一种电机控制器故障检测系统及方法与流程

本发明涉及电机控制器技术领域，具体的说，涉及一种电机控制器故障检测系统及方法。

背景技术：

电动汽车电机控制器将车载动力电池的直流能量逆变成交流电能驱动电机,进而驱动车辆运行。电机控制器包括逆变电路、驱动电路、辅助电源电路、主控制板电路、充电电路、转速检测电路、电压/电流检测电路等部分，这些单元构成了一个复杂的系统。系统中任一部分故障都会导致整个系统停机。实际运行中一旦发生故障，用户希望快速获知故障类型以及故障位置，以便于快速检修并为改善产品提供依据。因此，电机控制器的故障类型诊断、以及快速定位对于电动汽车的运营推广至关重要。

目前的电动汽车电机控制器故障检测方式大多用一个数据采集卡采集故障控制器信息，然后应用软件进行故障判断，这种故障检测方式对电机控制器中硬件失效的检错效果受限，例如传感器准确度下降，车辆运行过程中的导线接触不良、断线等问题，纯粹的软件检测很难判断故障源。并且实际运行中往往存在故障的连锁反应，导致传统的软件故障定位方法计算量很大，效率低，同时故障定位准确率较低，并且在电机控制程序中增加过多的故障检测程序会占用软件计算时间，影响电机控制器正常工作。

因此，亟需一种能够更简单和快键并且检测范围全面的电机控制器故障检测系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电机控制器故障检测系统及方法，以解决的传统的电机控制器故障检测系统和方法检测效率低、检测范围受限的技术问题。

本发明提供一种电机控制器故障检测系统，该系统包括：

电源单元，其用于为电机控制器提供直流母线电源和辅助电源；

负载单元，其用于为电机控制器逆变器电路提供测试负载；

控制单元，其用于依据检测指令对电机控制器的运行模式进行控制，所述运行模式基于对电机控制器内故障测定点进行单独测试而设定；

采集单元，其用于在不同的运行模式下采集所述电源单元、所述负载单元以及电机控制器的运行参数，所述运行参数用于判断故障测定点的运行状态；

显示单元，其用于显示所述运行参数。

所述运行模式包括：预充电电路测试模式，在该模式中，所述控制单元用于根据检测指令控制待测电机控制器的逆变器电路进行放电，并依次闭合逆变器电路副开关和主开关，所述采集单元用于采集所述逆变器电路输入侧电压传感器和桥臂侧电压传感器数值，所述显示单元用于实时显示所述电压传感器的数值。

所述运行模式包括：逆变电路测试模式，在该模式中，所述控制单元用于根据检测指令控制逆变器电路中桥臂的开闭，使逆变器电路中的桥臂轮流停止工作，所述采集单元用于采集所述电压传感器和所述负载单元电流的数值，所述显示单元用于实时显示所述电压传感器和所述负载单元电流的数值。

所述运行模式包括：旋转变压器测试模式，所述故障检测系统还包括：旋转变压器，其用于在检旋转变压器测试模式中与旋转变压器信号处理电路连接，在该模式中，所述采集单元用于采集转动旋转变压器时旋转变压器信号处理电路输出的电角度信号，所述显示单元用于实时显示所述电角度信号曲线。

所述运行模式包括：电流传感器测试模式，该模式用于对逆变器电路中直流电流传感器和桥臂输出端交流相电流传感器进行检测，在对交流相电流传感器进行检测时，所述控制单元用于根据检测指令控制逆变器电路中的桥臂同时工作，所述采集单元用于采集所述交流相电流传感器的数值，所述显示单元用于实时显示所述交流相电流传感器的数值；

在对直流电流传感器进行检测时，所述控制单元用于根据检测指令控制逆变器电路中第一桥臂上管导通下管关断，第二桥臂下管导通上管关断，所述负载单元为所述第一桥臂输出端提供有功负载，所述采集单元用于采集直流电流传感器数值，所述显示单元用于实时显示直流电流传感器数值。

所述负载单元包括：一端相互连接的第一电抗器、第二电抗器和第三电抗器，另一端分别在对电机控制器进行检测时与电机控制器逆变器电路的三个桥臂输 出端连接，所述第一电抗器、第二电抗器和第三电抗器与桥臂连接电路上分别都设置有电流表，所述负载单元还包括：第一电阻，其一端与所述三个电抗器的互连端连接，另一端在检测直流电流传感器时代替第一电抗器与第一桥臂连接。

电源单元包括：电池、变换器、开关、保险丝和电源模块，电池的正极通过开关分别与变换器输入端正极和电源模块输出端正极连接，电池的负极连接保险丝，并通过保险丝与变换器输入端负极和电源模块输出端负极连接，变换器的输出端连接有母线电源连接端口和辅助电源连接端口，母线电源连接端口可通过连接线与电机控制器逆变器电路的直流母线正负极连接，辅助电源连接端口可与电机控制器的电源板连接。

所述变换器的输出端与辅助电源连接端口之间的电路上设置有电压表和电流表，电压表用于监控电池的电量状态，电流表用于显示工作电流，并根据其数值判断电机控制器弱电系统的电源板、驱动板和主控板的工作状态。

所述辅助电源连接端口、旋转变压器、控制单元和采集单元通过航空插口与电机控制器进行可插拔式电连接。

本发明还提供一种电机控制器故障检测方法，该方法包括：

通过电源单元为电机控制器提供直流母线电源、辅助电源，通过负载单元为电机控制器提供测试负载；

判断电机控制器弱电系统的电源板、驱动板和主控板的工作状态；

依据检测指令对电机控制器的运行模式进行控制，所述运行模式基于对电机控制器强电系统的故障测定点进行单独测试而设定；

在不同的运行模式下采集所述电源单元、所述负载单元以及电机控制器强电系统的运行参数，所述运行参数用于判断故障测定点的运行状态；

显示所述运行参数。

本发明提供的电机控制器故障检测系统及方法通过引入外部检测电源，辅助检测电路，并通过软硬件结合的方式设计了有针对性的检测程序和人机交互界面，将故障检测分为两大步对电机控制器进行全面检测：第一步是对电机控制器弱电系统进行故障检测；第二步对电机控制器强电系统的故障诊断。强电系统的故障诊断又分为4项强电故障检测项目，每一项都独立检测，简单明确，不引入别的故障机制，避免引起故障连锁反应，便于快速故障定位，使用这套系统进行故障定位非常简单、容易操作，故障定位可信，节约故障诊断时间，并解决了现 有的检测方法检测范围受限的问题。通过故障诊断系统中的精密仪器可以标定电机控制器中的传感器准确度，提高控制效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的电机控制器故障检测系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的电机控制器故障检测系统的应用示意图；

图3是本发明实施例提供的电机控制器故障检测方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的电机控制器故障检测方法的应用流程图；

图5是本发明实施例提供的显示单元显示人机交互界面的示意图；

图6是本发明实施例提供的预充电电路测试模式界面的示意图；

图7是本发明实施例提供的逆变电路测试模式界面的示意图；

图8是本发明实施例提供的旋转变压器测试模式界面的示意图；

图9是本发明实施例提供的电流传感器测试模式界面的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供的电机控制器故障检测系统，如图1所示，该电机控制器故障检测系统1包括：电源单元2、负载单元3、控制单元4、采集单元5以及显示单元6。其中，电源单元2用于为电机控制器提供直流母线电源和辅助电源。负载单元3用于为电机控制器逆变器电路提供测试负载。控制单元4用于依据检测指令对电机控制器的运行模式进行控制，运行模式基于对电机控制器内故障测定点进行测试而设定。采集单元5用于在不同的运行模式下采集电源单元、负载 单元以及电机控制器的运行参数，运行参数用于判断故障测定点的运行状态。显示单元6用于显示运行参数。不同的运行模式针对的故障测定点不同，测试人员根据在特定运行模式中与针对的故障测定点相关的运行参数是否正常来判断该故障测定点故障与否。

在本发明实施例中，如图2所示，待测电机控制器为传统电动汽车用电机控制器，其由逆变器电路、电源板、驱动板以及主控板等组成。其中逆变器电路包括：并联在直流母线正负极之间的三个IGBT半桥模块、电压传感器VS1和VS2以及直流母线电容R2，在直流母线电源正极输入端A一侧设置的直流电流传感器CS3，在直流母线上电压传感器VS1和VS2正极之间设置的主开关K2和主开关电阻R1以及与主开关K2并联设置的副开关K1，第一桥臂(最左侧)的输出端为C，第二桥臂(中间桥臂)输出端为D，第三桥臂(最右侧)的输出端为E，在第一桥臂的输出电路上设置有交流相电流传感器CS1，在第三桥臂的输出电路上设置有交流相电流传感器CS2。

本发明实施例提供的电源单元2包括：电池、变换器、开关、保险丝和电源模块，电池的正极通过开关分别与变换器输入端正极和电源模块输出端正极连接，电池的负极连接保险丝，并通过保险丝与变换器输入端负极和电源模块输出端负极连接，变换器的输出端连接有母线电源连接端口A’B’和辅助电源连接端口，母线电源连接端口A’B’可通过连接线与待测电机控制器逆变器电路的直流母线正负极AB连接，在对电机控制器进行检测时根据需要为逆变器电路提供直流母线电源，辅助电源连接端口可与待测电机控制器的电源板连接，在对电机控制器进行检测时为待测电机控制器提供辅助电源。变换器的输出端与辅助电源连接端口之间设置有电压表和电流表，电压表监控电池的电量状态，电流表数值除了显示工作电流外，还可以作为判断故障的一个参数。

变换器的输出端与辅助电源连接端口之间的电路上设置有电压表B和电流表A，电流表A采用毫安表，电压表用于监控电池的电量状态，电流表用于显示工作电流，并根据其数值判断电机控制器电源板、驱动板和主控板的工作状态。

在一种实施方案中，电池采用12v、8Ah的铅酸电池，变换器采用隔离12/24V DC/DC变换器，开关采用手动按键开关，电源模块采用220v/12v AC-DC电源。电池的正极通过手动按键开关分别与变换器输入端正极和电源模块输出端正极连接，电池的负极连接保险丝，并通过保险丝与变换器输入端负极和电源模块输 出端负极连接。220v/12v AC-DC电源模块用于为电池充电。

负载单元3包括：第一电抗器L1、第二电抗器L2、第三电抗器L3和第一电阻R3，三个电抗器用来模拟电机负载，第一电抗器、第二电抗器、第三电抗器以及第一电阻的一端相互连接，另一端C’、D’、E’、E1’分别作为连接端口在对电机控制器进行测试时可与逆变器电路的桥臂输出端C、D、E连接。第一电抗器、第二电抗器和第三电抗器与电机控制器连接电路上分别都设置电流表A1、A2、A3，电流表采用安培表。三个电抗器模拟电机负载，产生三相感性电流，电阻R3作为有功负载与电抗器配合，产生有功电流，可以检验电机控制器直流侧电流传感器是否准确、是否完好。

在本发明的一种实施方式中，控制单元、采集单元以及显示单元的功能可以作为上位机由笔记本电脑实现，笔记本电脑采用CAN-USB接口与电机控制器控制单元联络，笔记本电脑给电机控制器发故障检测程序对电机控制器进行控制和数据采集。

进一步，电机控制器故障检测系统还包括旋转变压器7，旋转变压器7在进行相关检测时与电机控制器中旋转变压器信号处理电路连接。

在本发明的一种实施方案中，电机控制故障检测系统与电机控制系统通过航空插头以及普通电缆连接。辅助电源连接端口、旋转变压器、控制单元和采集单元通过航空插口与电机控制器进行可插拔式电连接，航空插口在电机控制器和检测系统之间进行辅助电源以及控制信号的传输。航空插头以及连接线束，依据电机控制器航空插头定义和故障检测系统软硬件需求进行设计。旋转变压器接线、CAN接线、辅助电源线构成的线束与航空插头与电机控制器自身的航空插头一公一母，按照实际装车运行进行定义，对接一下可以判断航空插头是否完好。

本发明实施例同时提供一种基于电机控制器故障检测系统的故障检测方法，如图3所示，该方法包括：步骤101、步骤102、步骤103、步骤104以及步骤105。在步骤101中，通过电源单元为电机控制器提供直流母线电源、辅助电源，通过负载单元为电机控制器提供测试负载。在步骤102中，判断电机控制器弱电系统的电源板、驱动板和主控板的工作状态。在步骤103中，依据检测指令对电机控制器的运行模式进行控制，运行模式基于对电机控制器强电系统的故障测定点进行单独测试而设定。在步骤104中，不同的运行模式下采集电源单元、负载单元以及电机控制器强电系统的运行参数，运行参数用于判断故障测定点的运行 状态。在步骤105中，显示运行参数。如图4所示，在电源和负载准备好后，首先对电机控制器进行弱电测试，在进行弱电测试时不接联络线a、b、c、d、e，插上航空插头，合上24V电源开关K3，观察毫安表数值是否在正常范围内，如果在正常范围内，初步判定电源板正常、驱动板、主控板正常。若不正常，则打开电机控制器盖板，用点温枪观测温度异常现象，通常故障点会有异常的高温现象，从而判断弱电故障位置。若没有温度异常，则笔记本电脑与电机控制器通讯进行通讯检测，若通讯正常则认为电源板与主控制板驱动板电源部分均正常，此时则通过CAN网络向电机控制器烧入电机控制器故障检测程序，接联络线a、b、c、d、e，配合上位机程序进行单步强电故障检测。

本发明实施例提供了四个强电故障检测方式，分别是预充电电路测试、逆变器电路测试、电流传感器测试和旋转变压器测试，基本涵盖了电机控制器常见的故障发生点。下面结合具体的检测方式对本发明提供的检测系统做进一步的说明。

在进行检测时，显示单元显示人机交互界面如图5所示，其上显示有上述四个故障检测方式的虚拟按键，在需要进行某种检测时按下其虚拟按键，就会进入与之对应的分页界面。

运行模式包括：预充电电路测试模式，该模式用于根据输入侧电压传感器和桥臂侧电压传感器的数值变化测试逆变器电路中的主开关、副开关、输入侧电压传感器和桥臂侧电压传感器的工作状态，在该模式中，控制单元根据检测指令控制逆变器电路进行放电，并依次闭合副开关和主开关，采集单元采集输入侧电压传感器和桥臂侧电压传感器数值，显示单元实时显示电压传感器数值。

在预充电电路测试模式中主要测试逆变器开关K1、开关K2，电压传感器VS1、电压传感器VS2是否损坏。如图6所示，在本模式中显示装置显示预充电测试界面，在该界面中显示有放电虚拟按键、开关K1虚拟按键和开关K2虚拟按键和返回主界面虚拟按键，并实时显示电压传感器VS1和电压传感器VS2的数值。在本模式中测试过程分为以下几个步骤实施：

第一步：接上联络线a、b、c、d、e，插上航空插头，合上开关K3，使检测电源单元为逆变器电路提供直流母线电源，启动笔记本电脑并与电机控制器联网，向电机控制器烧入预充电测试程序。

第二步：按下放电按钮，使逆变器以设定基波频率的设定开关频率开始工作， 通过辅助测试单元三个阻抗器将K2之后的母线电压释放完，此时电压传感器VS1数值为24V，电压传感器VS2数值为0V。

第三步：测试开关K1，按下K1虚拟键，若电路正常，则对应的开关K1吸合，母线电压即电压传感器VS2数值慢慢升高，若开关K1损坏，母线电压将不会变化。

第四步：若开关K1完好，测试开关K2，待母线电压VS2慢慢升高至12V，按下K2虚拟键，若K2主开关完好，开关K2吸合，母线电压VS2迅速升高24V。若母线电压VS2不能迅速上升至24V，则认为主开关电路损坏，然后再判读主开关本身损坏还是主开关的辅助部分损坏。通过强制加24v电压，若主开关没有损坏则主开关会吸合并能听见咔嚓声，否则则认为主开关本身损坏。

第五步：按返回主页面虚拟按钮回到主页面。

进一步的，运行模式还包括：逆变电路测试模式，该模式用于根据输入侧电压传感器和桥臂侧电压传感器以及负载单元中电流表的数值测试桥臂电路的工作状态，在该模式中，控制单元根据检测指令控制桥臂的开闭，使逆变器电路中的桥臂轮流停止工作，采集单元采集电压传感器和电流表的数值，显示单元实时显示电压传感器和电流表的数值。

在逆变电路测试模式中主要测试逆变器电路是否损坏。显示单元显示逆变器电路测试界面。如图7所示，该界面中显示开关K2虚拟按键、发波1虚拟按键、发波2虚拟按键、发全波虚拟按键和返回主界面虚拟按键，并实时显示电压传感器VS1、电压传感器VS2的数值、安培表A1数值、安培表A2数值和安培表A3数值。在本模式中测试过程分为以下几个步骤实施：

第一步：已经烧进去故障诊断程序，按下K2虚拟按钮，开关K2吸合，则VS1和VS2数值都约为24v。

第二步：按下虚拟发波键1，则逆变器电路中第一、第二桥臂工作，第三桥臂封死；按虚拟发波键2则第一、第三桥臂工作，第二桥臂封死，按虚拟发全波键则三个桥臂都工作，按照空间矢量发波方式工作。

若逆变器电路正常，则安培表1数值、安培表2数值和安培表3数值与实际电路中的数值会有比较好的吻合度。证明电流传感器和准确度。

第三步：按返回主页面虚拟按钮回到主页面。

运行模式包括：旋转变压器测试模式，该模式用于根据旋转变压器信号处理 电路输出的电角度信号测试旋转变压器信号处理电路的工作状态，在该模式中，采集单元采集转动旋转变压器时旋转变压器信号处理电路输出的电角度信号，显示单元实时显示电角度信号曲线。

在旋转变压器测试模式中主要测试旋转变压器信号处理电路是否损坏，以及航空插头是否受损。显示单元显示旋转变压器测试界面，如图8所示，该界面中实时显示旋转变压器电角度曲线和返回主界面虚拟按键。在本模式中测试过程分为以下几个步骤实施。

第一步：插接电机控制器故障检测系统与电机控制器的航空插头，并提供电机控制器24V辅助电源，这一步测试可以不接联络线a、b、c、d、e。

第二步：转动旋转变压器转柄，若旋转变压器电路正常，电机控制器主控制芯片将旋转变压器的位置信号处理后送至显示单元(上位机)显示。图8中上图为旋转变压器顺时针旋转时对应的电角度曲线，下图为旋转变压器逆时针旋转时对应的电角度曲线。

第三步：改变旋转变压器旋转速度，通过观察旋转变压器电角度曲线的变化情况是否正常来旋转变压器信号处理电路是否损坏，若旋转速度越慢则角度变化曲线也会减慢。

第四步：按返回主页面虚拟按钮回到主页面。

运行模式包括：电流传感器测试模式，该模式用于对逆变器电路中直流电流传感器和桥臂输出端交流相电流传感器进行检测，在对交流相电流传感器进行检测时，控制单元用于根据检测指令控制逆变器电路中的桥臂同时工作，采集单元用于采集交流相电流传感器的数值，显示单元用于实时显示交流相电流传感器的数值。在对直流电流传感器进行检测时，控制单元用于根据检测指令控制逆变器电路中第一桥臂上管导通下管关断，第二桥臂下管导通上管关断，负载单元为第一桥臂输出端提供有功负载，采集单元用于采集直流电流传感器数值，显示单元用于实时显示直流电流传感器数值。

电流传感器测试模式主要检测交流相电流传感器CS1、CS2和电流传感器CS3的工作状态，显示单元显示电流传感器测试界面，如图9所示，该界面中显示直流电流传感器测试虚拟键、交流相电流传感器测试虚拟键和返回主界面虚拟键，并且实时显示直流电流数值和交流相电流传感器电流波形。在本模式中测试过程分为以下几个步骤实施。

第一步：检测电流传感器CS3，将联络线从E’接到E1’将电阻R3接入半桥电路，按下直流电流传感器测试虚拟键令三相逆变器电路的第一桥臂(最左侧)上管导通，下管关断；第二桥臂(中间桥臂)下管导通，上管关断，此时电流流过电阻R3，与电流传感器CS3中流过的电流大小相等，可以与故障校正系统中的矫正仪表数值进行对比校正。

第二步：检测交流相电流传感器CS1、CS2，将三个半桥电路分别与辅助测试单元三个感抗负载连接。按下交流相电流传感器测试虚拟键，逆变器工作在空间矢量发波状态，显示单元将传感器采样到的电流信号显示出来，与实际仪表进行对比，可以进行故障甄别，以及精度确定。

第三步：按返回主页面虚拟按钮回到主页面。

电动汽车电机控制器是一个复杂的系统，系统中任一部分故障都会导致整个系统停机。电机控制器的故障类型诊断、以及快速定位对于电动汽车的运营推广至关重要。实际运行中往往存在故障的连锁反应，导致传统的软件故障定位方法计算量很大，同时故障定位准确率较低，有些情况下软件故障定位甚至不能正常工作，本专利就是为解决实际中这类问题而发起申请。

本发明提供的电机控制器故障检测系统及方法通过引入外部检测电源，辅助检测电路，并通过软硬件结合的方式设计了有针对性的检测程序和人机交互界面，将故障检测分为两大步：第一步是对电机控制器弱电系统进行故障检测；第二步对电机控制器强电系统的故障诊断。强电系统的故障诊断又分为4项强电故障检测项目，每一项都独立检测，简单明确，不引入别的故障机制，避免引起故障连锁反应，便于快速故障定位，使用这套系统进行故障定位非常简单、容易操作，故障定位可信，节约故障诊断时间，并解决了现有的检测方法检测范围受限的问题。通过故障诊断系统中的精密仪器可以标定电机控制器中的传感器准确度，提高控制效果。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。