數(shù)學(xué)通道的應(yīng)用(十六)-無(wú)刷直流電機(jī)燃油泵

最近有一些咨詢關(guān)于電子換向電機(jī)（EC）燃油泵運(yùn)行和診斷方面的問題，我認(rèn)為這是一個(gè)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(jī)為混合動(dòng)力汽車或者純電動(dòng)汽車供電。

長(zhǎng)話短說，這里有一個(gè)3.0升V6的汽油車 奧迪SQ5，發(fā)動(dòng)機(jī)代碼為CWGD，出現(xiàn)燃油泵（G6）燃油壓力不足的問題。請(qǐng)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(shí)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(dòng)機(jī)。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(hào)都捕獲下來。

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(gè)問題的答案。除了支承軸承之外，這種電機(jī)幾乎不會(huì)磨損。由于沒有電刷，因此運(yùn)動(dòng)的電機(jī)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(jī)稱為BLDC，無(wú)刷直流電機(jī)）

有刷電機(jī)通常會(huì)出現(xiàn)磨損和電弧(火花)，如圖2和圖3所示。

圖2 有刷電機(jī)出現(xiàn)磨損

圖3 有刷電機(jī)出現(xiàn)火花

除了上面我介紹的一些EC電動(dòng)機(jī)原理，您還可以看下面這個(gè)講解視頻：

要使電機(jī)里的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，我們需要在定子周圍產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子將跟著這個(gè)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。如果將轉(zhuǎn)子連接到泵件，則可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成為物理壓力。這個(gè)工作原理適用于所有應(yīng)用，無(wú)論是將EC電機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行期間電壓和電流的變化。請(qǐng)注意看通道A、B和C的電壓是如何在0 V時(shí)出現(xiàn)截止的，但是這個(gè)時(shí)候電流卻是反向的！

圖4 電壓電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

我們捕獲到的直流電壓信號(hào)并不能說明所有的問題，因?yàn)槲覀儨y(cè)量的是對(duì)地電壓。實(shí)際上圖中電壓信號(hào)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(cè)你想知道的那個(gè)相。尤其是在測(cè)試高壓系統(tǒng)時(shí)，會(huì)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(cè)量“電流”，能夠以非侵入式的方式揭示整個(gè)電機(jī)的工作情況，并提供一些數(shù)據(jù)作為證據(jù)。測(cè)量電流可以顯示出：

• 電機(jī)的其他運(yùn)行特性
• 磁場(chǎng)/線圈繞組是否完好
• 電機(jī)/泵的動(dòng)作
• 控制電路是否正常
• 電機(jī)的頻率/轉(zhuǎn)速
• 電機(jī)負(fù)載情況

這里我提一下，磁場(chǎng)對(duì)電壓和電流確實(shí)是有影響的。最好的一個(gè)例子是，在測(cè)量噴油嘴電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在圖5中，我們捕獲了針閥剛開始時(shí)的動(dòng)作（噴油嘴打開），然后線圈繞組周圍的磁場(chǎng)發(fā)生了變化（因此導(dǎo)致電流信號(hào)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折），并且在針閥返回到閥座時(shí)（噴油嘴關(guān)閉）再次產(chǎn)生了感應(yīng)電壓（反電動(dòng)勢(shì)）。

圖5 噴油嘴電壓和電流

那么這與我們的BLDC電機(jī)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”。

圖6 確定轉(zhuǎn)子位置

在圖6中A通道信號(hào)上的每個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)附近，灰色矩形框內(nèi)電壓信號(hào)比較特別（每一段電壓信號(hào)具有相同的特性）。相電壓信號(hào)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(gè)電壓來確定轉(zhuǎn)子的位置，不需要加多一個(gè)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(duì)于確定定子繞組的通電順序以及產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（EC）至關(guān)重要。

請(qǐng)注意，由于上述原因，我們無(wú)法在每個(gè)電壓相末端看到反向的感應(yīng)電壓（請(qǐng)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(gè)間隙，但是在這段間隙中，負(fù)電壓出現(xiàn)的時(shí)間很短暫，瞬間就消失了。還有一點(diǎn)，在我們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算之前，要注意電源頻率與轉(zhuǎn)子/泵轉(zhuǎn)動(dòng)頻率之間的關(guān)系。

圖7 電源頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的關(guān)系

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

假設(shè)我們的泵包含一個(gè)4極轉(zhuǎn)子（1對(duì)N極和1對(duì)S極），因此轉(zhuǎn)子磁極對(duì)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(dòng)頻率。換句話說，對(duì)于4極轉(zhuǎn)子，需要2個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率信號(hào)（條件允許的情況下），同時(shí)還用示波器捕獲三相中某一相的電流。
然后在電機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，算出某一相電流信號(hào)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(jì)算出三相電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)是30。

圖8 計(jì)算轉(zhuǎn)子極數(shù)

請(qǐng)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(dòng)頻率捕獲不準(zhǔn)確，這肯定會(huì)造成轉(zhuǎn)子極數(shù)的計(jì)算錯(cuò)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(jì)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?yàn)槲覀兊霓D(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(huì)提高轉(zhuǎn)速，但會(huì)降低扭矩。
• 增加轉(zhuǎn)子極數(shù)會(huì)降低轉(zhuǎn)速，但會(huì)增加轉(zhuǎn)矩。

圖9故障燃油泵

在上方圖9中，可以看到這個(gè)燃油泵以10000 rpm的固定轉(zhuǎn)速運(yùn)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(duì)比。

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(shí)轉(zhuǎn)速約3200rpm和電流為5.4A。另外要注意的是，時(shí)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(shí)，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(shí)電流保持在5.4 A，這是為了無(wú)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(yùn)轉(zhuǎn)。可以肯定的是，測(cè)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(qǐng)記住，壓力的作用方向與燃油流動(dòng)方向相反。圖9中捕獲的燃油泵信號(hào)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。

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(dòng)機(jī)艙，這就是舊燃油泵的故障根源。