CN104149628A

CN104149628A - 一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器

Info

Publication number: CN104149628A
Application number: CN201410449465.5A
Authority: CN
Inventors: 李春善; 宗长富; 陈国迎; 李静; 郑宏宇; 张东
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: CN104149628B

Abstract

本发明公开一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，包括(1)左前/右前/左后/右后轮驱动控制器，内嵌主控模块、信号采集校正模块、霍尔信号解算模块、功率驱动模块、轮速估算模块、功率逆变开关击穿故障诊断模块、主辅霍尔信号冗余校验模块和主辅霍尔信号规则序列校验模块；(2)整车轮速对比模块；本发明基于信号特性分析原理，针对功率逆变开关击穿故障，提出比较导通相电流和入地电流的在板诊断方法；针对轮毂电机霍尔传感器失效故障，提出了主辅霍尔信号冗余校验、主辅霍尔信号规则序列校验和整车轮速对比的在板诊断和整车诊断相结合的诊断方法；采用以上方法可极大提高电动汽车驱动系统的可靠性。

Description

一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器

技术领域

本发明涉及电动汽车诊断控制领域，特别涉及一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器。

背景技术

被称为绿色环保汽车的电动汽车，因其具有零排放污染和节约石油资源等优点，已经受到了广泛的重视。电动汽车有四个关键性技术：电池技术、驱动控制技术、整车技术和能源管理技术。而驱动控制技术作为其核心部分，其性能的优异程度直接影响到电动汽车行驶的安全性能。众所周知，由于其在应用中受到频繁加载和工作环境恶劣等因素的影响，电动汽车驱动系统出现故障是不可避免的。

目前，电动汽车驱动系统故障诊断的方法可以分为两种：在板诊断(On-boardDiagnostic)和整车诊断(Vehicle Diagnostic)。在板诊断的原理是：电动汽车正常运行时，其驱动系统的输入、输出信号的电压值都有一定的变化范围，当某一信号的电压值超出了这一范围，并且这一现象在一段时间内不消失，可判断驱动系统出现故障，并把这一故障以代码的形式存入内部随机存储器，同时点亮仪表板上的故障指示灯提醒驾驶员。整车诊断的原理是：驱动系统通过车载总线将其运行信息发送到整车控制器，再判断运行信息的运行参数值是否均在对应的参数值范围内，若是，表明运行信息正常；否则，表明包含有不在对应的参数值范围内的异常运行信息，根据异常运行信息查询本地的故障诊断数据库，从故障诊断数据库中读取对应于异常运行信息的故障信息。

上述故障诊断方法存在以下几方面问题：

1、在板诊断虽然可以快速准确的诊断电动汽车驱动系统故障，但是无法诊断诸如功率驱动模块中的逆变电路等硬件电路的元件击穿故障。

2、整车诊断针对多个电子控制系统进行故障诊断，驱动系统只是其中之一，其运行信息通过车载总线传输，必然占用大量的总线时间，间接延长了故障诊断的时间，反而增加了发生危险的概率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题，提供一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，采用基于信号特性分析的故障诊断方法，将在板诊断技术和整车诊断技术相结合，以保证良好的加载特性和制动特性为前提，旨在提高了电动汽车驱动系统可靠性。

本发明提供一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，包括：主控模块5、信号采集校正模块6、霍尔信号解算模块7、功率驱动模块8、轮速估算模块9、功率逆变开关击穿故障诊断模块10、主辅霍尔信号冗余校验模块11、主辅霍尔信号规则序列校验模块12和整车轮速对比模块13。

其中，主控模块5、信号采集校正模块6、霍尔信号解算模块7、功率驱动模块8、轮速估算模块9、功率逆变开关击穿故障诊断模块10、主辅霍尔信号冗余校验模块11和主辅霍尔信号规则序列校验模块12内嵌在左前/右前/左后/右后轮驱动控制器中；整车轮速对比模块通过车载总线接收左前/右前/左后/右后轮轮速，并在整车控制器内进行轮速对比。

主控模块5，内嵌主控芯片及其最小电路，主控芯片采用美国德州仪器公司的数字信号处理器DSP TMS320F2812。

信号采集校正模块6，内嵌母线电压采集端口、电流采集端口、校正电压采集端口，并通过校正处理来修正由主控芯片零点漂移引起的AD转换误差。

霍尔信号解算模块7，将霍尔信号解算成主控芯片比较方式控制寄存器值，参照轮毂电机换向相序使之输出相应的PWM驱动信号，并将采集的主辅霍尔信号发送到主辅霍尔信号冗余校验模块和主辅霍尔信号规则序列校验模块。

功率驱动模块8，内嵌驱动电路和功率逆变电路，在功率逆变电路的入地端和轮毂电机相端加入电流传感器，并将采集的入地电流信号和相电流信号发送到功率逆变开关击穿故障诊断模块。

轮速估算模块9，主控模块5通过轮毂电机霍尔信号的高低电平变化来触发主控芯片的捕获中断，通过记录相邻两次中断的间隔时间来估算轮毂电机的轮速，并将轮速值发送到整车轮速对比模块。

功率逆变开关击穿故障诊断模块10，主控模块5通过比较入地电流和轮毂电机导通相电流是否相等来诊断左前/右前/左后/右后轮驱动控制器的功率逆变电路的功率逆变开关击穿故障。由于电机导通相和地构成同一回路，故导通相电流和入地电路必然相等；反之，如果功率逆变电路的某个功率开关被击穿，必然导致轮毂电机相应的相出现短路，短路相电流为零，显然入地电流不为零。

主辅霍尔信号冗余校验模块11，主控模块5通过轮毂电机自带的两组霍尔传感器进行信号冗余校验来诊断左前/右前/左后/右后轮毂电机霍尔传感器是否失效。

主辅霍尔信号规则序列校验模块12，轮毂电机的霍尔信号在相邻换向周期内的变化规律是固定的，主控模块5利用这种固定规律即可诊断左前/右前/左后/右后轮毂电机的霍尔传感器是否失效。

整车轮速对比模块13，通过车载总线接收轮速估算模块对左前/右前/左后/右后轮毂电机的轮速估算值，如果某个轮毂电机的估算轮速值的相对误差超过阈值，说明相应的轮毂电机霍尔传感器失效。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、采用AD校正的方法解决由主控芯片零点漂移引起AD转换精度降低的问题，使得电动汽车驱动系统可靠性更高、适用性强更强。

2、采用比较导通相电流和入地电流的方法来诊断和定位功率逆变电路的功率逆变开关击穿故障，其诊断方法原理简单、易于实现。

3、采用在板诊断和整车诊断相结合的轮毂电机霍尔传感器失效故障诊断模式，使得其故障诊断的准确率大大提高。

附图说明：

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的校正处理方法框图。

图3是本发明的霍尔信号示意图。

图4是本发明的功率逆变电路结构框图。

图5是本发明的霍尔信号解算程序流程图。

图6是本发明的功率逆变开关击穿故障诊断程序流程图。

图7是本发明的主辅霍尔信号规则序列校验程序流程图。

图8是本发明的轮速估算程序流程图。

具体实施方式：

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

图1表示本发明的结构框图，包括：主控模块5、信号采集校正模块6、霍尔信号解算模块7、功率驱动模块8、轮速估算模块9、功率逆变开关击穿故障诊断模块10、主辅霍尔信号冗余校验模块11、主辅霍尔信号规则序列校验模块12、整车轮速对比模块13。

主控模块5采用德州仪器公司生产的数字信号处理器TMS320F2812为主控芯片，该处理器具有单周期32×32位的乘法累加功能，能够完成64位的数据处理，可方便地实现软件升级。此外，还包括丰富的外设单元：12位高精度AD转换器、面向电机控制的事件管理器、增强型总线控制器等功能模块，由于控制灵活且抗干扰能力强，非常适合于轮毂电机控制系统。

信号采集校正模块6，内嵌了母线电压采集端口、电流采集端口、参考电压采集端口，其中母线电压信号经外部电阻输入到隔离放大器ACPL-782T后转换为正比于母线电压的单端信号；电流传感器选用ACS755LCB-050；所有外部采集信号经以上接口集中输入，接入主控芯片的ADINA1～ADINA7引脚，然后通过参考电压(1.8V和2.5V)的模拟量及其数字量来校正AD转换过程中由主控芯片的零点漂移引起的偏移误差和增益误差。

霍尔信号解算模块7，内嵌主辅霍尔信号采集端口，主辅霍尔信号经RC滤波和两次反向处理后，接入主控芯片的CAP1～CAP6引脚。主控芯片将主辅霍尔信号解算成主控芯片比较方式控制寄存器值，参照轮毂电机换向相序，输出与霍尔信号对应的PWM信号来驱动功率驱动模块。

功率驱动模块8，内嵌驱动电路和功率逆变电路，主控芯片输出的PWM驱动信号首先经过总线收发器74HC245，起到将驱动信号电平转换、提高驱动信号负载能力以及隔离驱动模块与主控模块的作用。然后，三路高侧开关信号PWM1、PWM3、PWM5分别接入驱动芯片IR2130的HIN1、HIN2、HIN3引脚，三路低侧开关信号PWM2、PWM4、PWM6分别接入驱动芯片IR2130的HIN4、HIN5、HIN6引脚。PWM驱动信号经过驱动芯片后，其高侧开关信号需要经过自举电路进行升压，以达到功率逆变模块的功率开关的驱动电压。PWM调制方式采用上管调制下管常闭的单极性调制，这种方式具有调制电流脉动小的优点，同时RC滤波电路可避免电压和电流浪涌，抑制干扰。

轮速估算模块9，主控模块5通过轮毂电机霍尔信号的高低电平变化来触发主控芯片的捕获中断，记录相邻两次中断的间隔时间即转子经过1/120圈(极对数为20)的时间，通过上述方法来估算轮毂电机的轮速，并将估算的轮速发送到整车轮速对比模块。

主辅霍尔信号冗余校验模块11,主控模块5通过轮毂电机自带的两组霍尔传感器进行信号冗余校验来诊断左前/右前/左后/右后轮毂电机霍尔传感器是否失效。

图2表示本发明的校正处理程序流程图。下面结合校正方法来说明校正处理程序流程图，AD转换的输入模拟电压和转换后的数字量的关系为：

V＝(D×3)/4095 (1)

上式中，V为输入的模拟电压，D为转换后的数字量。

经式(1)换算后的模拟电压与实际电压理论上应该大小相等。但是如果主控芯片出现零点漂移，经式(1)换算后的模拟电压则与实际电压值存在一定的误差，即AD转换误差，经式(1)换算后的模拟电压(X)与实际电压(Y)的对应关系(即校正方程)表示为：

Y＝KX+B (2)

式中，K为增益误差系数，B为偏移误差系数。

取两路校正电压(1.8V和2.5V)经过AD转换后再通过(1)式换算成V₁和V₂，最后把(V₁1.8)和(V₂2.5)代入(2)式，求得增益误差系数(K)和偏移误差系数(B)。

K＝(2.5-1.8)/(V₂-V₁) (3)

B＝(2.5×V₁-1.8×V₂)/(V₂-V₁) (4)

再将增益误差系数和偏移误差系数代入(2)式，这样，把信号采集模块采集的母线电压信号、相电流和入地电流信号经AD转换后换算的模拟电压反代入式(2)，经过校正处理即可得到上述信号准确的实际电压。

步骤S201输入两路校正电压、母线电压信号、相电流和入地电流信号。

步骤S202计算增益误差系数，计算公式见式(3)。

步骤S203计算偏移误差系数，计算公式见式(4)。

步骤S204代入增益误差系数和偏移误差系数得出校正方程，计算公式见式(2)。

步骤S205把母线电压信号、相电流和入地电流信号代入校正方程，得出校正处理后的准确的实际电压。

图3表示本发明的霍尔信号示意图。该轮毂电机带有三个安装方式为60°的霍尔传感器，霍尔信号为脉冲宽度为180°电角度、依次滞后60°、占空比为50％的PWM波形，转子每隔60°电角度进行1次换向，6次换向为一个换向周期。轮毂电机驱动模式时一个换向周期内三路霍尔信号为001、000、100、110、111、011，对应的轮毂电机导通相为UW、UV、WV、WU、VU、VW。轮毂电机制动模式时一个换向周期内三路霍尔信号为011、111、110、100、000、001，对应的轮毂电机导通相为WU、VU、VW、UW、UV、WV。

图4是本发明的功率逆变电路结构框图。功率逆变电路由六个功率逆变开关组成，上桥臂由功率逆变开关1、功率逆变开关3和功率逆变开关5组成，下桥臂由功率逆变开关2、功率逆变开关4和功率逆变开关6组成。

图5是本发明的霍尔信号解算程序流程图。主控芯片的比较方式控制寄存器的低12位数据代表输出PWM1～PWM6的输出方式，二进制数10代表高有效(调制上桥臂功率逆变开关1/3/5)、11代表强制高(常开下桥臂功率逆变开关2/4/6)，即上管调制下管常闭的PWM调制方式，首先根据模式标志位判断控制器的工作模式。

如果模式标志位为1，则进入步骤S501驱动模式，执行驱动相序解算：

霍尔信号为001时进入步骤S503，比较方式控制寄存器值为0C02(0000110000000010)，输出控制信号PWM1/PWM6驱动功率逆变开关1/功率逆变开关6。

霍尔信号为000时进入步骤S504，比较方式控制寄存器值为00C2(0000000011000010)，输出控制信号PWM1/PWM4驱动功率逆变开关1/功率逆变开关4。

霍尔信号为100时进入步骤S505，比较方式控制寄存器值为02C0(0000001011000000)，输出控制信号PWM5/PWM4驱动功率逆变开关5/功率逆变开关4。

霍尔信号为110时进入步骤S506，比较方式控制寄存器值为020C(0000001000001100)，输出控制信号PWM5/PWM2驱动功率逆变开关5/功率逆变开关2。

霍尔信号为111时进入步骤S507，比较方式控制寄存器值为002C(0000000000101100)，输出控制信号PWM3/PWM2驱动功率逆变开关3/功率逆变开关2。

霍尔信号为011时进入步骤S508，比较方式控制寄存器值为0C20(0000110000100000)，输出控制信号PWM3/PWM6驱动功率逆变开关3/功率逆变开关6。

如果模式标志位为0，则进入步骤S502制动模式，执行制动相序解算：

霍尔信号为001时进入步骤S509，比较方式控制寄存器值为020C(0000001000001100)，输出控制信号PWM5/PWM2驱动功率逆变开关5/功率逆变开关2。

霍尔信号为000时进入步骤S510，比较方式控制寄存器值为002C(0000000000101100)，输出控制信号PWM3/PWM2驱动功率逆变开关3/功率逆变开关2。

霍尔信号为100时进入步骤S511，比较方式控制寄存器值为0C20(0000110000100000)，输出控制信号PWM3/PWM6驱动功率逆变开关3/功率逆变开关6。

霍尔信号为110时进入步骤S512，比较方式控制寄存器值为0C02(0000110000000010)，输出控制信号PWM1/PWM6驱动功率逆变开关1/功率逆变开关6。

霍尔信号为111时进入步骤S513，比较方式控制寄存器值为00C2(0000000011000010)，输出控制信号PWM1/PWM4驱动功率逆变开关1/功率逆变开关4。

霍尔信号为011时进入步骤S514，比较方式控制寄存器值为02C0(0000001011000000)，输出控制信号PWM3/PWM6驱动功率逆变开关3/功率逆变开关6。

图6是本发明的功率逆变开关击穿故障诊断程序流程图。

霍尔信号为001时进入步骤S601，轮毂电机导通相为UW，正常情况下U相电流＝W相电流＝入地电流；如果U相电流≠入地电流，说明功率逆变开关1击穿导致U相电流＝0；如果W相电流≠入地电流，说明功率逆变开关6击穿导致W相电流＝0。

霍尔信号为000时进入步骤S602，轮毂电机导通相为UV，正常情况下U相电流＝V相电流＝入地电流；如果U相电流≠入地电流，说明功率逆变开关1击穿导致U相电流＝0；如果V相电流≠入地电流，说明功率逆变开关4击穿导致V相电流＝0。

霍尔信号为100时进入步骤S603，轮毂电机导通相为WV，正常情况下W相电流＝V相电流＝入地电流；如果W相电流≠入地电流，说明功率逆变开关5击穿导致W相电流＝0；如果V相电流≠入地电流，说明功率逆变开关4击穿导致V相电流＝0。

霍尔信号为110时进入步骤S604，轮毂电机导通相为WU，正常情况下W相电流＝U相电流＝入地电流；如果W相电流≠入地电流，说明功率逆变开关5击穿导致W相电流＝0；如果U相电流≠入地电流，说明功率逆变开关2击穿导致U相电流＝0。

霍尔信号为111时进入步骤S605，轮毂电机导通相为VW，正常情况下V相电流＝W相电流＝入地电流；如果V相电流≠入地电流，说明功率逆变开关3击穿导致V相电流＝0；如果W相电流≠入地电流，说明功率逆变开关2击穿导致W相电流＝0。

霍尔信号为011时进入步骤S606，轮毂电机导通相为VU，正常情况下V相电流＝U相电流＝入地电流；如果V相电流≠入地电流，说明功率逆变开关3击穿导致V相电流＝0；如果U相电流≠入地电流，说明功率逆变开关6击穿导致U相电流＝0。

通过以上方法，可以准确地诊断出功率逆变电路中哪个功率逆变开关被击穿。

图7是本发明的主辅霍尔信号规则序列校验程序流程图。轮毂电机驱动时的一个换向周期内三路霍尔信号为001、000、100、110、111、011，此为霍尔信号规则序列。

步骤S701读取上一时刻霍尔信号。

步骤S702判断步骤S701读取的霍尔信号是否符合霍尔信号规则序列，如果不符合或者超出霍尔信号规则序列，说明三路霍尔信号中至少有一路出现故障，据此判定轮毂电机霍尔传感器失效。

步骤S703～S708为设定霍尔信号规则序列。

步骤S703为设定霍尔信号001上一时刻的霍尔信号为011。

步骤S704为设定霍尔信号000上一时刻的霍尔信号为001。

步骤S705为设定霍尔信号100上一时刻的霍尔信号为000。

步骤S706为设定霍尔信号110上一时刻的霍尔信号为100。

步骤S707为设定霍尔信号111上一时刻的霍尔信号为110。

步骤S708为设定霍尔信号011上一时刻的霍尔信号为111。

图8是本发明的轮速估算程序流程图。轮毂电机的极对数为20，故转子每经过1转触发120次中断(即每次中断转子经过1/120转)，通过计算相邻两次中断发生的间隔时间来估算电机转速。

步骤S801读取上次捕获中断发生时刻计数器的计数值。

步骤S802记录当前捕获中断发生时刻计数器的计数值。

接下来判断当前捕获中断发生时计数器是否发生溢出，即定时器计数值超过65535，可通过查询定时器周期中断标志位来判断是否发生溢出。

如果发生溢出则进入步骤S803，记录发生溢出的次数。

步骤S804计算发生溢出情况下相邻两次中断的间隔时间，计算公式为：相邻两次中断的计数差＝当前时刻发生捕获中断时的计数值-上次捕获中断发生时刻计数器的计数值+溢出次数×65535，再乘以计数周期即可得到相邻两次中断的间隔时间。

如果没有发生溢出则进入步骤S805步骤，计算没有发生溢出情况下相邻两次中断的间隔时间，计算公式为：相邻两次中断的计数差＝当前时刻发生捕获中断时的计数值-上次捕获中断发生时刻计数器的计数值，再乘以计数周期即可得到相邻两次中断的间隔时间。

步骤S806更新捕获中断计数器的计数值。

步骤S807计算轮速，计算公式为：轮速＝60.0/(1.7×10^-6×120×相邻两次中断的间隔时间)，其中1.7×10^-6为计数周期，常数120为转子每经过一转发生120次中断，再乘以常数60将单位转/秒转换为转/分。

Claims

1.一种电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，具备：

主控模块，内嵌主控芯片及其最小电路；

信号采集校正模块，内嵌母线电压采集端口、电流采集端口、校正电压采集端口，同时通过校正处理来修正由主控芯片零点漂移引起的AD转换误差；

霍尔信号解算模块，采集主辅霍尔信号并将其解算成主控芯片比较方式控制寄存器值，参照轮毂电机换向相序使之输出相应的PWM信号；

功率驱动模块，内嵌驱动电路和功率逆变电路，在入地端和轮毂电机相端加入电流传感器采集入地电流和相电流；

轮速估算模块，通过轮毂电机霍尔信号估算轮毂电机的轮速；

针对功率逆变电路的功率开关击穿故障，设计了功率逆变开关击穿故障诊断模块；

针对轮毂电机霍尔传感器失效故障，设计了主辅霍尔信号冗余校验模块、主辅霍尔信号规则序列校验模块和整车轮速对比模块；

其中，主控模块、信号采集校正模块、霍尔信号解算模块、功率驱动模块、轮速估算模块、功率逆变开关击穿故障诊断模块、主辅霍尔信号冗余校验模块和主辅霍尔信号规则序列校验模块内嵌在左前/右前/左后/右后轮驱动控制器中；整车轮速对比模块通过车载总线接收左前/右前/左后/右后轮轮速，并在整车控制器内进行轮速对比。

2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，其特征在于，所述的信号校正处理：通过参考电压的模拟量及其数字量求解AD转换过程中存在的增益误差系数和偏移误差系数，并用其来校正由主控芯片零点飘移引起的AD转换误差。

3.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，其特征在于，所述的功率逆变开关击穿故障诊断模块：由于电机导通相和地构成同一回路，故导通相电流和入地电路必然相等；反之，如果功率逆变电路的某个功率开关被击穿，必然导致轮毂电机相应的相出现短路，短路相电流为零，显然入地电流不为零；通过比较入地电流和轮毂电机导通相电流是否相等来诊断左前/右前/左后/右后轮驱动控制器的功率逆变开关击穿故障。

4.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，其特征在于，所述的主辅霍尔信号冗余校验模块：通过轮毂电机自带的两组霍尔传感器进行冗余诊断来判断左前/右前/左后/右后轮毂电机的霍尔传感器是否失效。

5.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，其特征在于，所述的主辅霍尔信号规则序列校验模块：轮毂电机霍尔信号在相邻的换向周期内变化规律是固定的，利用这种固定规律即可诊断左前/右前/左后/右后轮毂电机的霍尔传感器是否失效。

6.根据权利要求1所述的电动汽车驱动系统故障诊断集中控制器，其特征在于，所述的整车轮速对比模块：通过车载总线接收轮速估算模块对左前/右前/左后/右后轮毂电机的轮速估算值，如果某个轮毂电机的估算轮速值的相对误差超过阈值，说明相应的轮毂电机霍尔传感器失效。