CN110514896B - 具有螺线管组件的系统以及故障诊断和隔离方法 - Google Patents

具有螺线管组件的系统以及故障诊断和隔离方法 Download PDF

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Abstract

螺线管组件包括具有线圈的螺线管、被配置为测量线圈电流的电流传感器，以及控制器。控制器使用螺线管模型估计线圈电流，螺线管模型的输出是估计的线圈电流，并且从电流传感器接收测量的线圈电流。控制器还通过从测量的线圈电流中减去估计的线圈电流来计算具有误差符号的误差值。响应于在控制电压偏离标称值时误差值超过校准误差阈值，控制器诊断螺线管故障状况。响应于诊断螺线管故障状况，控制器隔离或识别多个可能的故障状况中的特定螺线管故障状况，并记录指示特定螺线管故障状况的诊断代码。

Description

具有螺线管组件的系统以及故障诊断和隔离方法
引言
本公开涉及在螺线管组件的整体控制中的电气故障状况的自动诊断和识别或隔离。螺线管是电磁电路，其中导线线圈围绕铁磁芯缠绕。当激励线圈时生成磁场，该磁场进而转换螺线管体内的电枢或柱塞。当磁场停止时，弹簧使柱塞返回其起始位置。螺线管组件用于各种各样的系统中，诸如阀或致动器的控制中。
发明内容
本文公开了一种系统，其包括螺线管组件和基于控制器的方法，用于诊断和隔离螺线管组件内发生的某些电气故障。举例来说，腐蚀或松散的电连接倾向于增加具有这种连接的电路的内阻，并且因此可以减少流过电路的电流。特别是螺线管的线圈中的电流的减小可能阻碍螺线管控制装置(例如在示例实施例中的阀)的运动。类似地，螺线管的循环加载导致螺线管线圈上的电绝缘过早磨损。这种结果很大程度上是由于热机械应力，并且最终可能导致匝间短路或另一种短路情况。匝间短路降低了线圈电阻和电感，在短路匝中循环的线圈电流表现得像涡流一样，以抵抗磁芯中的磁通变化。对于给定的脉冲宽度调制(PWM)控制电压，这可能导致线圈电流的尖峰，在螺线管和螺线管控制的装置的性能中随之改变。
因此，控制器经由执行体现所公开方法的计算机可读指令来配置，以在激励线圈时估计线圈电流。使用动态模型可以进行估计。这种模型可以至少部分地基于所施加的线圈电压来考虑螺线管的涡流回路中的虚拟涡流。作为本方法的一部分，控制器还考虑线圈电阻和涡流回路电阻、涡流位置、线圈中的匝数/线圈匝数、稳态磁芯电感和控制器的采样时间。
作为该方法的一部分，控制器接收测量的线圈电流并将测量的线圈电流与估计的线圈电流进行比较。基于比较的结果，控制器自动诊断和隔离，即唯一地识别，并且因此提供可能的电气故障状况的预测。控制器还启动适当的纠正措施，包括记录与诊断出的故障对应的诊断代码。
在特定实施例中，螺线管组件包括螺线管、电流传感器和控制器。螺线管包括线圈。当螺线管控制电压施加到线圈时生成磁通量，这导致线圈电流流过线圈。电流传感器测量线圈电流并输出测量的线圈电流。控制器与螺线管通信，并被配置为使用螺线管模型估计线圈电流，所估计的线圈电流是螺线管模型的输出。
控制器接收测量的线圈电流并计算误差值，即通过从测量的线圈电流中减去估计的线圈电流。响应于在控制电压偏离标称值时误差值超过校准误差阈值，控制器诊断螺线管故障状况。响应于螺线管故障状况的诊断，控制器隔离多个可能的螺线管故障状况中的特定螺线管故障状况，并且然后记录指示特定螺线管故障状况的诊断代码。
螺线管模型可以是动态模型，例如，使用估计的线圈电流作为状态变量。这种动态模型可以使用PWM控制电压作为控制输入。模型参数可以包括螺线管的涡流回路中的虚拟涡流、线圈的电阻、涡流回路的电阻、涡流的位置、线圈的线圈匝数、稳态状况下的磁芯的电感以及控制器的采样时间中的每一个。
螺线管组件可以配置用于具有由螺线管控制的螺线管控制装置的系统中。在这种实施例中，控制器可以被配置为在计算误差值之前在系统的多个操作状况下归一化测量的线圈电流、估计的线圈电流和控制电压。
该系统可包括发动机，在这种实施例中，螺线管可能是用于这种发动机的燃料泵或其它燃料喷射系统部件的一部分。在这种情况下的操作状况可以包括发动机转速的范围。
可能的故障状况可包括当误差符号为正时螺线管中的短路故障以及当符号为负时馈送螺线管的电路中的故障电连接。
控制器可以进一步被配置为，响应于在控制电压不偏离标称值时误差值超过校准的误差阈值，记录指示电流感测故障状况的诊断代码。
本文还公开了一种用于发动机和燃料供应的燃料喷射系统。燃料喷射系统可包括与发动机流体连通的燃料轨、燃料泵以及螺线管组件。螺线管组件包括：与燃料泵和燃料供应流体连通的进气阀、设置在燃料泵和燃料轨之间的排气阀、螺线管、电流传感器以及控制器。
还公开了一种用于诊断和识别螺线管组件中的故障状况的方法。该方法可以包括通过向线圈施加螺线管控制电压来激励螺线管的线圈，使得线圈电流流过线圈并且关于线圈生成磁通量。该方法还包括使用电流传感器测量线圈电流，并且然后使用螺线管模型经由控制器估计线圈电流。螺线管模型的输出是估计的线圈电流。另外，该方法可以包括通过从来自电流传感器的测量的线圈电流中减去估计的线圈电流来计算具有误差符号的误差值。响应于在控制电压偏离标称电压值时误差值超过校准误差阈值，该方法包括诊断螺线管故障状况。响应于诊断螺线管故障状况，该方法进一步包括识别多个可能的螺线管故障状况中的特定螺线管故障状况。然后关于螺线管组件执行控制动作，包括记录指示特定螺线管故障状况的诊断代码。
以上发明内容并不旨在表示本公开的每个可能的实施例或每个方面。相反，前述发明内容旨在举例说明本文公开的一些新颖方面和特征。当结合附图和所附权利要求从以下对用于执行本公开的代表性实施例和模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是具有螺线管和控制器的螺线管组件的示意图，该螺线管和控制器被配置为执行如本文所述的螺线管的诊断和预测的方法。
图2示出了分别改变标称和高阻电路的线圈电流和发动机转速，其中在垂直轴上示出了电流，并且在水平轴上示出了发动机转速。
图3分别示出了标称和高电阻电路的螺线管调节和对应的脉冲宽度，其中在垂直轴上示出了螺线管调节，并且在水平轴上示出了脉冲宽度。
图4是可由图1的控制器执行的本方法的示例实施例的示意流程图。
本公开易于进行修改和替代形式，其中代表性实施例在附图中以示例的方式示出并在下面详细描述。本公开的发明方面不限于所公开的特定形式。而是，本公开旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围内的修改、等同物、组合和替代。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记指代相同的部件。图1示意性地示出具有螺线管组件12的系统10。螺线管组件12包括螺线管14、螺线管控制装置16和控制器(C)18。控制器18包括处理器(P)和存储器(M)，在该存储器(M)内记录了用于执行方法100的指令。存储器(M)存储控制器可执行指令集，处理器(P)在执行方法100时执行该可执行指令集以用于螺线管14的实时操作诊断和预测。
如图1的非限制性实施例中所示，系统10可以是用于内燃机(E)21的高压燃料喷射系统。这种系统10可以包括作为螺线管激活装置16的燃料泵16P。这种燃料泵16P可以用于例如机动车辆、机器人或移动平台，或者使用发动机21的基于航空、船舶或铁路的交通工具。在这种实施例中，阀组件控制到燃料轨32的燃料流。凸轮22可以联接到发动机21，为了清楚起见省略了连接，以便与发动机21一起旋转，凸轮22的这种旋转由箭头A指示。燃料泵16P的活塞17骑在凸轮22上并且如箭头B所示响应于凸轮22的旋转而线性平移，如本领域所理解的那样，活塞17朝向凸轮22的运动对应于进气冲程，并且远离凸轮22的运动对应于压缩冲程。
作为图1的系统10的示例性实施例的一部分，当激励螺线管14时，燃料管线26经由进气阀28将低压燃料(箭头FL)从低压燃料供应25输送到燃料泵16P。燃料由气缸19内的活塞17压缩，并作为高压流体(箭头FH)通过排气阀30排出到燃料轨32中，并且最终排出到内燃机21的气缸21C。旁路管线20上的减压阀31可选择性地在进气阀28和排气阀30之间穿梭燃料以平衡响应于由例如设置在燃料轨32上的压力传感器34传送到控制器18的燃料压力信号(箭头CCP)的压力。螺线管控制装置16可替代地体现为其它类型的阀，作为发动机21的起动器系统的致动器，例如用于将小齿轮与起动电动机(未示出)接合，或作为另一个线性致动器的一部分，并且因此系统10的示例燃料喷射系统实施例是一般概念和非限制性的说明。
无论系统10和其中使用的螺线管控制装置16的具体实施例如何，图1的螺线管14响应于由控制器18生成的螺线管控制信号(箭头CCS)。螺线管控制信号(箭头CCS)是由控制器18生成并且在一些实施例中通过传输导体13(例如，低压线路)或无线发送的电子控制信号。螺线管控制信号(箭头CCS)可以是脉冲宽度调制(PWM)电压，如本领域普通技术人员将理解的，PWM电压脉冲具有与螺线管14的柱塞或电枢的命令线性调节对应的宽度。
如上所述，螺线管(诸如图1的示例螺线管14)可能遇到各种可能的故障。举例来说，螺线管14的线圈14C的腐蚀或松散的电连接或短路匝可随时间推移发展。在图1的非限制性示例系统10中，这种故障可能导致阀28、30和/或31在需要时打开或关闭的失败。反过来，这可能导致燃料轨32处的异常压力并且损害发动机21的性能。其它系统10同样可能经历未诊断的故障(诸如取决于系统10的性质的不可靠的致动或启动模式的失败)的不良后果。
为了从多个可能的故障模式中适当地诊断和隔离这种故障，控制器18被编程为在系统10的操作期间执行方法100。控制器18可以体现为一个或多个数字计算机，每个数字计算机都具有处理器(P)，例如微处理器或中央处理单元，以及只读存储器、随机存取存储器、电可编程只读存储器等形式的存储器(M)，高速时钟、模数转换和数模转换电路、输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。
控制器18还可以将算法和/或计算机可执行指令存储在存储器(M)中，包括底层算法或体现方法100的代码。作为方法100的一部分，电流传感器15可以关于螺线管14的线圈14C定位，电流传感器15将测量的线圈电流(箭头iC)报告给控制器18。控制器18还使用模型50(例如使用线圈电流的动态模型或状况模型作为状态变量)估计线圈电流，下面详细描述模型50的示例。
图2和图3描绘了代表性故障模式的示例效果。在图2中，迹线40表示对于图1的标称/适当执行的螺线管14，以每分钟转数(RPM)增加发动机转速(N21)的放大器(A)中改变的螺线管线圈电流(iC)的数据点。然而，某些故障模式可能导致螺线管14本身内的电阻增加，使得线圈电流(iC)下降。增加电阻的该不良影响由形成迹线42的数据点表示。
同样地，图3包括迹线44和46，它们分别是用于标称的螺线管14和较高电阻螺线管14的PWM切换控制操作期间的以毫秒(ms)为单位的代表性脉冲宽度。因此，导致螺线管14内的较高电阻的故障影响所需的PWM控制调节(ADJ，在垂直轴上示出)，并且进而可以减慢图1的螺线管控制装置16的运动。因此，在螺线管控制装置16的整体控制中需要早期检测、诊断和校正这种故障。
参见图4，示出了方法100的示例性实施例，用于上述并且在图1中示意性地示出的螺线管14的诊断和预测。方法100包括通过将控制电压(即，螺线管控制信号(箭头CCS))施加到线圈14C来激励螺线管14的线圈14C，使得线圈电流(iC)流过线圈14C并且关于线圈14C生成磁通量。
在如此激励线圈14C的情况下，方法100在步骤S102处开始，控制器18使用模型50生成估计的线圈电流(iC,EST)。例如，控制器18可以使用作为模型50的瞬态模型。在这种示例中，控制器18考虑例如理论上可能的建模的或离线确定的虚拟涡流。这种虚拟涡流表示在双态变量电模型中流过螺线管14的固体导电部分的涡流。这种涡流可以在垂直于磁场的平面中的闭环中流动。
在上述模型50的可能实施例中，步骤S102可能需要根据PWM电压指令V(k)以及稳态电感(L)、线圈匝数(N)、线圈14C电阻(R1)、涡流回路电阻(R2)和涡流位置(s)，即，涡流相对于线圈14C的归一化距离以及控制器18的采样时间(ΔT)，估计下面与iC,EST对应的线圈电流i1。在这些值中，与图1的螺线管控制信号(箭头CCS)对应的电压指令V(k)是从为了说明简单起见例如驻留在控制器18中但可能与控制器18分开的螺线管14的驱动电路输出的PWM电压指令。电压指令V(k)具有对应的线圈电流(i1)，电阻R1和R2可能离线确定并存储在控制器18的存储器(M)中，例如在查找表中。同样地，线圈匝数(N)、电感(L)和涡流位置(s)可以离线测量或建模并且作为预定值记录在存储器(M)中，以便在步骤S102的执行期间由控制器18快速查找。
因此，该示例性实施例中的步骤S102可能需要控制器18求解以下动态模型：
Figure BDA0002052490810000071
以上关系的输出i1(k)可以表达为：
Figure BDA0002052490810000072
一旦已经估计出线圈电流，方法100就前进到步骤S104。
步骤S104包括收集横跨广泛范围的不同操作状况的线圈电流测量和控制信号数据，即图1的iC和CCS。如本文所使用的，操作状况特定于螺线管控制装置16和系统10，并且可以包括例如不同的发动机或其它输入速度、操作温度等。方法100前进到步骤S106。
在步骤S106处，控制器18可以在进入步骤S108之前在步骤S104的各种操作状况下对来自步骤S102和S104的收集数据进行归一化。
在步骤S108处，控制器18接下来计算可能一旦在步骤S106处归一化或者直接在其它实施例中归一化的误差值(iC,E)作为在步骤S102处估计的线圈电流值与在步骤S104处测量的线圈电流之间的差值。步骤S108可能需要使用控制器18来求解以下等式：
In,e＝In,meas-In,est
在上面的等式中，In,e是归一化误差，并且In,meas和In,est分别是归一化的测量和估计的线圈电流。因此，计算的误差可能具有正或负误差符号。一旦控制器18计算出归一化误差值，方法100就继续到步骤S110。
步骤S110包括将在步骤S108处确定的归一化误差值的绝对值与预定误差阈值(CAL)进行比较。当来自步骤S108的误差值的绝对值小于预定误差阈值时，方法100重复步骤S102，并且当绝对误差超过误差阈值时，方法100前进到步骤S112。
在步骤S112处，控制器18确定螺线管控制信号(图1的箭头CCS)是否偏离(DEV)校准的标称控制信号值，即，随时间推移变化超过预定量。步骤S112可能需要使用比较器电路来比较螺线管控制信号的对应电压和校准的标称控制信号值。当没有检测到这种偏差时，方法100前进到步骤S113，并且在替代方案中，前进到步骤S114。
步骤S113包括响应于确定阈值误差同时存在而没有螺线管控制信号(CCS)偏离标称值而执行关于图1的螺线管14的第一控制动作(CA#1)。步骤113包括在控制器18的存储器(M)中登记对应的诊断代码，其指示控制器18的可能的逻辑故障。这种结果可能是由于电流感测误差，并且因此诊断代码可能请求修理或者更换控制器18内的电流感测硬件或逻辑部件。
步骤S114在控制器18确定阈值误差的同时与螺线管控制信号(CCS)与标称值的偏差同时到达。响应于这种状况，控制器18确定来自步骤S108的误差值的符号是否为正。如果是，则方法100前进到步骤S115。当符号不为正时，方法100另外进入步骤S116。
在步骤S115处，控制器18响应于确定阈值误差与螺线管控制信号(CCS)与标称值的偏差同时存在而执行关于图1的螺线管14的第二控制动作(CA#2)。步骤115包括在控制器18的存储器(M)中登记对应的诊断代码，该代码指示图1中所示的螺线管14的线圈14C的可能的短路。诊断代码可以触发自动请求修理或更换螺线管14的线圈14C的绝缘。
在步骤S116处，控制器18确定来自步骤S108的误差值(ic,E)的符号是否为负(-)。当误差值为负时，方法100进入步骤S119，而当误差值不为负时，方法100进入步骤S118。
步骤S118包括响应于确定来自步骤108的当前误差具有未知符号而执行关于图1的螺线管14的第三控制动作(CA#3)。如上所述，在归一化与操作状况(例如发动机转速)之后比较测量和估计的电流(iC,MEAS和iC,EST)信号，并且因此比较在数据窗口上进行。对于每个操作点存在多个数据点，如图2和图3中明显看出。当数据指示正误差而其它数据示出负误差时，可能导致未知状况。
估计和测量的线圈电流也可以彼此直接比较，因此如果在一个方向中存在误差达校准的时间段并且还越过校准的误差阈值，则可以检测到故障。因此，误差可能越过误差阈值但不一致地在一个方向中这样做，这种场景在此也对应于未知故障。在任一情况下，计算不确定性可能由控制器18的硬件或软件故障引起。因此，步骤118包括在控制器18的存储器(M)中登记指示故障控制器18的对应诊断代码。诊断代码可以触发自动请求修理或更换控制器18或其逻辑部分。
步骤S119包括响应于确定来自步骤108的当前误差是负的并且存在螺线管控制信号(CCS)与标称值的偏差，执行关于图1的螺线管14的第四控制动作(CA#4)。步骤119包括在控制器18的存储器(M)中登记对应的诊断代码，该诊断代码指示例如由于腐蚀或松散的电连接，从螺线管电路18的外部到螺线管电路18的不良连接。诊断代码可以触发自动请求以修理或更换馈送螺线管14的电路。
因此，方法100使得例如来自上述动态模型的螺线管电流估计能够用于图1的系统10或具有螺线管14(包括但不限于变速器、制动螺线管、门锁致动器等中的可变流量螺线管)的其它系统中的某些电气故障的隔离和预测。鉴于本公开，本领域普通技术人员还将理解，其它控制动作可以是除了上面详述之外或与之不同，由控制器18执行。例如，取决于步骤S108处关于步骤S110处的阈值的误差的符号和/或严重性，和/或偏离步骤S112的严重性，控制器18可以立即或在给予操作员通知失败之前的剩余时间之后主动地禁用故障部件的操作。实施这种实施例的一种可能方式是基于误差的进展速率通知操作员，即系统10将在特定持续时间或多个操作循环(例如，示例车辆实施例中的钥匙开/关循环)之后被禁用。可以使用上面提到的控制器18和方法100来实现这些和其它附带的益处。
虽然已经详细描述了一些最优模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所描述的元素和特征的组合和子组合。详细描述和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种螺线管组件，包括：
螺线管，其具有线圈；
电流传感器，其被配置为当螺线管控制电压施加到所述线圈时输出测量的线圈电流；以及
控制器，其与所述螺线管通信并被配置为：
使用螺线管模型生成估计的线圈电流；
从所述电流传感器接收所测量的线圈电流；
通过从所测量的线圈电流中减去所估计的线圈电流来计算误差值，所述误差值具有误差符号；
响应于在所述螺线管控制电压偏离标称电压值时所述误差值超过校准误差阈值，诊断螺线管故障状况；
响应于诊断所述螺线管故障状况，从多个可能的螺线管故障状况中识别特定的螺线管故障状况；以及执行关于所述螺线管组件的控制动作，包括记录指示所述特定螺线管故障状况的诊断代码；
所述螺线管模型是动态模型；
所述动态模型使用所述控制电压作为模型输入，并且所述螺线管的涡流回路中的虚拟涡流、所述线圈的电阻、所述涡流回路的电阻、所述涡流的位置、所述线圈的线圈匝数、稳态状况下的磁芯的电感以及所述控制器的采样时间中的每一个作为模型参数。
2.根据权利要求1所述的螺线管组件，其中，所述螺线管组件被配置用于具有由所述螺线管控制的螺线管控制装置的系统，并且其中，所述控制器被配置为在计算所述误差值之前在所述系统的多个操作状况下归一化所测量的线圈电流、所估计的电流以及所述控制电压。
3.根据权利要求2所述的螺线管组件，其中，所述系统包括发动机，所述螺线管是用于所述发动机的燃料喷射系统的一部分，并且所述多个操作状况包括所述发动机的发动机速度范围。
4.根据权利要求1所述的螺线管组件，其中，所述多个可能的螺线管故障状况包括当所述误差符号为正时的短路故障以及当所述符号为负时馈送所述螺线管的电路的故障电连接。
5.根据权利要求1所述的螺线管组件，其中，所述控制器进一步被配置为，响应于在所述螺线管控制电压不偏离所述标称值时所述误差值超过所述校准的误差阈值，记录指示电流感测故障状况的诊断代码。
6.一种用于诊断和识别螺线管组件中的故障状况的方法，所述方法包括：通过向线圈施加螺线管控制电压来激励螺线管的线圈，使得线圈电流流过所述线圈并且关于所述线圈生成磁通量；
使用电流传感器测量所述线圈电流以生成测量的线圈电流；
使用螺线管模型经由控制器估计所述线圈电流，其中，所述螺线管模型的输出是估计的线圈电流；
通过从来自所述电流传感器的所测量的线圈电流中减去所估计的线圈电流来计算误差值，所述误差值具有误差符号；
响应于在所述控制电压偏离标称电压值时所述误差值超过校准的误差阈值，诊断螺线管故障状况；
响应于诊断所述螺线管故障状况，经由所述控制器识别多个可能的螺线管故障状况中的特定螺线管故障状况；以及执行关于所述螺线管组件的控制动作，包括记录指示所述特定螺线管故障状况的诊断代码；
使用螺线管模型经由所述控制器估计所述线圈电流包括使用动态模型；
进一步包括使用所述控制电压作为所述动态模型的输入，并且使用所述螺线管的涡流回路中的虚拟涡流、所述线圈的电阻、所述涡流回路的电阻、所述涡流的位置、所述线圈的线圈匝数、稳态状况下的磁芯的电感以及所述控制器的采样时间中的每一个作为模型参数。
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