CN109143136A - 用于测量和诊断模拟输入传感器的初始偏移的系统和方法 - Google Patents

用于测量和诊断模拟输入传感器的初始偏移的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种电力系统包括多相电机、电池组、电力逆变器模块、模拟输入传感器和执行方法的诊断控制器。所述传感器测量电参数，所述电参数与参数的真实值相差初始偏移值。所述控制器收集参数的样本集，比较每个样本的初始偏移与第一诊断循环中的异常值阈值，并且当样本的初始偏移超过异常值阈值时，将指示异常值样本的位标志传输到较慢的第二诊断循环。所述第二控制循环计算所述样本集的初始偏移的滚动平均值，响应于位标志丢弃包含异常值样本的集，并且当平均值超过低于异常值阈值的阈值时执行控制动作。

Description

用于测量和诊断模拟输入传感器的初始偏移的系统和方法
背景技术
电力系统用于在各种有益的应用中提供可靠的扭矩源。电力系统通常包括经由电力逆变器连接到电池组的多相电机。当电机的各相绕组使用脉宽调制或电力逆变器的其它类型的高速半导体开关控制而被供能时，电机的输出轴输送限定的扭矩。旋转输出轴交替地为耦合负载供电或者根据电机的操作模式和配置产生电力。
对电力系统的电机和其它连接的电力电子部件的功能的精确操作控制是基于对某些电参数的准确实时确定。为此，可以在电力系统内使用模拟输入传感器来直接测量和报告这些参数。模拟传感器具有称为初始偏移的性能质量，所述初始偏移描述传感器的电压输出读数与预期读数的基于偏压的偏差。例如，当使用0安培的电流传感器时，传感器可以输出对应于±15安培的电压，在该情况下，传感器的初始偏移是15安培。因此，为了改善精度，在控制系统中使用测量值之前，确定给定传感器的初始偏移并从传感器的报告值中减去所述初始偏移。
发明内容
本文描述的类型的电力系统具有一个或多个模拟输入传感器，诸如但不限于相电流传感器或电压总线传感器。还描述了一种用于测量和诊断这种传感器的初始偏移的相关方法。本方法旨在改善现有传感器诊断方法的稳健性，特别是响应于系统启动时可能在辅助(低电压)总线上发生的暂态电压骤降或下降。
在所公开的方法的示例性实施例中，诊断控制器的独立但相互关联的诊断循环一起用于收集和平均电数据样本集，其中诊断循环以比执行核心诊断功能更快的周期速度/循环速度执行数据收集功能。为了说明清晰，诊断控制循环在本文中被描述为“快速”和“慢速”，其中在一些实施例中快速循环可能在千赫兹(kHz)范围中操作并且慢速循环以约100Hz运行，或者快速循环比慢速循环快约1或2个数量级。
快速循环被配置成当给定电数据样本的初始偏移超过校准偏移阈值时设置位标志，其中校准偏移阈值设置成远远超过历史平均偏移。如本文所用，术语“远远超过”是指初始偏移的历史滚动平均值的至少约3-4倍，其中此类样本在本文中被称为“异常值样本”。当设置快速循环位标志时，慢速循环可以通过自动丢弃异常值样本所属的数据样本集来作出响应。此后，快速循环可能试图收集另一电数据样本集以替换丢弃的样本集。
同时，慢速循环执行X/Y快速通过过程，即，当所收集的数据样本的预定阈值(X)的平均值不在预定数量(Y)的连续样本集内时，对系统执行控制动作。以这种方式，本方法对本文所述类型的电力系统中的模拟输入传感器诊断计算机的整体操作准确性提供特定的改善。
还公开了一种经由上述方法控制的电力系统。所述系统可以包括具有多个相绕组和可旋转的输出轴的多相电机、连接到直流(DC)电压总线的电池组、电力逆变器模块(PIM)、模拟输入传感器和诊断控制器。PIM经由DC电压总线连接到电池组，并且经由相绕组连接到电机。模拟输入传感器测量电力系统的电参数，诸如相电流或电压或DC总线电压。
此实施例中的诊断控制器被配置成在系统启动时诊断初始偏移值。控制器通过以下动作来诊断：收集电参数的样本集并使用第一诊断循环将所收集的样本集中的每个样本的初始偏移与校准的异常值阈值进行比较，以及然后当一个或多个样本的初始偏移超过校准的异常值阈值时，将指示异常值样本的位标记从第一诊断循环传输到较慢的第二诊断循环。第二控制循环还被配置成计算所收集的样本集的初始偏移的滚动平均值，响应于位标志丢弃包含异常值样本的样本集，并且当所计算的滚动平均值超过低于异常值阈值的平均阈值时，对系统执行控制动作。
在某些实施例中，诊断控制器通过设置诊断代码或将诊断代码传输到控制器的存储器或远程装置(诸如经由车辆远程信息处理单元)来执行控制动作。
电力系统可以用作具有车轮和传动装置的机动车辆的一部分，其中电机具有经由传动装置连接到车轮的输出轴。
在另一个示例性实施例中，车辆包括传动装置和电力系统，在这种情况下，传感器被体现为多个模拟电流传感器，每个模拟电流传感器被配置成测量电机的对应相电流或电压。控制器被配置成响应于车辆的点火开启或钥匙开启事件来执行上述方法，并且在所计算的滚动平均值超过滚动平均阈值(例如，在校准的异常值阈值的25％和35％之间)时对系统执行控制动作。
根据以下结合附图对用于执行本公开的最佳模式的详细描述，本公开的上述和其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是具有电力系统、模拟输入传感器和被配置成执行用于诊断传感器的初始偏移值的方法的诊断控制器的示例性机动车辆的示意图。
图2A和图2B是关于控制器的相应缓慢和快速控制循环描述本方法的示例性实施例的逻辑流程图。
本公开容许各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已经通过附图中的示例示出并且将在本文中进行详细描述。本公开的新颖方面不限于附图中所示的特定形式。相反，本公开旨在涵盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的修改、等同物、组合或替代物。
具体实施方式
参考附图，其中贯穿几个视图，相同的参考标记指代相同的部件，图1描绘了具有一个或多个模拟输入传感器32的示例性电力系统20。传感器32可以以不同方式体现为单独的相电流或相电压传感器、直流(DC)电压总线传感器32A或具有预定输出电压范围(例如±0-5VDC)的其它类型的模拟输入传感器，其中该范围中的每个值对应于特定的测量输入值。例如，当使用传感器32时，可以在高电流实施例中测量±200A-600A的实际/真实值，或者在高电压实施例中测量±60-300VDC或更高的实际/真实值。测量的参数与真实值相差初始偏移值，如上所述并且在本领域中所理解。
电力系统20还包括诊断控制器(C)50，所述诊断控制器(C)被编程并且另外被配置成执行用于测量和诊断模拟输入传感器32或32A的初始偏移值的方法100的指令，所述方法在下文参考图2A和图2B的相应子例程100A和100B进行了详细描述。为了说明一致性，针对方法100描述了示例性应用，其中图1的电力系统20用作机动车辆10的一部分，诸如电池电动车辆或混合动力电动车辆，其中这种车辆10具有车身12和与路面16滚动接触的车轮14。然而，电力系统12不限于一般的移动应用或特定的汽车应用。可能的应用包括使用模拟输入传感器32或32A和如图1所示的其它基本电气部件构建的固定发电厂、设备、机器人和其它这样的系统。
电力系统20包括一个或多个电机(ME)22，当由电力逆变器模块(PIM)26将多相/交流输出电压(VAC)施加到电机22的各相绕组31时，一个或多个电机(ME)22被供能。PIM 26电连接到DC电压总线33，所述DC电压总线提供来自高电压电池组24(BHV)的DC电压(VDC)。DC-DC电压转换器28可以连接到DC电压总线33并且被控制以便将来自电池组24的电压电平降低到辅助电压总线(VAUX)上的较低电压辅助电平，例如12-15VDC。铅酸或其它合适的辅助电池(BAUX)30可以连接到DC-DC转换器28并且用于为诸如无线电、灯和辅助马达等的连接的辅助装置(未示出)供电。
关于电机22，此装置包括输出轴27，所述输出轴在电机22被供能时旋转，该输出轴响应于PIM 26的受控内部半导体开关操作而发生。输出轴27的旋转将马达输出扭矩(箭头TM)提供给连接的负载，例如示例性机动车辆10中的车轮14。在这样的实施例中，传动装置(T)23可以设置在电机22和车轮14之间，其中电机输出扭矩(箭头TM)最终通过一个或多个齿轮组或连续可变的皮带轮配置传递以提供传动装置输出扭矩(箭头TO)。类似地，内燃机(E)25可以在一些实施例中使用马达输出扭矩(箭头TM)例如在带式交流发电机起动器配置下转动曲柄和起动，其中发动机25与发动机扭矩(箭头TE)耦合，并经由合适的驱动连接36例如经由摩擦离合器或液力变矩器形式的输入离合器(CI)将发动机扭矩输送到传动装置23。
图1的诊断控制器50包括处理器(P)和存储器(M)，所述诊断控制器通过控制器区域网(CAN)总线或其它合适的通信信道与电力系统20通信。存储器(M)可以包括有形的非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存的还是其它。控制器50还包括足够数量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等，以及高速时钟、模数和数模转换电路以及输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。
特定地说，诊断控制器50被编程或另外配置成执行体现方法100的指令，所述方法的示例在图2A和图2B中分别被描绘为慢速循环和快速循环子例程100A和100B。为此，控制器50与模拟输入传感器32通信，诸如三个分开的相位传感器32，如图所示，其电连接到电机22的绕组中的对应绕组。因此，控制器50被配置成在三相电流感测实施例中从三个传感器32接收测量的相电流IA、IB和IC，或者在可能的电压传感器配置下，接收三个对应的测量的相电压(未示出)。
另选地，在电机22的三相实施例中，可以使用两个这样的传感器32来测量三个可能的相电流或电压中的两个，其中在控制器50的逻辑中使用所述两个测量值计算出第三相电流或电压。然而，所示的三传感器实施例可以用于提供增加的容错。还示出了可选实施例，其中传感器32A设置在DC电压总线上并用于测量DC总线电压(VDC)，方法100容易修改以用于如下面特别参考图2A和图2B所述的用途。
在方法100的执行中，除了从模拟输入传感器32或32A接收所测量的传感器值之外，控制器50还从电力系统20接收输入信号(箭头11)。例如，控制器50接收诸如环境温度、钥匙/点火开关接通/断开位置、电机22或PIM 26的运行状态等的输入信号(箭头11)或与确定用于执行方法100的输入条件相关的其它信息。控制器50还可以与诸如指示灯、远程信息处理单元或显示屏幕等的远程装置35通信，并且被配置成响应于某些诊断结果而选择性地向远程装置35输出诊断代码(箭头D)。
现在将参考图2A和图2B描述控制器50在模拟输入传感器32或32A的正在进行的诊断中的操作，图2A和图2B分别以子例程100A和100B的形式描述了上述慢速和快速的诊断循环。尽管每个循环的实际周期时间可能随预期应用和每个样本集的样本数目而变化，但为了说明的目的，慢速循环可以具有约100Hz等级的周期时间，其中快速循环的周期时间比慢速循环的周期时间大1或2个数量级。
诊断性慢速循环
从图2A的控制器50的初始化(*)开始，并继续子例程100A的步骤S102，控制器50确定是否满足某些诊断输入条件。由于方法100同时捕获数据与其中辅助电池30的输出电压可能暂时下降或骤降的特定操作条件，所以输入条件可以包括检测到的钥匙开启或点火开启状态，如经由输入信号(箭头11)向图1的控制器50报告。还作为输入条件的一部分，控制器50可以确定电机22的旋转输出速度是否为零并且PIM 26的开关控制尚未开始。子例程100A在不满足这些输入条件的情况下进行到步骤S104，并且在满足输入条件时另选地进行到步骤S106。
步骤S104包括将对应的位标志设置为0或“假”，重置在以下各个步骤中使用的计数器，并返回到初始化步骤(*)。
步骤S106包括将对应的位标志设置为1或“真”，并进行到步骤S108。还作为步骤S106的一部分，控制器50可以例如经由握手通信协议来指示快速循环开始从模拟输入传感器32收集电数据。
在步骤S108，控制器50确定是否已经收集了传感器32的初始偏移值的足够样本大小，诸如通过比较样本大小与预定阈值。在某些应用中，为了平均计算的目的，约40到125个样本的样本集可能被认为是足够的。子例程100A重复步骤108，直到已经收集到阈值样本大小，并且然后进行到步骤S110。
步骤S110包括将对应的位标志设置为0/假并且开始对收集的样本进行平均。控制器50可以添加采样的偏移的值，并且然后将此数量除以样本集中的样本总数。控制器50然后将对应的位标志重置为1/真，并递增采样计数器以指示成功的平均函数。子例程100A然后进行到步骤S112。
在步骤S112，控制器50接下来例如通过执行X/Y快速通过过程来确定从步骤S110计算的平均偏移是否超过预定数量的样本集内的校准的平均阈值。在步骤S112，控制器50还经由从下面参考图2B描述的诊断快速循环接收位标志，来确定快速循环是否已经检测到，对于当前样本集，一个或多个离散样本超过校准的异常值阈值。如果任一条件为真，则子例程100A进行到步骤S114，并且另选地进行到步骤S116。
步骤S114包括递增失败计数器并进行到步骤S116。当上述步骤S112确定诊断快速循环已经检测到样本超过异常值阈值时，步骤S114还可以包括重置位标记并丢弃具有这样的样本的样本集，并且试图收集没有这样的异常值样本的干净数据集。这样做可以允许传感器32的输出从瞬态电压尖峰或骤降恢复。
步骤S116包括经由控制器50确定是否已经检测到超过校准数量的可允许故障。如果是，则子例程100A进行到步骤S118。否则，子例程100A进行到步骤S120。
在步骤S118，控制器50产生指示失败平均值(在校准数量的样本集内的高平均值)的诊断代码。诊断代码可以被记录在控制器50的存储器(M)中，或者这样的代码可以被传送到图1的远程装置35作为诊断代码(箭头D)。由于图1的故障电池30的特定问题可以在启动时表现出来，所以诊断代码(箭头D)可以报告需要维修或更换电池30。子例程100A之后进行到步骤S124。
步骤S120包括确定是否已经达到了通过阈值。类似于步骤S118，步骤S120可以包括将通过的样本集的数量与校准的通过阈值进行比较，并且如果没有达到这样的阈值，则重复步骤S102。当达到通过阈值时，另选地执行步骤S122。
步骤S122类似于步骤S118，但是在这种情况下，控制器50产生指示通过平均值(在校准数量的样本集内的可接受的平均值)的诊断代码。通过的诊断代码可以被记录在控制器50的存储器(M)中，或者这样的代码可以被传送到图1的远程装置35作为诊断代码(箭头D)。子例程100A之后进行到步骤S124。
步骤S124需要将上述计数器重置为零，并且然后退出慢速循环(**)。子例程100A可以在满足步骤S102的输入条件的下一个钥匙开启或点火开启事件时重新开始。
诊断性快速循环
图2B描绘了作为方法100的一部分的适合于执行数据收集和离散阈值比较的子例程100B的示例性实施例。在控制器50的初始化(***)之后，子例程100B在步骤S101确定以上参考步骤S106所述的平均标志是否为真，这再次意味着用于执行方法100的输入条件已经得到满足。如果是，则子例程100B进行到步骤S103。否则，快速循环存在(****)并等待输入条件的满足。
步骤S103包括从模拟输入传感器32收集传感器数据。作为步骤S103的一部分，控制器50还可以将当前测量值添加到针对给定样本集的先前收集的测量值的总和中，以及递增当前样本集的样本计数器。子例程100A的慢速循环可以使用这样的计数器值来评估何时已经收集到足够的样本集以及确定数据集的平均偏移值。然后，子例程100B进行到步骤S103。
在步骤S105，控制器50确定对于当前数据样本，样本是否超过校准的异常值阈值。如上所述，在传感器32连接到图1的电机22的相绕组中的相应绕组并且被配置成测量和报告对应的相位值(例如，相电流IA、IB或IC)的说明性实施例中，示例性异常值阈值可以是绝对电流量值，其被设置为足够高，例如比收集的偏移值的滚动平均值所用的阈值高3-4倍。异常值阈值应当设置得足够高，使得在样本集中包含样本值可能会使数据集的平均值偏离，因此实际阈值可能会随着预期应用而变化。当所测量的样本超过异常值阈值时，子例程100B进行到步骤S107，当样本集中的所有样本低于这样一个阈值时子例程100B退出(****)。
步骤S107包括设置指示在步骤S105中已经超过异常值阈值的位标志。位标志被传送到图2A的慢速循环和子例程100A以在步骤S112中使用。子例程100B然后退出(****)，并在下一次迭代或点火/钥匙开启事件满足必要的输入条件时重新开始。
方法100的示例在上面参考图2A和图2B的子例程100A和100B进行了描述，因此其可以用来改进现有的诊断方法。即，传送到图2A的慢速环路的图2B的诊断快速循环中添加检查：其中一个样本数据点落在测量标准之外，即超过上述异常值阈值。一个或多个这样的高值可能偏离测量的偏移，同时仍然在纯粹的基于平均值的诊断方法下通过。尽管花费稍微更多的时间来收集替换数据集以替换丢弃的含有异常值的数据集，但是本方法旨在通过允许从图1的辅助电压总线(VAUX)上的瞬态电压骤降恢复诊断方法100来改善系统12的稳健性。
虽然已经参考所示实施例详细描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将认识到可以在不脱离本公开的范围的情况下作出修改。本公开不限于本文公开的精确构造和组合物，因为从前述描述中显而易见的修改或变化是在如所附权利要求书中限定的本公开的范围内。此外，本概念可以明确地包括前述元件和特征的组合和子组合。

Claims (10)

1.一种电力系统，包括：
多相电机，其具有多个相绕组；
电池组，其连接到直流(DC)电压总线；
电力逆变器模块(PIM)，其经由所述DC电压总线连接到所述电池组并且经由所述相绕组连接到所述电机；
模拟输入传感器，其被配置成测量所述电力系统的电参数，其中所测量的电参数与所述电参数的真实值相差初始偏移值；以及
诊断控制器，其与所述模拟输入传感器通信，并被配置成：
收集所述电参数的样本集；
使用第一诊断循环将所收集的样本集中的每个样本的初始偏移与校准的异常值阈值进行比较；并且
当所述样本中的一个或多个的所述初始偏移超过所述异常值阈值时，将指示异常值样本的位标志从所述第一诊断循环传输到较慢的第二诊断循环，所述第二控制循环还被配置成：
计算所收集的样本集的所述初始偏移的滚动平均值；
响应于所述位标志丢弃包含所述异常值样本的所述样本集；并且
当所计算的滚动平均值超过低于所述异常值阈值的滚动平均值阈值时，对所述系统执行控制动作。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述模拟输入传感器包括多个相电流或相电压传感器，每个相电流或相电压传感器均电连接到所述相绕组中的对应绕组。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其中所述异常值阈值比所述滚动平均值阈值大至少三倍。
4.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述模拟输入传感器包括连接到所述DC电压总线的电压总线传感器。
5.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述第一诊断循环的周期时间比所述第二诊断循环的周期时间快1和2个数量级。
6.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述控制器通过设置诊断代码或将诊断代码传输到所述控制器的存储器或远程装置来执行所述控制。
7.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述电力系统用作具有车轮和传动装置的机动车辆的一部分，并且其中所述电机具有经由所述传动装置连接到所述车轮的输出轴。
8.一种用于测量和诊断电力系统中的模拟输入传感器的初始偏移的方法，其中所测量的电参数与所述电参数的真实值相差所述初始偏移，所述方法包括：
经由所述模拟输入传感器收集所述电参数的样本集；
使用控制器的第一诊断循环计算所收集的样本集中的每个样本的初始偏移并将其与校准的异常值阈值进行比较；
当所述样本中的一个或多个的所述初始偏移超过所述异常值阈值时，将指示异常值样本的位标志从所述第一诊断循环传输到所述控制器的较慢的第二诊断循环；
经由所述第二诊断控制循环计算收集的样本集的所述初始偏移的滚动平均值；
响应于所述位标志丢弃包含所述异常值样本的所述样本集；以及
当所计算的滚动平均值超过低于所述异常值阈值的滚动平均值阈值时，经由所述控制器对所述系统执行控制动作，包括将诊断代码记录在所述控制器的存储器中或将所述诊断代码传输到远程装置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述模拟输入传感器包括多个相位传感器，每个相位传感器连接到所述相绕组中的对应绕组，并且所述参数是所述电机的对应相电流或相电压。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述异常值阈值比所述滚动平均值阈值大至少三倍。
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