CN105372075B - 具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无刷直流电子水泵的故障诊断系统，包括观测器和故障分析模块，观测器输入电机角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。本发明仅用传感器检测输出作为数据标定，建立观测器模型，对水泵进行故障诊断。

Description

具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器及诊断方法

技术领域

本发明属于汽车发动机冷却系统技术领域，具体涉及一种具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器及诊断方法。

背景技术

无刷直流电机水泵使用永磁无刷直流电机的原理，在其转子上加上叶轮，在外壳结构上设计成使液体作离心运动的腔体构成，因没有碳刷摩擦，所以不会产生火花。具有效率高、低功耗、比有刷电机寿命长、噪音低等特点。所以无刷直流电机水泵在汽车行业中被广泛运用。

目前，汽车的冷却系统中多采用传统的机械水泵，然而随着新能源汽车的发展和国家对新能源汽车的扶持力度加大，越来越多的纯电动汽车投入市场，然而传统的机械水泵并不方便用于纯电动汽车中，所以无刷直流电子水泵得到了广泛的应用具有非常好的市场前景。

然而由于各种原因会造成水泵在运行时处于空转或堵转状态，这不仅会对水泵本身造成损伤，更严重的话汽车中发热部件因冷却系统中冷却液不足而过热产生更大损害，有生命财产安全隐患，然而现有的无刷直流电子水泵并未对水泵可能出现的故障进行有效的诊断，尤其是有可能导致冷却系统出现致命后果的堵转和干转等故障。在汽车运行环境中，电磁干扰特别严重，如果使用传感器来检测水泵输出进行故障诊断当传感器出现故障时很容易发生误断或者失效，同时在非精确测量要求下可以替代流量、扬程传感器硬件实体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器及诊断方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种无刷直流电子水泵的故障诊断系统，其特征在于：它包括观测器和故障分析模块，其中，

所述的观测器是利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；

故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

按上述系统，所述的水泵运行故障分析模块分析当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内时，当负载矩阵的观测值为0时，判定为水泵发生空转故障；当负载矩阵的观测值小于负载转矩范围，判定为水循环管道堵死；当负载矩阵的观测值大于负载转矩范围，判定为叶轮卡死。

按上述系统，所述的故障分析模块还包括传感器故障分析模块；传感器故障分析模块用于将传感器采集到的流量和扬程与流量理论值和扬程理论值比较，当差值超过设定的阈值时，则判断该传感器故障，所述的流量理论值和扬程理论值通过在无刷直流电子水泵的叶轮恒定的情况下，对叶轮实物的实验操作和检测，得到以电机机械角速度与转矩做为自变量，流量与扬程为因变量的图，进而当诊断水泵为正常运行时，则进一步对传感器进行诊断，得到电机机械角速度与转矩的观测值后，在图中读出相应的流量、扬程的值，作为流量理论值和扬程理论值。

一种利用上述无刷直流电子水泵的故障诊断系统实现的故障诊断方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用建立的观测器，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；所述的观测器利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的；

S2、将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

按上述方法，所述的观测器按以下步骤建立：

1)对无刷直流电机进行建模，得到空间状态方程为：

其中：

式中：U_d为控制电压，T_l为负载转矩，i为电枢电流，W_n为电机机械角速度。A、B、C、D为参数矩阵，其中，R为单相电枢电阻，L为单相电枢绕组自感，M为电枢绕组互感，P为电机极对数，N为绕组匝数，S为绕组在定子内径表面围成的面积，B_m为转子永磁体气隙磁密分布的最大值，J为转子转动惯量，B_v为黏滞摩擦系数，K_T为电机转矩系数；其中U_d、i、W_n通过传感器检测或计算出实际值，T_l未知；

2)对于上述空间状态方程(1)，建立相应的比例积分观测器为：

式中，为观测器模拟的状态向量和输出向量，y为实际的输出向量，f为积分器输出，K_I、K_P分别为积分系数与比例系数。

由公式(2)、(1)得出状态空间形式为：

(3)式即为建立的观测器模型；

定义为状态估计误差，由公式(3)、(1)式可得

3)在水泵运行时，将U_d、W_n信号输入到观测器模型(3)中，得到T_l的观测值。

一种具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器，其特征在于：它包括：

电源模块，包括电源电压纹波滤波电容、稳压电容、防反电路；

逆变桥，用于按主控模块输出的PWM信号，将电源模块输出的直流电压进行逆变，为永磁电机绕组提供交流电压，驱动永磁电机运行；

反电动势检测模块，用于对永磁电机中的三相绕组的反电动势信号进行采集、调理、滤波、量化并输入给主控模块；

电流采集模块，用于采集电源的输入电流给主控模块，设置过电流保护，防止控制器过流损毁；

水泵输出检测模块，用于运用传感器检测水泵的流量与扬程并转化为电信号通过A/D转换输入给主控模块；

通讯模块，用于主控模块与上位机通讯，将故障代码输送至上位机；

主控模块，包括PID控制模块、PWM信号生成模块、观测器和故障诊断模块，其中PID控制模块用于接收水泵实际的电机机械角速度与给定的目标电机机械角速度相比较，过PID算法得到控制电压分别给PWM信号生成模块和观测器；PWM信号生成模块用于接收控制电压和反电动势信号并生成PWM信号给逆变桥；观测器利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；

故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

本发明的有益效果为：

1、仅用传感器检测输出作为数据标定，建立观测器模型，对水泵进行故障诊断，使用户可以及时了解并及时停车，防止汽车中发热部件因冷却系统中冷却液不足而过热产生更大损害，还能够方便维修人员及时排查故障原因并维修；同时采用观测器进行故障诊断可以在对数据标定没有要求的情况下或者进行实验台架标定后，在实体实施中取消传感器，节约硬件成本。因此本发明公开的技术在汽车行业具有很高的实际应用价值。同时本发明的技术采用基于模型的故障诊断方法，可以在后续的研究中加入更多的故障诊断内容，兼容性强。

2、进一步的，在对水泵进行故障诊断时，加入对传感器的故障诊断，避免因传感器的故障产生的误断或失效。

3、进一步的，细化故障的类别，直接得出故障类型上报，使用户无需二次诊断，提高效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统组成框图。

图2为本发明的基于模型的故障诊断方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

一种无刷直流电子水泵的故障诊断系统，包括观测器和故障分析模块，其中，

所述的观测器是利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；

故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

优选的，所述的水泵运行故障分析模块分析当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内时，当负载矩阵的观测值为0时，判定为水泵发生空转故障；当负载矩阵的观测值小于负载转矩范围，判定为水循环管道堵死；当负载矩阵的观测值大于负载转矩范围，判定为叶轮卡死。

进一步优选的，所述的故障分析模块还包括传感器故障分析模块；传感器故障分析模块用于将传感器采集到的流量和扬程与流量理论值和扬程理论值比较，当差值超过设定的阈值时，则判断该传感器故障，所述的流量理论值和扬程理论值通过在无刷直流电子水泵的叶轮恒定的情况下，对叶轮实物的实验操作和检测，得到以电机机械角速度与转矩做为自变量，流量与扬程为因变量的图，进而当诊断水泵为正常运行时，则进一步对传感器进行诊断，得到电机机械角速度与转矩的观测值后，在图中读出相应的流量、扬程的值，作为流量理论值和扬程理论值。

一种利用上述无刷直流电子水泵的故障诊断系统实现的故障诊断方法，如图2所示，它包括以下步骤：

S1、利用建立的观测器，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；所述的观测器利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的；

S2、将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

观测器的工作原理：因为不分析其内部换相控制算法，只分析其反电势和电磁转矩生成的原理和过程，所以其数学模型与传统的有刷直流电机完全类似。换相过程引起换相转矩脉动，是无刷直流电机重要的动态过程。但是由于其持续时间相对很短，对电气量的有效值影响小，因此在推导中将其忽略以简化计算。

本实施例中，所述的观测器按以下步骤建立：

1)对无刷直流电机进行建模，得到空间状态方程为：

其中：

式中：U_d为控制电压，T_l为负载转矩，i为电枢电流，W_n为电机机械角速度。A、B、C、D为参数矩阵，其中，R为单相电枢电阻，L为单相电枢绕组自感，M为电枢绕组互感，P为电机极对数，N为绕组匝数，S为绕组在定子内径表面围成的面积，B_m为转子永磁体气隙磁密分布的最大值，J为转子转动惯量，B_v为黏滞摩擦系数，K_T为电机转矩系数；其中U_d、i、W_n通过传感器检测或计算出实际值，T_l未知；

2)对于上述空间状态方程(1)，建立相应的比例积分观测器为：

式中，为观测器模拟的状态向量和输出向量，y为实际的输出向量，f为积分器输出，K_I、K_P分别为积分系数与比例系数。

由公式(2)、(1)得出状态空间形式为：

(3)式即为建立的观测器模型；

定义为状态估计误差，由公式(3)、(1)式可得

3)在水泵运行时，将U_d、W_n信号输入到观测器模型(3)中，得到T_l的观测值。

图1为本发明一实施例的系统组成框图，一种具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器，包括：

电源模块，包括电源电压纹波滤波电容、稳压电容、防反电路，给整个控制器提供输入电压电流；

逆变桥，用于按主控模块输出的PWM信号，将电源模块输出的直流电压进行逆变，为永磁电机绕组提供交流电压，驱动永磁电机运行；

反电动势检测模块，用于对永磁电机中的三相绕组的反电动势信号进行采集、调理、滤波、量化并输入给主控模块；

电流采集模块，用于采集电源的输入电流给主控模块，设置过电流保护，防止控制器过流损毁；

水泵输出检测模块，用于运用传感器检测水泵的流量与扬程并转化为电信号通过A/D转换输入给主控模块；

通讯模块，用于主控模块与上位机通讯，将故障代码输送至上位机；

主控模块，包括PID控制模块、PWM信号生成模块、观测器和故障诊断模块，其中PID控制模块用于接收水泵实际的电机机械角速度与给定的目标电机机械角速度相比较，过PID算法得到控制电压分别给PWM信号生成模块和观测器；PWM信号生成模块用于接收控制电压和反电动势信号并生成PWM信号给逆变桥；观测器利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；

故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无刷直流电子水泵的故障诊断系统，其特征在于：它包括观测器和故障分析模块，其中，

所述的观测器是利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；

故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到；

所述的故障分析模块还包括传感器故障分析模块；传感器故障分析模块用于将传感器采集到的流量和扬程与流量理论值和扬程理论值比较，当差值超过设定的阈值时，则判断该传感器故障，所述的流量理论值和扬程理论值通过在无刷直流电子水泵的叶轮恒定的情况下，对叶轮实物的实验操作和检测，得到以电机机械角速度与转矩作为自变量，流量与扬程为因变量的图，进而当诊断水泵为正常运行时，则进一步对传感器进行诊断，得到电机机械角速度与转矩的观测值后，在图中读出相应的流量、扬程的值，作为流量理论值和扬程理论值。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电子水泵的故障诊断系统，其特征在于：所述的水泵运行故障分析模块分析当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内时，当负载矩阵的观测值为0时，判定为水泵发生空转故障；当负载矩阵的观测值小于负载转矩范围，判定为水循环管道堵死；当负载矩阵的观测值大于负载转矩范围，判定为叶轮卡死。

3.一种利用权利要求1所述的无刷直流电子水泵的故障诊断系统实现的故障诊断方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用建立的观测器，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；所述的观测器利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的；

S2、将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到。

4.根据权利要求3所述的故障诊断方法，其特征在于：所述的观测器按以下步骤建立：

1)对无刷直流电机进行建模，得到空间状态方程为：

其中：

式中：U_d为控制电压，T_l为负载转矩，i为电枢电流，W_n为电机机械角速度；A、B、C、D为参数矩阵，其中，R为单相电枢电阻，L为单相电枢绕组自感，M为电枢绕组互感，P为电机极对数，N为绕组匝数，S为绕组在定子内径表面围成的面积，B_m为转子永磁体气隙磁密分布的最大值，J为转子转动惯量，B_v为黏滞摩擦系数，K_T为电机转矩系数；其中U_d、i、W_n通过传感器检测或计算出实际值，T_l未知；

2)对于上述空间状态方程(1)，建立相应的Luenberger观测器为：

式中，为观测器模拟的状态向量和输出向量，y为实际的输出向量，f为积分器输出，K_I、K_P分别为积分系数与比例系数；

由公式(2)、(1)得出状态空间形式为：

(3)式即为建立的观测器模型；

定义为状态估计误差，由公式(3)、(1)式可得

预设增益矩阵K_P和K_I的值，使的特征值均在左复半平面，则式(4)中动态系统最后收敛到其平衡点积分器输出值f即为T_l的观测值；

3)在水泵运行时，将U_d、W_n信号输入到观测器模型(3)中，得到T_l的观测值。

5.一种具有故障诊断功能的无刷直流电子水泵控制器，其特征在于：它包括：

电源模块，包括电源电压纹波滤波电容、稳压电容、防反电路；

逆变桥，用于按主控模块输出的PWM信号，将电源模块输出的直流电压进行逆变，为永磁电机绕组提供交流电压，驱动永磁电机运行；

反电动势检测模块，用于对永磁电机中的三相绕组的反电动势信号进行采集、调理、滤波、量化并输入给主控模块；

电流采集模块，用于采集电源的输入电流给主控模块，设置过电流保护，防止控制器过流损毁；

水泵输出检测模块，用于运用传感器检测水泵的流量与扬程并转化为电信号通过A/D转换输入给主控模块；

通讯模块，用于主控模块与上位机通讯，将故障代码输送至上位机；

主控模块，包括PID控制模块、PWM信号生成模块、观测器和故障诊断模块，其中PID控制模块用于接收水泵实际的电机机械角速度与给定的目标电机机械角速度相比较，过PID算法得到控制电压分别给PWM信号生成模块和观测器；PWM信号生成模块用于接收控制电压和反电动势信号并生成PWM信号给逆变桥；观测器利用对无刷直流电机建立空间状态方程、并根据空间状态方程而建立的，输入电机机械角速度和控制电压，得到负载转矩的观测值；所述的电机机械角速度通过传感器实际测得，所述的控制电压通过原有的无刷直流电子水泵控制系统得到；

故障分析模块包括水泵运行故障分析模块；水泵运行故障分析模块用于将观测器获得的负载矩阵的观测值与设定的负载转矩范围相比较，当所得的负载矩阵的观测值不在负载转矩范围内，则判断水泵运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水泵正常运行时采集若干个负载转矩的观测值并计算其算术平均值和标准差，选取适当倍数，从而得到；

所述的故障分析模块还包括传感器故障分析模块；传感器故障分析模块用于将传感器采集到的流量和扬程与流量理论值和扬程理论值比较，当差值超过设定的阈值时，则判断该传感器故障，所述的流量理论值和扬程理论值通过在无刷直流电子水泵的叶轮恒定的情况下，对叶轮实物的实验操作和检测，得到以电机机械角速度与转矩作为自变量，流量与扬程为因变量的图，进而当诊断水泵为正常运行时，则进一步对传感器进行诊断，得到电机机械角速度与转矩的观测值后，在图中读出相应的流量、扬程的值，作为流量理论值和扬程理论值。