CN1846192A

CN1846192A - 在电子动力辅助转向系统中的故障检测

Info

Publication number: CN1846192A
Application number: CN200480001168.9A
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 罗南·德·拉米纳; 亚历山大·库尔尼阿; 斯克特·W·雷普林格
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-10-11
Also published as: EP1658556A2; WO2005025031A2; EP1658556A4; JP2006515500A; JP4256390B2; US20050049770A1; US7136733B2; WO2005025031A3

Abstract

一种检测电子动力辅助转向系统中的故障的方法和系统，包括确定电子动力辅助转向电动机的电压向量，并测量该电动机的电流向量。确定电压向量和电流向量之间的可接受角度关系，然后将其比较，并且如果该角度不满足该可接受角度关系则发现故障。此外，还可以相对于电压和/或电流向量的角度检查使用电动机方向和位置。类似的，可以使用转矩方向。这样，可在瞬时条件下动态确定若干不同的故障。

Description

在电子动力辅助转向系统中的故障检测

技术领域

本发明总的来说涉及电动机控制领域，更具体的涉及汽车动力转向控制系统。

背景技术

当前的汽车产品通常结合有动力转向系统，其中用动力系统辅助驾驶员的操纵，此种动力系统例如是用连接到发动机的泵电或机械驱动的液压系统。然而，电驱动汽车或混合动力汽车在汽车不行使时通常没有驱动液压系统的运转的电动机。在此种情形中，例如在试图通过停车场时，没有帮助驾驶员转动汽车车轮的辅助动力。液压系统可由电动机驱动，但这样效率不高，因为可直接使用电子系统提供转向助力。并不是在全部时间内都需要进一步的电子动力辅助，正如在液压系统中一样，而仅在驱动时需要。从而节约动力，并增加了整体燃料效率。

在电子动力转向系统(EPS)中，直接由电动机驱动提供转向扭矩辅助。该电动机自身可包括三相永磁同步电动机，如本领域公知的。通过应用换流器系统从汽车电池驱动该电动机在本领域也是公知的。通常由具有检测该电动机工作状态的传感器的处理单元监测和控制该驱动。EPS驱动辅助应驾驶员需求而产生。更具体的，当驾驶员在一个方向使用转向力时，EPS系统在相同方向提供进一步的转矩。然而，在系统失效情形中，来自EPS电动机的转矩可能产生不期望的转向扭矩。例如，驾驶员正向左转而电动机驱动错误的提供向右的转矩，而此转矩是不期望的。

一种检测不期望转向扭矩的现有技术是比较转向扭矩电流和计算出的稳态电流。如果对于预定时间周期，电流之间的偏差大于预定极限，则指示故障。该技术的问题在于有相对较长时间延迟。更具体的，由于该技术是基于稳态平衡(equation)的，必须允许相对较长时间延迟来稳定以避免误触发。此外，如果电动机停止，测量不到电流，则没有故障检测。

另一种现有技术使用两个并行处理器来接收传感器信号并从这些传感器输入中计算电动机控制算法。在此情形中，比较来自两个处理器的输出，如果它们不匹配，则指示故障。该技术局限于检测处理系统中的故障而非电动机自身或电动机驱动硬件(例如换流器)内的故障。此外，使用两个处理器显著增加了成本。

因此，需要一种能检测到不期望的转向辅助的EPS控制器。还期望在最小时间延迟内检测到任何不期望的转向，从而可以在系统损害驾驶员转向能力之前关闭电动机输出。以成本效率方式提供此优点是十分有益的。

附图说明

认为是新颖的本发明的特点在附随权利要求中特别阐明。本发明及其其他目的、优点可通过参考以下说明并结合附随附图更好的理解，在附图中相同参考标记标识相同元件，其中：

图1是说明本发明故障检测系统实施例的简化框图；

图2是显示根据本发明使用的克拉克(Clarke)变换的图；

图3是显示根据本发明使用的帕克(Park)变换的图；

图4是说明根据本发明的故障检测的第二和第三实施例的流程图；

图5是说明根据本发明的故障检测的第一实施例的流程图；

图6是说明根据本发明的故障检测的第四实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种用于电子动力转向(EPS)系统控制器的方法和系统，其可以检测到不期望的转向辅助。有利的，本发明用最小时间延迟检测任何不期望的转向，从而在系统损害驾驶员转向能力之前关闭电动机输出。以成本可取方式提供此优点。

本发明可应用于所有的电动机控制器。然而，本发明特别应用于使用电动机提供转向辅助动力的汽车转向系统中。通常，此种系统结合有通过换流器由汽车电池驱动的三相永磁同步电动机(PMSM)。本发明利用该电动机的电压、电流、位置和/或方向来检测转向助力操作中的故障，正如下面详细说明的。

图1显示根据本发明的用于电子动力辅助转向电动机的故障检测系统。在优选实施例中，电动机10是三相永磁同步电动机(PMSM)，它由来自汽车动力源(例如电池18)的DC动力，通过产生脉宽调制(PWM)电压的三相换流器16驱动。当PMSM驱动提供正确的动力转向辅助时，在电动机电压向量、电动机电流向量和转子位置角度之间存在特定角度关系。甚至在瞬时转向条件中也存在这些角度关系。本发明监测这些特定的角度关系，从而可以检测出可能造成不期望转向的任何故障，而不用等待系统达到稳态。

更具体的，电压检测器14检测电动机的电压28。电压检测器可以仅监测电动机的单相。然而，优选的监测电动机的所有相。实际电压28包括由换流器提供到电动机的电压。该组合输出电压28然后可以和控制器或处理器24命令的电压26比较。更具体的，处理器可以采样从换流器到电动机的电压脉冲宽度(三相)，以确定电压向量(幅度和角度)。对每一个电流循环测量周期进行此动作，电流循环周期例如是300微秒。处理器然后检查测量的脉冲宽度和命令的脉冲宽度。命令电压26和测量电压28应当相互紧密追踪。如果没有，这指示系统中一个或多个组件内有故障。例如，如果换流器失效(短路或断路)，可以立即检测到这一故障。因此，在本发明第一实施例中，预先确定第一误差极限，其中如果测量和命令电压脉冲宽度之间的差值超过该预定误差极限，则指示故障。可以根据经验确定该误差极限，例如通过有目的的引入特定测试故障来确定该极限。如果没有检测到故障，则随后采用其他故障检测技术，如下所述。

在本发明第二实施例中，使用测量的电压脉冲宽度来确定电动机的输出电压向量。当在前述实施例中没有检测到故障时，则可以考虑验证所述电压向量，作为良好读数，用在该第二实施例中。电流检测器12连接到电动机并测量电动机的电流向量(幅度和相位)。在每个转矩循环测量周期执行此动作，该周期例如是1.2毫秒。处理器24比较来自第一实施例的验证的电压向量和测量的电流向量之间的角度关系。这和电动机方向/速度检测器22结合使用，电动机方向/速度检测器22确定电动机何时提供具有第一或正向(例如左转向辅助)旋转方向或第二或反向(例如右转向辅助)旋转方向的转向辅助。

更具体的，如果电动机旋转方向是正向的，电压向量必定超前电流向量。对应的，如果电动机旋转方向是反向的，电压向量必定滞后于电流向量。此外，如果旋转速度近似于零，电压和电流向量必定实质同相。因此，使用处理器规定电压向量和电流向量之间可接受的角度关系。处理器输入来自各个电压和电流检测器的电压和电流向量以比较其间的角度，其中如果该角度不满足该可接受的角度关系，则处理器指示故障。该特定角度关系可根据经验确定，例如通过有目的的引入特定故障以测试可接受的角度关系。例如，如果电动机位置向一个方向运行，但电压/电流相位具有指示扭矩应用到另一个方向的不正确的超前/滞后关系，则存在故障。如果没有检测到故障，则随后使用其它的故障检测技术，如下所述。

然而，应当注意到，如果电动机在通量减弱(flux-weakened)情况下运行，不可能保持上述角度关系，而利用在此所述的其他技术可以绕过该特定的默认检查。当来自电动机的反电动势(EMF)等于或超过从换流器提供到电动机的电压时会出现通量减弱情况。在此情形中，以减弱的通量为代价，使用补偿该反EMF的电流相位调整，从而导致较低的扭矩。更具体的，为了进一步提高电动机速度，可以向电动机施加反向d轴电流到，从而产生与转子通量相反方向的通量。结果，d轴整体通量降低。该降低的磁通量减少了EMF，从而在两线间的EMF达到最大供电电压(换流器输出电压)之前允许较高的电动机速度。相位调整的使用会干扰第二实施例的功能，它是δ相位测量。

在本发明第三实施例中，处理器监测电动机电流向量和转子位置角度之间的角度关系。当在先前实施例中没有检测到故障或没有经历减弱的通量情况时，则可以考虑验证测量的电流向量，作为良好读数，应用于该第三实施例。由检测PMSM驱动转子位置的位置检测器20确定电动机角度位置。这和转矩传感器32一起使用，转矩传感器32提供用户(驾驶员)转向输入，指示应用到方向盘的第一或正向(例如左转向)旋转方向转矩或应用到方向盘的第二或反向(例如右转向)旋转方向转矩。在每个转矩循环测量周期进行这些测量，该周期例如是1.2毫秒。

更具体的，如果输入转矩旋转方向是正向(例如左转向辅助)，则电流向量必须超前转子位置90度加上用于补偿反EMF的电流提前角度。选择总角度，使得电流相位实际上和来自电动机的反EMF的相位对准，获得最大转矩。如在此使用的，该总角度称为“电流对准角度”。对应的，如果输入转矩旋转方向是反向(例如右转向辅助)的，则电流向量必须滞后转子位置90度加上电流提前角度，即电流对准角度。例如，给定10度电流提前角度(100度电流对准角度)，对于正向输入转矩方向，电流向量会超前转子位置100度，对于反向输入转矩方向，电流向量会滞后转子位置100度。

使用处理器来规定电动机位置和电流向量之间的可接受的角度关系。处理器输入分别来自位置检测器20和电流检测器12的电动机位置和电流向量，比较其间角度，其中如果该角度不满足该可接受的角度关系，则处理器指示故障。例如如果电动机位置和电流向量具有不正确的超前/滞后关系，这指示不正确地应用了转矩(即组织车辆的驾驶员)，则存在故障。可根据经验确定该特定角度关系，给出电流对准角度，通过有目的的引入特定测试故障来确定可接受的角度关系。如果没有检测到故障，则验证电动机位置，并随后使用其它故障检测技术，如下所述。

在第四实施例中，计算转矩驱动电流并相对于命令的转矩驱动电流检查，其中如果测量和命令的转矩驱动电流之间的偏差超过预定误差极限，则指示故障。该实施例涵盖了导致较大幅度误差的那些故障，或饱和控制器，并在每个转矩循环测量周期执行，该周期例如是1.2毫秒。和电动机电流不同地定义转矩驱动电流，其中电动机电流仅仅是提供到电动机的三相电流向量。不同的是，转矩驱动电流I_q，被定义为经过克拉克变换和帕克变换转换的电流向量，如本领域公知的，以提供和电动机转矩成正比的电流参数I_q。换句话说，I_q是产生电动机转矩的三相内的电流分量。用于转矩驱动电流的特定误差极限可根据经验确定，通过引入特定故障来测试可接受误差极限。

在操作中，电压，电流，以及转矩驱动电流测量使用克拉克和帕克变换来执行。克拉克变换如以下所示将诸如i(a，b，c)的三相电流(或电压)转换为两相形式i(α，β)：

i_α＝i_a

i_{β} = i_{a} / \sqrt{3} + 2 i_{b} / \sqrt{3}

从而得到如图2所示的表示，图2显示对于旋转向量i(a，b，c)的固定参照系i(α，β)。在克拉克变换之后进行用于第二实施例的电流向量测量。

帕克变换将二相克拉克形式i(α，β)如下变换为旋转二相形式(i_q，i_d)：

i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ

i_q＝-i_αsinθ+i_βcosθ

其中θ表示转子通量位置。该变换使得电流i_q直接和沿Q轴的电动机转矩成正比，如图3所示，图3表示对于固定向量i(α，β)的旋转参照系(i_q，i_d)。在帕克变换之后进行用于第四实施例的转矩电流测量。此外，将上述克拉克和帕克变换的逆变换用于相对于命令电流(或电压)的反馈，如前所述的。

在优选实施例中，组合所有先前的实施例相互补充以形成用于PMSM驱动的快速和健壮的故障诊断系统，并检测多个可能的故障模式。更加优选的，在故障检测中使用的相关误差极限和可接受角度关系根据转向条件在一个或多个不同实施例中可以动态调整，借此可在相对稳态转向条件下实行较窄极限而在变化的转向条件中使用较宽极限。还希望仅在故障重复预定次数时才允许继续进行故障指示，例如在误差计数器中。该特定次数可根据经验确定，从而降低由于噪声或测量误差或测试的角度参数的误差极限较小引起的伪(falsing)问题。

上述实施例对于现有技术的改进在于由于这些监测功能在电动机到达稳态状况之前就可用而使得它们降低了检测延迟。换句话说，本发明的方法和系统甚至在电动机速度、位置、EMF以及输入都快速改变的瞬态状况下都可用。

用于确定电压、电流、转矩、位置和速度以及包含在图中所有其它块内的功能的实际设备可使用微处理器、数字信号处理器、或混合模拟数字专用集成电路或ASIC构成。本发明的系统具有仿真下述某些方法步骤的结构。

本发明还包括一种用于电子动力辅助转向电动机的故障检测的方法，如图4所示。该方法包括确定102电子动力辅助转向电动机的电压向量的第一步骤。电压向量的实际测量在本领域是公知的，在此为简明目的不再说明。

下一步骤包括测量104电子动力辅助转向电动机的电流向量。电流向量的实际测量在本领域是公知的，在此为简明目的不再说明。

下一步骤包括规定106在电压向量和电流向量之间的可接受角度关系。这些角度关系如前所述根据经验确定，并可以对于瞬时转向条件动态调整。

下一步骤包括比较108测量的电流向量参数和确定的电压向量参数之间的角度。

下一步骤包括如果该角度不满足该可接受角度关系，则指示110故障。优选的，该步骤仅在故障重复预定次数时才指示故障。这可以通过误差计数器确定并可依赖于相同或类似误差重复而非将不同误差计数为相同故障。

优选的，该方法包括进一步的步骤，检测112电子动力辅助转向电动机的旋转方向。在此情形中，规定步骤106包括用于正向电动机旋转方向的第一可接受角度关系，其中电压向量的角度必定超前电流向量的角度，并包括用于反向电动机旋转方向的第二可接受角度关系，其中电压向量的角度必定滞后电流向量的角度，以及用于实际是零的电动机旋转方向的第三可接受角度关系，其中电压和电流向量的角度实质同相。然而，仅当电动机不工作在通量减弱情况下才表现该情形，如前所述。

更优选的，参考图5，确定步骤102包括测量202来自电动机的电压脉冲宽度输出以及相对于命令脉冲宽度检查(204)该测量脉冲宽度的子步骤。优选的，在确定电动机的输出电压向量时使用该测量脉冲宽度。如果测量和命令脉冲宽度之间的偏差超过预定误差极限206，则存在指示故障的进一步步骤208。否则，该方法返回用于其他故障检测。

更优选的，并回来参考图4，该方法包括检测114电子动力辅助转向电动机位置的步骤。在此情形中，规定步骤106包括规定电动机位置和电流向量之间的可接受角度关系，以及比较步骤108包括比较测量的电流向量和检测的电动机位置之间的角度。指示步骤110包括如果测量的电流向量和电动机位置之间的角度不满足该用于测量的电流向量和电动机位置的可接受角度关系，则指示故障。

更优选的，本方法包括输入116转矩方向的进一步步骤。在此情形中，规定步骤106包括电流向量和电动机位置之间对于正向输入转矩方向的主要可接受角度关系，其中电流向量角度必须比电动机位置超前电流对准角度，以及包括电流向量和电动机位置之间对于反向输入转矩方向的次要可接受角度关系，其中电流向量角度必须比电动机位置滞后电流对准角度。

更优选的，并参考图6，测量步骤104包括测量302到电动机的转矩驱动电流以及相对于命令转矩驱动电流检查304该转矩驱动电流的子步骤。如果测量和命令的转矩驱动电流之间的偏差超过预定误差极限306，则存在指示故障的进一步步骤308。否则，该方法重复，以连续监测。

例子

使用不同的仿真故障模式执行测试，如前所述，特别是测试本发明的第二、第三和第四实施例。在一个测试中，进行电动机相位之一的断路仿真。在此情形中，如上所述的第二实施例能检测故障并在27毫秒之内关闭电子动力辅助转向电动机。此外，本发明的第三实施例能检测该故障并在30毫秒之内关闭电子动力辅助转相电动机。这比现有技术快得多。对电动机相位之一的短路仿真也得到类似结果。

另一种故障模式和系统内的软件错误或恶化有关，这通过反转帕克变换中的一个符号来仿真。在此情形中，本发明的第三实施例也能检测故障并在15毫秒内关闭电子动力辅助转向电动机。引入另一种软件错误来仿真位置读取错误。在此情形中，本发明的第二实施例能检测出故障并在20毫秒内关闭电子动力辅助转向电动机。引入另一种软件错误来仿真速度读取停滞在零。在此情形中，本发明的第四实施例能检测出故障并在20毫秒内关闭电子动力辅助转向电动机。这比现有技术快得多。

总之，通过应用上述方法，可以获得对不期望转向辅助检测的显著改进。本发明可涵盖多种系统故障，包括：换流器硬件失效，软件恶化，传感器失效等。

虽然以上说明了本发明的特定组件和功能，本领域技术人员可以采用更少或附加的功能，并在本领域范围之内。本发明仅由附随权利要求限定。

Claims

1.一种用于检测电子动力辅助转向系统中的故障的方法，该方法包括步骤：

确定电子动力辅助转向电动机的电压向量；

测量所述电子动力辅助转向电动机的电流向量；

规定所述电压向量和电流向量之间的可接受角度关系；

比较测量的电流向量和确定的电压向量之间的角度；以及

如果所述角度不满足所述可接受的角度关系，则指示故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定步骤包括测量来自电动机的电压脉冲宽度并相对于命令的脉冲宽度检查测量的脉冲宽度的子步骤，其中如果测量和命令的脉冲宽度之间的偏差超过预定误差极限，则进一步包括指示故障的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括检测电子动力辅助转向电动机的位置的步骤，并且其中所述规定步骤包括规定所述电动机位置和电流向量之间的可接受角度关系，其中所述比较步骤包括比较测量的电流向量和检测的电动机位置之间的角度，并且其中所述指示步骤包括如果测量的电流向量和电动机位置之间的角度不满足用于所述测量的电流向量和电动机位置的可接受角度关系，则指示故障。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括输入转矩方向的步骤，并且其中所述规定步骤包括电流向量和电动机位置之间对于正向输入转矩方向的主要可接受角度关系，其中电流向量的角度必须比电动机位置超前电流对准角度，并包括电流向量和电动机位置之间对于反向输入转矩方向的次要可接受角度关系，其中电流向量的角度必须比电动机位置滞后电流对准角度。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量步骤包括测量到电动机的转矩驱动电流以及检查所述转矩驱动电流相对于命令的转矩驱动电流的子步骤，其中如果测量和命令的转矩驱动电流之间的偏差超过预定误差极限，则进一步包括指示故障的步骤。

6.一种用于电子动力辅助转向电动机的故障检测系统，该故障检测系统包括：

连接到电动机用于确定电动机的电压向量的电压向量检测器；

连接到电动机用于测量电动机的电流向量的电流向量检测器；以及

连接到这些检测器的处理器，该处理器规定电压向量和电流向量之间的可接受角度关系，并输入来自相关检测器的电压和电流向量以比较其间的角度，其中如果该角度不满足所述可接受角度关系，则处理器指示故障。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述电压向量检测器操作用于检测来自电动机的电压脉冲宽度以确定输出电压向量，并且其中所述处理器操作用于相对于来自处理器的命令的脉冲宽度检查测量的脉冲宽度，其中如果测量和命令的脉冲宽度之间的偏差超过预定误差极限，则处理器指示故障。

8.如权利要求6所述的系统，进一步包括连接在所述电动机和处理器之间的电动机位置检测器，并且其中所述处理器规定电动机位置和电流向量之间的可接受角度关系，并输入电动机位置和电流向量，比较其间角度，其中如果测量的电流向量和电动机位置之间的角度不满足用于所述测量的电流向量和电动机位置的可接受角度关系，则处理器指示故障。

9.如权利要求8所述的系统，进一步包括转矩方向传感器，并且其中所述处理器规定电流向量和电动机位置之间对于来自转矩传感器的正向转矩的主要可接受角度关系，其中电流向量的角度必须比电动机位置超前电流对准角度，并规定电流向量和电动机位置之间对于来自转矩传感器的反向转矩的次要可接受角度关系，其中电流向量的角度必须比电动机位置滞后电流对准角度。

10.如权利要求6所述的系统，其中，所述电流传感器包括转矩检测，其中所述处理器输入来自于转矩检测的检测到的转矩，并检查所述转矩驱动电流相对于命令的转矩驱动电流，其中如果测量和命令的转矩驱动电流之间的偏差超过预定误差极限，则处理器指示故障。