Diagnostikos eiga: EC kuro siurblio signalų formų analizė su PicoScope
Diagnozuojant sudėtingas automobilio sistemas, tinkami įrankiai ir žinios yra svarbiausia. Šiame straipsnyje imamės nelengvo atvejo: pranešta apie elektroniškai komutuojamo (EC) kuro siurblio gedimą Audi SQ5 automobilyje. Naudodami PicoScope 4823 ir pažangius matematikos kanalus, žingsnis po žingsnio parodome diagnostikos eigą, kaip tiksliai nustatyti problemą. Aptarsime EC variklių principus — technologiją, paplitusią šiuolaikiniuose hibridiniuose ir elektriniuose automobiliuose — ir parodysime, kaip analizuoti sudėtingas trifazes įtampos bei srovės signalų formas, kad išsiaiškintume problemą. Tai, ką radome, nebuvo tai, ko tikėjomės — o tai įrodo, kad kruopšti diagnostika gali atskleisti tikrąją pagrindinę priežastį.
Po neseniai per pagalbos tarnybą gauto klausimo apie elektroniškai komutuojamo (EC) kuro siurblio veikimą ir diagnostiką pagalvojau, kad tai puiki tema pasidalinti čia.
EC principą privalome išmokti suprasti, nes ta pati technologija per trifazius variklius varys ateities automobilius (hibridinius / elektrinius automobilius (EV)).
Trumpai tariant, turime 3,0 litro V6 benzininį Audi SQ5 su variklio kodu CWGD.
Kuro siurblys (G6) nesugeba sukurti pakankamo kuro slėgio.
Pastaba. Kuro siurblys (G6) yra integruotas į kuro lygio daviklio mazgą — visa tai sudaro vieną kuro tiekimo bloką (GX1), panardintą kuro bake. Kuro siurblys valdomas išoriniu kuro siurblio valdymo bloku (J538), kuriame nuolatinė srovė (DC) verčiama į trifazę kintamąją (AC).
Cituojant Ben Martins: „Slėgį sukuria pasipriešinimas srautui". Turėkite omenyje, kad mūsų kuro siurblys privalo užtikrinti pakankamą kuro srautą iš bako į variklį esant visoms apkrovos sąlygoms.
Žemiau esančiame paveikslėlyje matyti, kaip prijungėme PicoScope 4823, kad vienu metu užfiksuotume trifazę įtampą ir srovę, tiekiamą sugedusiam kuro siurbliui.
Tad kam kuro siurbliui tokia sudėtinga valdymo sistema?
Bendras atsakymas: našumas, tikslus valdymas, patikimumas ir ilgaamžiškumas. Tokie varikliai praktiškai nesidėvi, išskyrus atraminius guolius. Kadangi nėra šepetėlių, judančios variklio dalys nesiliečia. Taip pašalinama trintis, stabdymas ir kibirkščiavimas. (Tokie varikliai vadinami BLDC = bešepetėliai nuolatinės srovės varikliai.)
Tipinį šepetėlinio variklio dėvėjimosi vaizdą rasite paveikslėliuose čia ir čia.
Užuot bandęs aiškinti, kaip veikia EC variklis, siūlau peržiūrėti šią puikią animaciją.
Kaip matote, kad rotorius suktųsi, statoriuje reikia sukurti besisukantį magnetinį lauką, kurį rotorius „vysis". Jei rotorių sujungsime su siurbimo elementu, galėsime šį sukimąsi panaudoti ir paversti fiziniu slėgiu.
Tas pats principas galioja bet kuriai sistemai — nesvarbu, ar EC variklis sujungtas su pavarų dėže, rato stebule, ar išėjimo velenu.
Toliau pateiktoje ekrano nuotraukoje priartinome vaizdą, kad atidžiau pažvelgtume į įtampos ir srovės elgseną siurbliui / varikliui veikiant. Atkreipkite dėmesį, kaip A, B ir C kanalų įtampa atrodo nukirsta ties 0 V, tačiau srovė šiuo laikotarpiu yra apversta!
Mūsų nuolatinės įtampos matavimai neatskleidžia viso vaizdo, nes matuojame kėbulo masės atžvilgiu (ir tai teisinga). Iš tikrųjų įtampa čia apsukama tam, kad apsuktų srovės kryptį, kurią užfiksavome fazių apvijose D, E ir F kanaluose.
Jei norėtumėte užfiksuoti apverstą įtampą, reikėtų diferencinio zondo matavimams tarp dominančių fazių. Ypač aukštos įtampos sistemose, kurioms taip pat reikia atitinkamų mokymų ir sertifikatų darbui su įtampa.
Vis dėlto matuodami „srovės tekėjimą" galite atskleisti visą vaizdą neardomuoju būdu ir gauti įrodymų apie „atliktą darbą".
Srovės matavimas atskleidžia:
• papildomas variklio veikimo savybes (pačioje signalo formoje)
• magnetinio lauko / ričių apvijų būklę
• variklio / siurblio veikimą
• valdymo grandinės funkcionalumą
• variklio dažnį / greitį
• variklio apkrovos sąlygas
Leiskite akimirkai nukrypti: magnetinių laukų įtaka įtampai ir srovei yra gerai aprašyta. Vienas geriausių mano rastų pavyzdžių — trikdis, kurį užfiksuojame matuodami srovę, tekančią į įpurškimo purkštuką. Žemiau užfiksuojame pradinį adatos judesį (purkštukas atsidaro), kai jis sutrikdo magnetinį lauką (taigi ir srovės tekėjimą) apie apvijas, ir vėl — indukuotoje įtampoje (atgalinėje EVJ / back EMF), kai adata grįžta į lizdą (purkštukas užsidaro).
Kaip tai susiję su mūsų BLDC varikliu?
Žemiau esanti signalo forma rodo trumpalaikį trikdį ties teigiamos ir neigiamos srovės pikais, kai rotoriaus poliai susilygiuoja su statoriaus poliais atitinkamai ties „piko šiaure" ir „piko pietumis".
Dar įdomesnė yra A kanalo įtampa 4 pav. ir pilki stačiakampiai, uždėti ties kiekvienos teigiamos fazės pradžios ir beveik pabaigos taškais. (Visos įtampos fazės turi tą pačią savybę.) Tai indukuota įtampa, susidaranti fazės apvijoje, kai srovė perjungiama iš įjungtos į išjungtą (atgalinė EVJ / back EMF); ją kuro siurblio valdiklis naudoja rotoriaus padėčiai nustatyti. (Argi ne šaunu?) Rotoriaus padėčiai nustatyti nereikia jokio papildomo rezolverio ar Holo efekto padėties jutiklio.
Žinoti rotoriaus padėtį būtina, kad būtų galima nustatyti statoriaus apvijų žadinimo seką ir sukurti besisukantį magnetinį lauką (EC), kurį rotorius vytųsi.
Pastaba. Apverstos indukuotos įtampos ties kiekvienos įtampos fazės pabaigos taškais nematome dėl aukščiau minėtų priežasčių (žr. pastraipą po 2 pav.). Vis dėlto matome tarpą, kuriame ši neigiama indukuota įtampa pasirodytų netrukus prieš prasidedant trūkstamai neigiamai įtampos fazei.
Dar vienas dalykas prieš pereinant prie matematikos: atkreipkite dėmesį į elektrinių ciklų / apsisukimų skaičių, tenkantį vienam mechaniniam rotoriaus / siurblio apsisukimui.
Norint rasti daugiklį tarp elektrinių sukimosi laipsnių (ciklų) ir mechaninių sukimosi laipsnių, reikia žinoti rotoriaus polių skaičių:
Daugiklis = rotoriaus polių skaičius / 2
Taigi mūsų siurblyje yra 4 polių rotorius (1 pora šiaurės ir 1 pora pietų polių)
Rotoriaus polių skaičius 4 / 2 = 2.
2 yra daugiklis tarp elektrinių ciklų ir mechaninių sukimosi laipsnių 4 polių rotoriui.
Kitaip tariant, 4 polių rotoriui reikia 2 elektrinių ciklų, kad rotorius padarytų vieną apsisukimą
Jei nežinote rotoriaus polių skaičiaus, galite naudoti optinį jutiklį, kad užfiksuotumėte vieną mechaninį variklio mazgo apsisukimą (jei prieiga tai leidžia), tuo pačiu metu fiksuodami srovę vienoje iš trijų fazių.
Suskaičiuokite elektrinių ciklų skaičių tarp optinio jutiklio išėjimo įvykių ir padauginkite iš 2, kad rastumėte polių skaičių. Žemiau esančiame paveikslėlyje šis metodas naudojamas atskleisti 30 polių rotorių iš kitokio tipo trifazio variklio.
Turėkite omenyje, kad kai kurie rotoriai dėl reduktorių ir pan. gali būti tiesiogiai nesusieti su mechaniniu išėjimu, kurį fiksuojate optiniu jutikliu. Tai beveik neabejotinai duotų klaidingą rotoriaus polių skaičių.
Grįžkime prie sugedusio kuro siurblio. Ką galime diagnozuoti iš pradinio matavimo (1 pav.)?
Naudoju šį matematikos kanalą LowPass((abs(D)+abs(E)+abs(F))*0.333,50) kuro siurblio vidutinei suvartojamai srovei nustatyti (įvertinant visas tris srovės fazes).
- LowPass išlygina kintamosios srovės pulsaciją ir duoda slankųjį vidurkį.
- abs(D)+abs(E)+abs(F) * 0.333 duoda trijų išlygintų (rectified) fazių srovės vidurkį.
- ,50 nurodo taikomo žemų dažnių filtravimo lygį (50 Hz).
Rotoriaus / siurblio greičiui apskaičiuoti matematikos kanalo formulė yra 60*2*freq(D)/4 (60 × 2 × srovės fazės dažnis / rotoriaus polių skaičius).
- 60 paverčia Hz į rpm.
- Dauginama iš 2 dėl teigiamų ir neigiamų kintamosios srovės signalo formos įvykių.
- Dalijama iš 4, nes mūsų rotorius turi 4 polius.
Pastaba. Rotoriaus / siurblio greitis priklauso nuo srovės dažnio ir rotoriaus polių skaičiaus.
• Didinant dažnį didėja greitis, bet mažėja sukimo momentas
• Didinant rotoriaus polių skaičių mažėja greitis, bet didėja sukimo momentas
Aukščiau matome kuro siurblį, sukantį pastoviu 10 000 rpm greičiu ir vartojantį vidutiniškai 7,6 A srovę.
Dabar palyginkime tai su signalo forma, užfiksuota pakeitus siurblį:
Skirtumas tikrai yra. Pažiūrėkite į siurblio greitį ir srovės vartojimą: iki 8 sekundžių — maždaug 3200 rpm ir 5,4 A (be apkrovos). Taip pat atkreipkite dėmesį, kaip srovės dažnis (D kanalas) tarp laiko liniuočių sumažėjo iki 109,1 Hz, dėl to sumažėjo ir siurblio greitis.
Dabar pažiūrėkite į siurblio greitį ir srovę, kai siurblys priverstas sukurti maksimalų slėgį (su apkrova) — maždaug 7787 rpm ir 10,4 A.
Apibendrinant:
Naujas kuro siurblys, kad išlaikytų pakankamą kuro slėgį be apkrovos, vartoja 5,4 A esant 3200 rpm (mažesnė srovė ir mažesnis greitis pakankamam kuro slėgiui). Originalus siurblys vartojo 7,6 A esant 10 000 rpm — ir kuro slėgis buvo nepakankamas.
Srovės matavimas tikrai atskleidžia „atliktą darbą", ir niekur tai nėra taip akivaizdu kaip siurblio bandymo „su apkrova" metu, kurį užfiksavome 8 pav.
Tad kas buvo negerai su senuoju kuro siurbliu?
Paprastas atsakymas — nieko! Prisiminkite, kad slėgį sukuria pasipriešinimas srautui, o kuro siurblio veikimas, užfiksuotas 7 pav., tikrai kuria srautą esant 10 000 rpm — bet kur tas srautas dingsta? Pažvelkite į kuro slėgio reguliatoriaus membraną, integruotą į kuro tiekimo bloką (GX1):
Kuro slėgio reguliatoriaus viduje esanti membrana yra plyšusi, todėl didžioji mūsų kuro srauto dalis grįžta į baką, o ne keliauja kuro vamzdeliais į variklio skyrių.
Jei norite daugiau informacijos apie šio tipo kuro tiekimo sistemą, pabandykite paieškoti VAG savarankiško mokymosi programos SSP495.
Didelis ačiū mūsų kolegoms iš Audi užsienyje už neįkainojamą indėlį rengiant šią atvejo studiją.
Straipsnis išverstas iš Pico Technology bibliotekos su gamintojo leidimu. Originalas: picoauto.com. PicoScope įrangą rasite mūsų kataloge.