CN1545650A - 负载故障的诊断方法与设备以及负载故障的处理方法与设备 - Google Patents

Abstract

在用于依据控制脉冲信号P(1)对由驱动电路(4)作PWM驱动的电磁阀(2)进行故障诊断的故障诊断单元(10)中，为了根据加到此负载上的脉冲电压的状态能简便地判断PWM驱动的负载存在/不存在故障，将电磁阀(2)与驱动电路(4)之间连接点(A)处为PWM驱动产生的电压信号(VA)输入平滑电路(11)以获取一平滑化输出电压(VB)。再通过判别此平滑化输出电压(VB)的电平值是否是由控制脉冲信号P(1)的占空比即对于PWM驱动的设定占空比所确定的规定值，来确定电磁阀(2)是否有故障。

Description

负载故障的诊断方法与设备以及负载故障的处理方法与设备

技术领域

本发明涉及用于诊断脉宽调制(PWM)驱动的负载故障的方法与设备以及用于处理这种负载故障的方法与设备。

背景技术

在例如采用发动机控制计算机来控制各种负载如电磁阀、马达、灯等的开/关作业的自动控制系统中，设有合适的开关元件响应计算机的控制输出而工作，同时采用了所谓的PWM驱动方法来进行开关元件的开与关以控制对所需的负载供给驱动电流。

用于诊断或检测按上述方式驱动与控制的负载中的断线、短路与其他故障的传统方法，必须去检查各个开关元件与相关联的负载之间连接点处的电压是否与计算机输出同步地改变。由于此连接点处的电压与开关元件的工作状态在零值与由负荷内阻与控制电路侧所确定的预定值之间是同步地改变，因而通过与开关元件状态同步地监控这种连接点的电压就能检测负载故障。

例如在负载是正常状态时，在开关元件当控制输出为“1”是导电的而当控制输出为“0”是非导电的系统中，此连接点的电压对于控制输出“1”为接地电平而对于控制输出“0”为规定值。但当负载已是断电的或是对接地侧短路，连接点处的电压便不随控制输出在“1”与“0”之间的改变而变化，这样就不能由上述方法诊断负载故障。

在只是对负载进行开/关控制的情形，可用来读出所需电压的时间由于开关元件有一段长的不导电时间而大于足以实现此所需的时间，这样一种诊断负载故障的方法已公开于例如专利文献1中。在此文献所公开的故障诊断方法是这样一种方法：在驱动负载时提供一诊断脉冲，将此负载的接地端子一侧产生此诊断脉冲的浪涌电压的积分值与预定值比较，然后将此比较结果考虑在内来诊断故障。

但当例如电磁阀一类负载是通过PWM驱动作动态操作时，读取连接点电压电平的时间必须与驱动脉冲同步。这即使是采用计算机，对相应系统软件也是一个沉重的负担，尤其是当PWM驱动脉冲的基频很高时。例如当PWM驱动脉冲的基频为10KHz而输出数据是“5％不导电的”时，读出此连接点的电平输出的计算机需要以5μs计时保持与此输出同步、这同单纯地开/关驱动情形相比显然增大了此系统软件的负担。

此外，在PWM驱动负载的情形中，负载驱动定时经常改变，还由于极难使进行的检测与此同步，于是会出现不易稳定与精确地进行负载故障诊断的问题。

为此，本发明的一个目的在于提供能解决上述已有技术中的问题的诊断负载故障的方法与设备。

本发明的另一目的在于提供能简单和精确地诊断PWM驱动的负载中是否出现故障的诊断负载故障的方法与设备。

本发明的再一个目的在于提供处理负载故障的方法与设备，能在PWM驱动负载中发生故障时合适地处理这种负载故障。

发明内容

为了实现上述目的，本发明当负载是由PWM驱动时对此负载一端产生的电压信号进行积分，将所得到的积分值与根据为PWM设定的驱动脉冲的瞬时占空比的基准值比较，将此比较结果考虑在内诊断负载故障。当此负载为正常时，上述积分值与施加给此负载的电压信号的占空比具有预定的关系，而当此负载有故障时，此积分输出不会变为预期的值。于是通过评价此积分值就能诊断负载故障的性质，而能据此适当地处理负载故障。

本发明的一个特征在于，用来诊断PWM驱动的负载是否有故障的故障诊断方法包括：获得由PWM驱动在负载一端产生的电压信号的积分值的第一步骤；考虑为此PWM驱动设定的占空比而确定一基准值的第二步骤；通过比较上述积分值与基准值来判定负载故障的存在/不存在的第三步骤。

上述电压信号可以是由PWM驱动于负载的一端产生的电压信号。在上述第三步骤，通过比较考虑此设定的占空比而确定的基准值与此积分值而能判定负载中是否发生故障。这是由于若是已发生断线、短路或其他这类故障，则此瞬时积分值将与该期望值显著不同。由于本发明形成为能根据在此方式下由PWM驱动在负载一端产生的电压信号的积分值来进行负载故障诊断，就能不论此负载是否为电感应的即是否为一电感体来进行故障诊断，这是因为读取此待检测的信号并不要求与规定的信号同步。

本发明的另一特征在于，用于诊断由驱动装置作PWM驱动的负载是否有故障的故障诊断设备包括：用以获取在由PWM驱动的负载的一端产生的电压信号的积分值的积分装置；对于此PWM驱动将设定的占空比考虑在内时，确定用以评价该积分值适合程度的基准值的确定装置；以及通过比较此积分值与基准值以判别此负载是否有故障的判别装置。

本发明的又一特征在于，在用于诊断PWM驱动的负载是否有故障的故障诊断方法中，获得由PWM驱动的负载一端产生的电压信号积分值；同时对于此PWM驱动通过比较此积分值与一设定的占空比来判别此负载存在/不存在故障。

本发明的又一特征在于，在用于诊断PWM驱动的负载是否有故障的故障诊断方法中，此负载是否有故障的检测是与此PWM驱动的负载一端产生的电压信号异步地进行。

本发是的又一特征在于，可应用于诊断PWM驱动的负载是否有故障并对其进行处理的处理负载故障的方法包括：获得PWM驱动的负载一端产生的电压信号的积分值的步骤；相对于PWM驱动将一设定的占空比考虑在内，确定基准值的步骤；通过比较此积分值与基准值来判别此负载的故障存在/不存在的步骤；当判别出此负载中存在故障时，识别此故障并依据此识别结果对此负载设定输出信号的步骤。

本发明的又一特征在于，可应用于诊断由驱动装置作PWM驱动的负载是否有故障并对其进行处理的处理负载故障的设备包括：获得PWM驱动的负载一端产生的电压信号的积分值的积分装置；相对于PWM驱动将一设定的占空比考虑在内，确定用以评价该积分值适合程度的基准值的确定装置；通过积分值与基准值比较经负载是否存在故障的判断装置；当判断装置判别出此负载中存在故障时，识别此负载故障并依据此识别结果对此负载设定输出信号的装置。

本发明的又另一特征在于，可应用于诊断PWM驱动的负载是否有故障并对其进行处理的处理负载故障的方法，是通过监控PWM驱动的负载一端产生的电压信号的积分值来识别此负载的故障并据此故障识别结果对此负载设定输出信号。

附图说明

图1是示明本发明一实施例的故障诊断设备的框图。

图2是图1中的控制脉冲信号的波形图。

图3是图1中的电压信号的波形图。

图4是曲线图，用于说明图1中所示故障诊断设备中设定的占空比与平滑化的输出电压的电平间的关系。

图5是流程图，示明图1所示故障诊断设备中执行的故障诊断程序。

图6是流程图，示明本发明的另一故障诊断程序。

图7是图6中故障处理步骤的详细流程图。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明一实施例。

图1是示明本发明一实施例的故障诊断设备的框图。图中的标号1指一用于对图中未示明的汽车发动机进行电子控制操作的发动机控制计算机系统。在本实施例中，作为负载的例子是一电磁阀2，用于控制供给汽车发动机的燃油量并由计算机系统1以PWM方式驱动与控制。

计算机系统1包括传统的微机，此微机具有中央处理器(CPU)3、存储器5与输入/输出接口器件(I/O器件)6，它们由总线7互相连接。存储于存储器5中的发动机作业控制程序由CPU3执行，根据通过I/O器件6输入CPU3的作业条件数据D，计算电磁阀2的受控变量。由于此所计算出的受控变量是由PWM驱动电磁阀2所获得，依据在CPU3中计算出的受控变量控制此CPU3输出的控制脉冲信号P1占空比。此控制脉冲信号P1发送给用于开/关驱动电磁阀2的驱动装置的驱动电路4。

驱动电路4包括以图示方式连接的开关晶体管4A和电阻器4B，而电磁阀2则连接于开关晶体管4A的集电极与DC电源+V之间以构成用于驱动此电磁阀2的传统电路。开关晶体管4A构成为响应控制脉冲信号P1而为导通的或不导通的，当开关晶体管4A为导通的时，打开电磁阀2所需规定电平的驱动电流便从DC电源+V流到电磁阀2使其处于阀开启状态。另一方面，当开关晶体管4A是不通电时，由于电阻器4B的电阻显著地大于电磁阀2的驱动螺线管(未图示)的电阻，故基本上无驱动电流流通电磁阀2，从而电磁阀2取阀关闭状态。这样，当响应控制脉冲信号P1的电平由开关装置给电磁阀2施加一驱动电压信号时，此电磁阀2便依据控制脉冲信号P1的占空比而为PWM驱动进行通/断操作。

于电磁阀2和开关晶体管4A的集电极之间连接点处产生的电压信号VA的电平，于是便如图3所示依据图2所示控制脉冲信号P1的电平变化而变化。特别是加到此电磁阀2上的电压信号VA，对于用作开关元件的开关晶体管4A始终不通电时的100％占空比的状态与其始终导通时的0％占空比的状态之间，取这两状态间之一或另一。但当电磁阀2断电或短路时，电压信号VA不变地保持为接地电平或电源电压电平。

图1所示的计算机系统1装备有故障诊断单元10，它利用上述事实诊断电磁阀2。此故障诊断单元10具有平滑电路11，它当电磁阀2是由控制脉冲信号P1依前述方式作PWM驱动时，输入连接点A处产生的电压信号VA。

在图1的实施例中，驱动电路4是用NPN晶体管构成因而安装于电磁阀2与地面之间。电压信号VA于是是电磁阀2在地面侧端部的电压信号。但驱动电路4也可以用PNP晶体管构成。此时的驱动电路4安装在电磁阀2与DC电源+V之间，而在此DC电源+V一侧的电磁阀2的端部处产生的电压信号于是便用作输入给平滑电路11的电压信号。平滑电路11是用以对给定的输入信号进行积分的电路，它用电阻器12与电容器13构成R-C平滑电路以积分电压信号VA。从平滑电路11获得的平滑化输出电压VB的电平表示电压信号VA的积分值。此平滑化的输出电压VB发送给CPU3中的模/数(A/D)变换器而将其值数字化，然后存储于输入寄存器3B中。

下面参照图4说明电压信号VA的占空比与平滑化输出电压VB的电平间的关系。

当用于PWM驱动的脉冲电流响应控制脉冲信号P1流入电磁阀2时，电压信号VA的占空比与平滑的输出电压VB的电平间的关系如特性曲线(X)所示为直线的。但当电磁阀2有故障，此线性关系不再保持。例如若电磁阀2短路接地，连接点A处的电压近似于接地电平面与开关晶体管4A的通或断无关，且由于此平滑化输出电压VB因此而基本上保持为零，这种状态与特性曲线(Y)一致。当电磁阀2断电时，这种状态同样与特性曲线(Y)一致。

基于电压信号VA的占空比与平滑化输出电压VB的电平间的关系，通过检查此平滑化输出电压VB对于控制脉冲信号P1的瞬时占空比，即对于PWM驱动设定的占空比是否为一正常值，而可以判断此电磁阀2是否正常。

为了根据此光滑地输出电压VB与控制脉冲信号P1间的上述关系来进行电磁阀2的故障诊断，按以下所述由CPU3处理平滑化输出电压VB。应知由于电压信号VA与控制脉冲信号P1的极性如图2与3所示相反，控制脉冲信号P1的占空比与平滑化输出电压VB间的关系便与图4中虚线所表示的特性曲线(Z)一致。为此，在以下说明的故障诊断程序中，比较平滑化输出电压VB与设定的占空比(控制脉冲信号P1的占空比)的结果的评定中，考虑到了图4中特性曲线(X)与(Y)之间的相反关系。特别是此程序构造成，一旦将此设定的占空比变换为电压信号VA的占空比，即可评价此变换结果与平滑化输出电压VB的电平间的关系是否与图4的特性曲线(X)一致。

图5是流程图，示明CPU3中执行的故障诊断操作的顺序。CPU3中的故障诊断操作通过执行存储点5中事先存储的故障诊断程序。由程控的计算进行处理。图5是表示此故障诊断程序流程图。

首先于步骤S1，从输入寄存器3B读出表明从A/D变换器3A获得的平滑化输出电压VB的电平值的数据。然后于步骤S2，根据在此时刻输出的控制脉冲信号P1，计算出PWM驱劝电磁阀2的设定占空比。再于步骤S3，判别步骤S1中读出的平滑化输出电压VB的电平值与根据步骤S2计算出的设定占空比获得的电压信号VA的占空比是否与图4所示的规定特性曲线(X)一致。依据这两者的关系是否在中心定在图4的特性曲线(X)上的正常范围N内，上述判别步骤确定电磁阀2是否有故障。

当平滑化输出电压VB的电平值与电压信号VA的占空比之间关系在图4所示的正常范围N内时，步骤S3的判别结果为“是”，此控制返回到步骤S1而重复步骤S1～S3的处理。

当平滑化输出电压VB的电平值与电压信号VA的占空比之间关系不在正常范围N中时，步骤S3的判别结果为“否”，判定电磁阀2有故障而控制进到步骤S4。当例如局部短路状态如层间短路存在于电磁阀2中时，平滑输出电压VB的电平值与电压信号VA的占空比之间关系将沿着与特性曲线(Y)相反的方向显著地偏离图4中的正常范围N。这在电源短路的情形也是如此。在步骤S4，执行故障对抗措施以中止驱动电磁阀2并截止给发动机(未图示)供给燃料，在此结束故障诊断程序。

故障诊断单元10当电磁阀2在依据控制脉冲信号P1的设定占空比下是PWM驱动的时，则判别电磁阀2为正常的。但当电磁阀2中发生断线、短路或类似现象发生时，平滑电路11的平滑输出电压VB的电平对于所需的占空比未能成为正常值，而电磁阀2的故障即可根据这一事实检测出。这样，在电磁阀2的PWM驱动之际于电磁阀2接地侧的终端部分上产生的电压信号VA为平滑电路11积分，将此平滑化输出电压VB的电平即这样获得的积分值与根据瞬时的设定占空比的基准值比较，就能根据此比较结果诊断负载故障(短路或断线)，由此得知，为诊断故障读出连接点A的电平的时间并无限制，结果不会给系统软件加重负担。此外，当电磁阀2中发生初始的断线或短路时，可以认为平滑电路11的平滑输出电压VB的电平将不是由设定占空比所确定的规定值，从而也可以检测这类故障。

以上的实施例是相对于PWM驱动负载是电磁阀的例子进行说明。但本发明并不局限于PWM驱动电磁阀情形中的故障诊断，而是可以类似地用于诊断不同于电磁阀的负载故障，例如马达、各种磁致动器等的故障。

下面说明处理负载故障的方法与设备的有关实施例，即采用一种负载诊断方法诊断如前所述的在PWM驱动负载中是否已发生故障，检测是否与PWM驱动的负载一端产生的电压信号异步地发生有负载故障，通过监控此负载一端产生的电压信号的积分值来识别负载故障，考虑此故障识别结果而对此负载设定一输出信号。

正如相对于图4所说明的，特性曲线(Y)与水平轴线间的区域是故障区，其中将电磁阀Z设定为断电的或对接地侧短路(以后称此区为“异常区1”)，而在此N区的下边界Na与特性曲线(Y)之间的区域则是假设电磁阀Z在其中具有对接地侧准短路的故障区(下面称之为“异常区2”)。因此，通过监控上述积分值，电磁阀2中出现的任何异常性(故障)就可予以识别而且可根据此识别结果作出综合考虑，通过对此电磁阀2设定一输出，依照这种异常性的性质作出适当处理。

表示按上述方式处理故障的一个独立的故障诊断程序的流程图示明于图6。这一故障诊断程序也事先存储于存储器5中，并通过CPU3执行以进行下述操作。

图6的流程图中步骤S11～S13相当于图5中的步骤S1～S3，因而步骤S11～S13的说明在此不再重复。当步骤S13的判别结果为“否”，也即当发现电磁阀2中产生故障后，控制进到步骤14用于处理此故障。

图7是此故障处理步骤的详细流程图，参看图7，首先于步骤S21判别此电磁阀2的故障是否在异常区1，当电磁阀2的故障是在异常区1中时，步骤S21的结果为“是”，控制进到步骤S24。于步骤S24，当确定此故障是断线或GND(接地)短路，通过将控制脉冲信号P1的占空比固定于0％而处理此故障，然后终止此程序(S26)。

当于步骤S21出现电磁阀2的故障不是在异常区1，步骤S21的判别结果为“否”，而控制进到步骤S22。

于步骤S22判别电磁阀2的故障是否在异常区2。

当于步骤S22发现电磁阀2的故障在异常区2，步骤S22的结果为“是”，控制进到步骤S25。于步骤S25判定此故障为准GND短路，通过将控制脉冲信号P1的占空比固定于0％而处理此故障，然后终止此程序(S26)。

当于步骤S22发现电磁阀2的故障不在异常区2，步骤S21的结果为“否”，控制进到步骤S23。

于步骤S23，考虑到了步骤S21与S22两者中的判别结果为“否”，即判定电磁阀2的故障是局部短路状态，例如电磁阀中存在层间断路或电源短路，则将控制脉冲信号P1的输出继续设定于规定常数值的占空比，然后终止此程序(步骤S26)。

在图7中于步骤S23、S24与S25相对于输出信号设定占空比的方式只是一个例子。本发明并不局限于这一例子而是可以有其他种种设定方式。例如步骤S25可以构造成将占空比固定于不使开关晶体管4A过热的水平而不是固定于0％。

步骤S14进行的故障处理能使电磁阀2根据其故障性质来驱动，而不是如图5的步骤S4中所进行的不加选择地中止驱动电磁阀2那样的故障处理，即是当其有故障时能够继续驱动电磁阀Z，而得以使与之相关的发动机的汽车能在自身的动力下行驶。

于是，如前所述，本发明具体表现为根据加到负载上的脉冲信号的积分值来诊断负载故障，这样由于读出所检测的信号时并不要求与规定的信号同步，就能与此负载是否为电感应的即是否为一电感体无关而进行故障诊断。由于这种方法不需限定进行诊断所需的信号电平读出时间，故在计算机处理中不会加重对系统软件的负担。结果，由于负载的PWM驱动，即便是当负载的驱动时刻不断变动时也能实现简便与精确的故障诊断。此外，可以识别负载故障而由此设定输出，从而能在故障性质确定的限度内实现负载驱动。

本发明的负载故障的诊断与处理方法有助于改进负载诊断与处理系统，这是由于如前所述，它们能与负载一端产生的电压信号异步地进行负载故障诊断并据此采取相应的对策。

Claims (8)

1.一种故障诊断方法，用来诊断PWM驱动的负载是否有故障，包括：获得由PWM驱动在负载一端产生的电压信号的积分值的第一步骤；考虑为此PWM驱动设定的占空比而确定一基准值的第二步骤；通过比较上述积分值与基准值来判定负载故障的存在/不存在的第三步骤。

2.一种故障诊断设备，用于诊断由驱动装置作PWM驱动的负载是否有故障，包括：用以获取在由PWM驱动的负载的一端产生的电压信号的积分值的积分装置；对于此PWM驱动将设定的占空比考虑在内时，确定用以评价该积分值适合程度的基准值的确定装置；以及通过比较此积分值与基准值以判别此负载是否而故障的判别装置。

3.一种故障诊断方法，用于诊断PWM驱动的负载是否有故障，其中，获得在此PWM驱动的负载一端产生的电压信号积分值，同时对于此PWM驱动通过比较此积分值与一设定的占空比来判别此负载存在/不存在故障。

4.一种故障诊断方法，用于诊断PWM驱动的负载是否有故障，其中此负载是否有故障的检测是与此PWM驱动的负载一端产生的电压信号异步地进行。

5.一种处理负载故障的方法，可应用于诊断PWM驱动的负载是否有故障并对其进行处理，包括：获得PWM驱动的负载一端产生的电压信号的积分值的步骤；相对于PWM驱动将一设定的占空比考虑在内，确定基准值的步骤；比较此积分值与基准值来判别此负载的故障存在/不存在的步骤；当判别出此负载中存在故障时，识别此故障并依据此识别结果设定输出信号的步骤。

6.根据权利要求5所述的处理负载故障的方法，其中故障的识别是根据比较上述积分值与基准值的结果而进行的。

7.一种处理负载故障的设备，可应用于诊断由驱动装置作PWM驱动的负载是否有故障并对其进行处理，包括：获得PWM驱动的负载一端产生的电压信号的积分值的积分装置；相对于PWM驱动将一设定的占空比考虑在内，确定用以评价该积分值适合程度的基准值的确定装置；通过此积分值与基准值比较判别此负载是否有故障的判别装置；当判别出此负载中存在故障时，识别此负载故障并依据此识别结果对此负载设定输出信号的装置。

8.一种处理负载故障的方法，可应用于诊断PWM驱动的负载是否有故障并对其进行处理，其中通过监控PWM驱动的负载一端产生的电压信号的积分值来识别此负载的故障并据此故障识别结果对此负载设定输出信号。

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