Δt，判断Δt≤Δt″是否成立，其中Δt″为预先通过标定确定的比较时间上限值，若判断成立，则进入步骤S4；若判断不成立，则进入步骤S12，本次驱动诊断为负载过大；步骤S13为故障确认及处理，故障确认方法为连续数次步骤S13确认为负载过大，并进行相应故障处理，软件控制流程进入故障模式后转入结束流程，本次故障判断结束。

步骤S4判断为负载正常，即在驱动过程中Δt在预先通过标定确定的系统上、下限值内。步骤S5为计算A至B时刻的时间Δt₂，即诊断信号翻转至驱动结束的时间。步骤S6为计算B至C时刻的时间Δt₃，即驱动结束至诊断信号翻转至初始状态的时间。步骤S7为计算T₁，即根据式(1)计算诊断控制信号脉宽。步骤S8判断T₁是否在规定的范围内，即根据图5所示的驱动及电路故障检测原理，在某个确定的驱动信号脉宽T时，根据驱动信号脉宽T查表得到对应的曲线301、302的上、下限值，若T₁不超出对应的上、下限值，则表明驱动信号脉宽输出正常，进入步骤S9，表明驱动脉宽输出正常；否则进入步骤S14，判断为驱动脉宽输出异常，步骤S15故障处理后流程结束。

从以上的分析可见，本方法仅在负载执行器驱动电路的基础上增加诊断电路，附加成本较，能够判断负载是否存在短路、断路及负载超限故障，同时，对于短路故障能够判断出是短路到地线还是短路到电源类型，可显著提高负载执行器驱动过程中的保护及控制可靠性，为负载驱动分析及故障诊断奠定基础。

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

1.一种负载故障诊断检测方法，通过负载驱动上升阶段电流波形采样，并与预先设定的门槛阈值比较，超过门槛阈值诊断信号发生逻辑翻转，检测诊断信号逻辑翻转时刻的时间，该时间与预先设定的基准值对照分析，据此判断负载是否存在故障，其特征是：

2.一种负载故障诊断检测装置，用于诊断由驱动装置作驱动的负载是否发生故障，装置中包括高端MOSFET预驱电路、高端采样电阻、低端采样电阻、信号差分放大电路、比较电路及反相电路组成，其特征是：这种诊断检测装置用于实施权利要求1所述的诊断检测方法，分析判断负载是否存在故障。

3.根据权利要求2的负载故障诊断检测装置，其特征在于：系统设置高端MOSFET，高端采样电阻串联在执行器和高端MOSFET输出信号之间；驱动MOSFET漏极及负载执行器之间连接二极管阳极，二极管阴极连接负载驱动电源，该二极管用于吸收负载执行器关闭时刻的反向电动势。

4.根据权利要求2的负载故障诊断检测装置，其特征在于：所述的反相电路通过晶体三极管实现。