专利名称：汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车电子技术，特别涉及汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法和装置。
背景技术：
在汽车中，发动机的起动需要外力帮助，为此在汽车上设置专门用于启动发动机的起动机。起动机一般包含三个部分:直流电机，其从蓄电池提取电能并且使起动机的驱动齿轮产生机械运动；传动机构，其将驱动齿轮啮合入飞轮齿圈，同时能够在发动机起动之后自动脱开；以及电磁开关，用于控制起动机电路的通断。
直流电机是汽车起动机的主要部件，其包括电枢、换向器、定子磁极、电刷、轴承和外壳等。外壳保护电机免受外部影响，在其内部安装有定子磁极。电机的转动部分也称为电枢，它由铁心、绕组、换向器以及电枢轴组成。铁心由许多压装在电枢轴上的、彼此绝缘的叠片组成，它们也是导磁体。在叠片外表面开设槽，槽内布设铜线。铜线按照一定的绕组圈相互连接组成绕组，并与换向器的换向片焊接在一起，以形成电枢绕组。通过碳刷向电枢供电，碳刷在换向器上滑动，可给各个换向片供电，使电流总是在一个方向上在对应励磁的N极流入绕组，从对应励磁的S极的绕组流出。
起动机的工作状况比较复杂，非常容易出现各种故障，例如绕组局部断路、电刷磨损、换向器局部短路等，从而影响正常运行，甚至导致汽车无法起动的情况。因此，需要对汽车起动机中的直流电机的故障进行检测和诊断的有效方法。发明内容
本发明的目的是提供一种汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法，其能够准确、及时地发现故障。
本发明的上述目的由下列技术方案实现: 一种汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法，包括下列步骤: 采集所述直流电机的电枢电流信号，其中，采样频率与所述直流电机的转速同步； 借助快速傅立叶变换将采集的电枢电流信号从时间域变换到频率域；根据所述电枢电流信号在频率域的特征谱线判断其是否出现故障以及故障的类型。
优选地，在上述诊断方法中，按照下列方式判断是否出现故障以及故障的类型: 将所述频率域划分为多个范围并确定每个所述范围内的特征谱线的半峰宽；将所述电枢电流信号在各个所述范围内的特征谱线的半峰宽与故障判定阈值表进行比较以确定是否出现故障以及故障的类型。
优选地，在上述诊断方法中，将对应于所述电枢电流信号的纹波频率的特征谱线的半峰宽作为基准值并由此将其它特征谱线的半峰宽确定为相对于基准值的相对值。
优选地，在上述诊断方法中，所述故障类型包括直流电机线圈短路、绕组元件与换向片开焊、相邻导体短路和转子偏心。
优选地，在上述诊断方法中，按照下列方式采集所述直流电机的电枢电流信号: 以一个固定的速率对所述电枢电流信号进行模数转换以获得数字信号流；以及 根据所述直流电机的转速从所述数字信号流中选择样本以确保所述采样频率与所述直流电机的转速同步。
本发明的还有一个目的是提供一种用于诊断汽车起动机中的直流电机故障的装置，其能够准确、及时地发现故障。
本发明的上述目的由下列技术方案实现: 一种用于诊断汽车起动机中的直流电机故障的装置，包括: 转速检测单元，用于检测所述直流电机的转速； 与所述转速检测单元耦合的信号采集单元，用于按照与所述直流电机的转速同步的采样频率采集所述直流电机的电枢电流信号； 与所述信号采集单元耦合的快速傅立叶变换单元，用于借助快速傅立叶变换将采集的电枢电流信号从时间域变换到频率域； 与所述快速傅立叶变换单元耦合的故障判断和分类单元，用于根据所述电枢电流信号在频率域的特征谱线判断其是否出现故障以及故障的类型。
优选地，在上述装置中，所述转速检测单元利用安装在所述直流电机的转轴附近的光栅编码器实现。
优选地，在上述装置中，所述信号采集单元包括传感元件、与所述传感元件耦合的A/D转换器和与所述A/D转换器耦合的同步器，其中，所述A/D转换器以一个固定的速率对所述电枢电流信号进行模数转换以获得数字信号流，所述同步器根据所述直流电机的转速从所述数字信号流中选择输出至所述快速傅立叶变换单元的样本以确保所述采样频率与所述直流电机的转速同步。
优选地，在上述装置中，所述故障判断和分类单元按照下列方式判断是否出现故障以及故障的类型: 将所述频率域划分为多个范围并确定每个所述范围内的特征谱线的半峰宽； 将所述电枢电流信号在各个所述范围内的特征谱线的半峰宽与故障判定阈值表进行比较以确定是否出现故障以及故障的类型。
优选地，在上述装置中，所述故障判断和分类单元将对应于所述电枢电流信号的纹波频率的特征谱线的半峰宽作为基准值并由此将其它特征谱线的半峰宽确定为相对于基准值的相对值。
优选地，在上述装置中，所述故障类型包括直流电机线圈短路、绕组元件与换向片开焊、相邻导体短路和转子偏心。
按照本发明的实施例，电枢电流信号的采样频率与直流电机的转速同步，从而消除了频谱特征的模糊性，这使得通过频谱分析进行故障诊断成为可能。此外，由于电枢电流信号所包含的纹波分量可反映直流电机运行状态的多种信息，因此可以快速、准确地定位故障类型。再者，在本发明的实施例中，根据特征谱线的半峰宽判断故障类型，与基于幅值的方式相比，这提高了故障识别的准确率。
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。


图1为按照本发明一个实施例的汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法的流程图。
图2a和2b示出了汽车起动机中的直流电机在匀速转动时的电流信号的典型示意图，其中图2a为波形图，图2b为频谱图。
图3a和3b示出了汽车起动机中的直流电机在非匀速转动时的电流信号的典型示意图，其中图3a为波形图，图3b为频谱图。
图4a和4b示出了汽车起动机中的直流电机在非匀速转动时以采样频率_转速同步方式获得的电流信号的典型示意图，其中图4a为波形图，图4b为频谱图。
图5为按照本发明另一个实施例的用于诊断汽车起动机中的直流电机故障的装置的示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述具体实施方式
来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具体实施方式
仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。
在本说明书中，“耦合”一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
图1为按照本发明一个实施例的汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法的流程图。
如图1所示，在步骤110，测量汽车起动机中的直流电机的电枢电流。在实际应用中，测得的电枢电流信号可以是利用A/D转换器，以一定的时间间隔采样得到的一系列测量值并将测量值转换为数字化值，从而得到数字信号流。电流的测量可以采用多种方式，例如基于电阻器的分压法和基于磁场效应的霍尔测量法，这些方法都可应用于这里。此外，这些测量值可以实时地由A/D转换器输出至数据处理设备(例如微处理器)，也可以先缓存在高速缓冲存储器内并且批量地输出至数据处理设备。
图2a示出了典型的直流电机电流波形图。
参见图2a，在电机匀速转动时，电流波形并非一条直线，而是一条围绕基线涨落的波动曲线，相当于在直流分量上叠加了交流分量(这种交流分量也称为纹波分量)。这种波动主要是由直流电机的下列结构特征决定的，即，电机换向器的换向片以一定的间隔排列，在转动时电刷与每个换向片依次接触，从而形成一系列的小尖峰。假设换向片数为k，则电流纹波频率f (也即尖峰出现的频率)与电机转速n存在下列关系: / = kxn(I) 图2b示出了图1所示电流信号的频谱图，其可通过快速傅立叶分析得到。由图2b可见，在与纹波频率f处出现明显的尖峰。
但是在汽车起动机工作期间，直流电机常常处于非匀速转动状态。图3a和3b分别示出了汽车起动机中的直流电机在非匀速转动时的电流波形图和频谱图。如图3a所示，此时纹波频率是随时间变化的，因此在图3b中的谱线为连续变化的曲线，这将导致频谱特征的模糊性和不确定性。
为此，在本发明的实施例中，通过使电流信号的采样频率与直流电机的转速同步来解决这个问题。具体而言，在步骤120中，获取直流电机的转速信号。直流电机的转速例如可以借助安装在直流电机转轴附近的光栅编码器来获取。
随后，在步骤130中，根据转速信号从A/D转换器输出的数字信号流中挑选出等角度间隔的电流信号样本，即，相当于直流电机每转过一个相同的角度时进行一次电流信号的采样，从而使得进行快速傅立叶变换的数据样本是等角度间隔的而不是等时间间隔的。
具体而言，在本实施例中，直流电机的转速n与转轴转过的角度W存在下列关系: w = k(￡)X T(2) 这里T为转动角度W所需的时间间隔，由于转速n(t)是随时间变化的，因此在W恒定(等角度间隔)时，T也是变化的。因此为了保持等角度间隔采样，需要根据变化的T，从A/D转换器输出的数字信号流中挑选时间间隔不同的电流信号样本。
图4a和4b示出了汽车起动机中的直流电机在非匀速转动时以采样频率_转速同步方式获得的电流信号的典型示意图，其中图4a为波形图，图4b为频谱图。图4a与图3a的不同之处在于横轴为直流电机转轴转过的角度。
需要指出的是，在步骤130中，虽然是通过从A/D转换器输出的数字信号流中挑选时间间隔不同的电流信号样本实现采样频率与直流电机转速同步的，但是也可以通过根据直流电机转速直接调整A/D转换器的采样速率来实现采样频率与直流电机转速的同步。
接着进入步骤140，对挑选后形成的电流信号样本施行快速傅立叶变换，从而将电流信号样本从时间域变换到频率域。如上所述，经过采样频率与转速同步之后，在频谱图上将呈现一条或多条分立的谱线。这些谱线的特征(例如位置、半峰宽和幅值等)可以被用来判断直流电机是否出现故障以及故障类型。
本发明的发明人经过深入研究后发现，谱线半峰宽的变化对故障非常敏感而且对于不同类型的故障还具有各自独特的“指纹”。因此在步骤150中，利用频谱图确定各条特征谱线的半峰宽。具体而言，按照本实施例，频谱图的频率域被划分为多个范围并确定每个范围内的特征谱线的半峰宽。在本实施例中，为了消除测量误差，所确定的并非是各条特征谱线的半峰宽的绝对值，而是以某个数值为基准值的相对值。优选地，可以将对应于电枢电流信号的纹波频率的特征谱线的半峰宽作为基准值，其它特征谱线的半峰宽与该基准值相除后即得到相对于基准值的相对值。表I示例性地示出了直流电机在各个频率范围内的特征谱线的半峰宽相对值，在表I的频段一栏中，括号外的标号表示频段名称，括号内的数字代表频率范围，频率单位为Hz，各个频段内特征谱线的半峰宽相对值为其半峰宽与F5频段的特征谱线半峰宽之比。
表I
权利要求
1.一种汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法，其特征在于，包括下列步骤: 采集所述直流电机的电枢电流信号，其中，采样频率与所述直流电机的转速同步； 借助快速傅立叶变换将采集的电枢电流信号从时间域变换到频率域； 根据所述电枢电流信号在频率域的特征谱线判断其是否出现故障以及故障的类型。
2.如权利要求1所述的诊断方法，其中，按照下列方式判断是否出现故障以及故障的类型: 将所述频率域划分为多个范围并确定每个所述范围内的特征谱线的半峰宽； 将所述电枢电流信号在各个所述范围内的特征谱线的半峰宽与故障判定阈值表进行比较以确定是否出现故障以及故障的类型。
3.如权利要求2所述的诊断方法，其中，将对应于所述电枢电流信号的纹波频率的特征谱线的半峰宽作为基准值并由此将其它特征谱线的半峰宽确定为相对于基准值的相对值。
4.如权利要求2所述的诊断方法，其中，所述故障类型包括直流电机线圈短路、绕组元件与换向片开焊、相邻导体短路和转子偏心。
5.如权利要求1所述的诊断方法，其中，按照下列方式采集所述直流电机的电枢电流信号: 以一个固定的速率对所述电枢电流信号进行模数转换以获得数字信号流；以及根据所述直流电机的转速从所述数字信号流中选择样本以确保所述采样频率与所述直流电机的转速同步。
6.一种用于诊断汽车起动机中的直流电机故障的装置，其特征在于，包括: 转速检测单元，用于检测所述直流电机的转速； 与所述转速检测单元耦合的信号采集单元，用于按照与所述直流电机的转速同步的采样频率采集所述直流电机的电枢电流信号； 与所述信号采集单元耦合的快速傅立叶变换单元，用于借助快速傅立叶变换将采集的电枢电流信号从时间域变换到频率域； 与所述快速傅立叶变换单元耦合的故障判断和分类单元，用于根据所述电枢电流信号在频率域的特征谱线判断其是否出现故障以及故障的类型。
7.如权利要求6 所述的装置，其中，所述转速检测单元利用安装在所述直流电机的转轴附近的光栅编码器实现。
8.如权利要求6所述的装置，其中，所述信号采集单元包括传感元件、与所述传感元件耦合的A/D转换器和与所述A/D转换器耦合的同步器，其中，所述A/D转换器以一个固定的速率对所述电枢电流信号进行模数转换以获得数字信号流，所述同步器根据所述直流电机的转速从所述数字信号流中选择输出至所述快速傅立叶变换单元的样本以确保所述采样频率与所述直流电机的转速同步。
9.如权利要求6所述的装置，其中，所述故障判断和分类单元按照下列方式判断是否出现故障以及故障的类型: 将所述频率域划分为多个范围并确定每个所述范围内的特征谱线的半峰宽； 将所述电枢电流信号在各个所述范围内的特征谱线的半峰宽与故障判定阈值表进行比较以确定是否出现故障以及故障的类型。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述故障判断和分类单元将对应于所述电枢电流信号的纹波频率的特征谱线的半峰宽作为基准值并由此将其它特征谱线的半峰宽确定为相对于基准值的相对值。
11.如权利要求6所述的装置，其中，所述故障类型包括直流电机线圈短路、绕组元件与换向片开焊、相邻导体短路和转子偏心。
全文摘要
本发明涉及汽车电子技术，特别涉及汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法和装置。按照本发明的汽车起动机中的直流电机故障的诊断方法包括下列步骤采集所述直流电机的电枢电流信号，其中，采样频率与所述直流电机的转速同步；借助快速傅立叶变换将采集的电枢电流信号从时间域变换到频率域；根据所述电枢电流信号在频率域的特征谱线判断其是否出现故障以及故障的类型。按照本发明的实施例，电枢电流信号的采样频率与直流电机的转速同步，从而消除了频谱特征的模糊性，这使得通过频谱分析进行故障诊断成为可能。此外，由于电枢电流信号所包含的纹波分量可反映直流电机运行状态的多种信息，因此可以快速、准确地定位故障类型。
文档编号G01R31/02GK103185862SQ20111045700
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者钱龙, 吴招辉, 邓恒, 张崇生, 金哲锋, 郝飞 申请人:上海汽车集团股份有限公司