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數(shù)學(xué)通道的應(yīng)用(十六)-無刷直流電機燃油泵

虹科Pico汽車示波器 ? 2022-05-24 16:19 ? 次閱讀

最近有一些咨詢關(guān)于電子換向電機(EC)燃油泵運行和診斷方面的問題,我認(rèn)為這是一個很好的主題,因此在這里分享給大家。

EC的工作原理我們必須學(xué)習(xí)和掌握,EC在未來可以通過三相電機為混合動力汽車或者純電動汽車供電

長話短說,這里有一個3.0升V6的汽油車 奧迪SQ5,發(fā)動機代碼為CWGD,出現(xiàn)燃油泵(G6)燃油壓力不足的問題。請注意,燃油泵G6集成在燃油輸送裝置總成中,組合成了燃油供給單元(GX1),然后安裝在燃油箱內(nèi)。燃油泵通過外部燃油泵控制單元(J538)進(jìn)行控制,在該單元中實現(xiàn)了從直流電到三相交流電的轉(zhuǎn)換。要記住的是,在任何負(fù)載情況下,我們都要求燃油泵能夠從油箱輸送足夠多的燃油到發(fā)動機。圖1中我們連接了Pico示波器4823,將出現(xiàn)故障的燃油泵上的三相電壓和電流信號都捕獲下來。

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圖1 各相電壓和電流

那么,為什么要在燃油泵上采用如此復(fù)雜的控制系統(tǒng)呢?


性能、有限控制、可靠性和耐用性都是這個問題的答案。除了支承軸承之外,這種電機幾乎不會磨損。由于沒有電刷,因此運動的電機部件之間沒有接觸。這樣就消除了有害摩擦和電弧。(這類電機稱為BLDC,無刷直流電機)

有刷電機通常會出現(xiàn)磨損和電弧(火花),如圖2和圖3所示。

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圖2 有刷電機出現(xiàn)磨損

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圖3 有刷電機出現(xiàn)火花

除了上面我介紹的一些EC電動機原理,您還可以看下面這個講解視頻



要使電機里的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),我們需要在定子周圍產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子將跟著這個磁場旋轉(zhuǎn)。如果將轉(zhuǎn)子連接到泵件,則可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成為物理壓力。這個工作原理適用于所有應(yīng)用,無論是將EC電機連接到變速箱、車輪還是輸出軸都是可以的。

在圖4中,我們放大了波形,分析泵/電動機運行期間電壓和電流的變化。請注意看通道A、B和C的電壓是如何在0 V時出現(xiàn)截止的,但是這個時候電流卻是反向的!

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圖4 電壓電流對應(yīng)關(guān)系

我們捕獲到的直流電壓信號并不能說明所有的問題,因為我們測量的是對地電壓。實際上圖中電壓信號是反向的,這是為了將通道D、E和F捕獲的各相繞組電流反向。


如果您希望捕獲負(fù)電壓,則需要使用差分探頭測你想知道的那個相。尤其是在測試高壓系統(tǒng)時,會要用到差分探頭,而且要確保您受過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)并配備相關(guān)的防護(hù)裝備。

綜上所述,通過測量“電流”,能夠以非侵入式的方式揭示整個電機的工作情況,并提供一些數(shù)據(jù)作為證據(jù)。測量電流可以顯示出:

  • 電機的其他運行特性
  • 磁場/線圈繞組是否完好
  • 電機/泵的動作
  • 控制電路是否正常
  • 電機的頻率/轉(zhuǎn)速
  • 電機負(fù)載情況

這里我提一下,磁場對電壓和電流確實是有影響的。最好的一個例子是,在測量噴油嘴電流時會出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點。在圖5中,我們捕獲了針閥剛開始時的動作(噴油嘴打開),然后線圈繞組周圍的磁場發(fā)生了變化(因此導(dǎo)致電流信號出現(xiàn)轉(zhuǎn)折),并且在針閥返回到閥座時(噴油嘴關(guān)閉)再次產(chǎn)生了感應(yīng)電壓(反電動勢)。

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圖5 噴油嘴電壓和電流

那么這與我們的BLDC電機有什么關(guān)系呢?

圖6里的波形顯示了,在正的峰值電流和負(fù)的峰值電流之間有一段電流為零,轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極分別是“N極”和“S極”。

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圖6 確定轉(zhuǎn)子位置

在圖6中A通道信號上的每個起點和終點附近,灰色矩形框內(nèi)電壓信號比較特別(每一段電壓信號具有相同的特性)。相電壓信號是電流從通電到斷電過程中,在繞組內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓,燃油泵控制器根據(jù)這個電壓來確定轉(zhuǎn)子的位置,不需要加多一個旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)式位置傳感器就可以確定轉(zhuǎn)子的位置。


知道轉(zhuǎn)子的位置對于確定定子繞組的通電順序以及產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(EC)至關(guān)重要。

請注意,由于上述原因,我們無法在每個電壓相末端看到反向的感應(yīng)電壓(請參見圖4下方的段落介紹)。也就是說,我們可以在末端看到一個間隙,但是在這段間隙中,負(fù)電壓出現(xiàn)的時間很短暫,瞬間就消失了。還有一點,在我們進(jìn)行數(shù)學(xué)運算之前,要注意電源頻率與轉(zhuǎn)子/泵轉(zhuǎn)動頻率之間的關(guān)系。

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圖7 電源頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的關(guān)系

電源頻率和電機(轉(zhuǎn)子/泵)轉(zhuǎn)動頻率的關(guān)系和磁極對數(shù)有關(guān),磁極對數(shù)=轉(zhuǎn)子極數(shù)/2。

假設(shè)我們的泵包含一個4極轉(zhuǎn)子(1對N極和1對S極),因此轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)為4/2=2。也就是說,4極轉(zhuǎn)子的電源頻率除以2就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率。換句話說,對于4極轉(zhuǎn)子,需要2個電源周期才能讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈。

如果您不知道轉(zhuǎn)子的極數(shù),可以使用光學(xué)傳感器捕獲電機轉(zhuǎn)動頻率信號(條件允許的情況下),同時還用示波器捕獲三相中某一相的電流。
然后在電機的一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi),算出某一相電流信號的周期數(shù),再乘以2得出轉(zhuǎn)子極數(shù)。圖8通過上述方法計算出三相電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)是30。

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圖8 計算轉(zhuǎn)子極數(shù)

請注意,由于減速齒輪等原因,轉(zhuǎn)子可能沒有直接連接到光學(xué)傳感器上,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率捕獲不準(zhǔn)確,這肯定會造成轉(zhuǎn)子極數(shù)的計算錯誤。


現(xiàn)在我們回到有故障的燃油泵,我們可以從圖1捕獲的原始數(shù)據(jù)中得到什么信息呢?

使用數(shù)學(xué)通道LowPass((abs(D)+ abs(E)+ abs(F))* 0.333,50),以確定燃油泵所消耗的平均電流(包括所有三相的電流)。
LowPass可以使交流紋波變得平滑,也就是低通濾波;(abs(D)+ abs(E)+ abs(F))* 0.333是三相整流的平均電流值;
50是指低通濾波的頻率(50Hz)。為了計算轉(zhuǎn)子/泵的轉(zhuǎn)速,使用數(shù)學(xué)通道60*2*freq(D)/ 4(60*2*電源頻率/轉(zhuǎn)子極數(shù))。
60是將Hz轉(zhuǎn)換為RPM;由于交流電存在正負(fù),所以需要乘以2;除以4是因為我們的轉(zhuǎn)子有4極。注意:轉(zhuǎn)子/泵的轉(zhuǎn)速取決于電源頻率和轉(zhuǎn)子極數(shù)。

  • 增加電源頻率會提高轉(zhuǎn)速,但會降低扭矩。
  • 增加轉(zhuǎn)子極數(shù)會降低轉(zhuǎn)速,但會增加轉(zhuǎn)矩。

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圖9故障燃油泵

在上方圖9中,可以看到這個燃油泵以10000 rpm的固定轉(zhuǎn)速運行,消耗的平均電流為7.6A。

現(xiàn)在,將其與圖10中新的正常的燃油泵所捕獲的波形進(jìn)行對比。

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圖10 正常燃油泵

肯定是有區(qū)別的。查看圖10中燃油泵的轉(zhuǎn)速和消耗電流,空載時轉(zhuǎn)速約3200rpm和電流為5.4A。另外要注意的是,時間標(biāo)尺之間的電流頻率(D通道)降低到了109.1 Hz,從而導(dǎo)致了泵的轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)燃油泵在最大負(fù)載工況下工作時,轉(zhuǎn)速約7787rpm,所耗電流為10.4A。

總結(jié)一下,新的燃油泵轉(zhuǎn)速在3200rpm時電流保持在5.4 A,這是為了無負(fù)載的工況下保持足夠的燃油壓力(電流較小,轉(zhuǎn)速較低,以獲得足夠的燃油壓力)。由于燃油壓力不足,舊的燃油泵則是電流為7.6A,以10000rpm的轉(zhuǎn)速在運轉(zhuǎn)。可以肯定的是,測量電流可以揭示燃油泵的工作情況,這在圖10中燃油泵在有負(fù)載下的波形里體現(xiàn)得非常明顯。那么,舊的燃油泵出現(xiàn)了什么問題呢?請記住,壓力的作用方向與燃油流動方向相反。圖9中捕獲的燃油泵信號表明,泵在10000 rpm的轉(zhuǎn)速下輸送燃油,但是這些燃油去了哪里?我們接下來看看集成在燃油供給單元(GX1)里的燃油壓力調(diào)節(jié)器的膜片。

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圖11 膜片破裂

燃油壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)的膜片出現(xiàn)破裂,因此導(dǎo)致大部分燃油流回到了油箱,而不是沿著燃油管輸送到發(fā)動機艙,這就是舊燃油泵的故障根源。

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