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】
[0001] 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 刷直流电子水栗控制器及诊断方法。
【背景技术】
[0002] 无刷直流电机水栗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栗在汽车行业中被 广泛运用。
[0003] 目前，汽车的冷却系统中多采用传统的机械水栗，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 栗并不方便用于纯电动汽车中，所以无刷直流电子水栗得到了广泛的应用具有非常好的市 场前景。
[0004] 然而由于各种原因会造成水栗在运行时处于空转或堵转状态，这不仅会对水栗本 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栗并未对水栗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栗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】
[0005] 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栗控 制器及诊断方法。
[0006] 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栗的故障 诊断系统，其特征在于：它包括观测器和故障分析模块，其中，
[0007] 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栗控制系统得到；
[0008] 故障分析模块包括水栗运行故障分析模块；水栗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，则判断水栗运行出了故障，所述的负载转矩范围通过在水栗正常运行时 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。
[0009] 按上述系统，所述的水栗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〇时，判定为水栗发生空转故障；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。
[0010] 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 栗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，进而当诊断水栗为正常运行时，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。
[0011] -种利用上述无刷直流电子水栗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：
[0012] 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 子水栗控制系统得到；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；
[0013] 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，则判断水栗运行出了故障，所述的负载转矩范围 通过在水栗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。
[0014] 按上述方法，所述的观测器按以下步骤建立：
[0015] 1)对无刷直流电机进行建模，得到空间状态方程为：
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[0020] 式中：Ud为控制电压，T:为负载转矩，i为电枢电流，Wn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，Μ为电枢绕组互感，P为 电机极对数，Ν为绕组匝数，S为绕组在定子内径表面围成的面积，为转子永磁体气隙磁 密分布的最大值，J为转子转动惯量，Bv为黏滞摩擦系数，Kτ为电机转矩系数；其中Ud、i、Wn 通过传感器检测或计算出实际值，?\未知；
[0021]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：
[0022]
[0023] 式中，（，J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，I、KP分别为积分系数与比例系数。
[0024]由公式（2)、（1)得出状态空间形式为：
[0025]
[0026] (3)式即为建立的观测器模型；
[0027] 定义@ =f- %为状态估计误差，由公式（3)、⑴式可得
[0028]
[0029] 预设增益矩阵心和K:的值，使
辦寺征值均在左复半平面，则 式⑷中动态系统最后收敛到其平衡/
积分器输出值f即为?\的观测值；
[0030] 3)在水栗运行时，将Ud、Wn信号输入到观测器模型⑶中，得到Ti的观测值。
[0031] 一种具有故障诊断功能的无刷直流电子水栗控制器，其特征在于：它包括：
[0032] 电源模块，包括电源电压纹波滤波电容、稳压电容、防反电路；
[0033] 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；
[0034] 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；
[0035] 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；
[0036] 水栗输出检测模块，用于运用传感器检测水栗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；
[0037] 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；
[0038] 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栗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 直流电子水栗控制系统得到；
[0039] 故障分析模块包括水栗运行故障分析模块；水栗运行故障分