专利名称：交流发电机测试方法和使用脉动检测的系统的制作方法
相关申请本申请要求受益于美国临时专利申请序列号No.60/214,254的优先权，标题“自动电气系统测试装置和方法”，于2000年6月26日提交。
即使是通过整流的，交流发电机的输出也不是很平滑。在整流之后，一个交流发电机输出的波形通常是在一个DC分量上的低幅度的脉动。
图1显示了在整流之后一个三相交流发电机的交流发电机输出信号的例子。
用于交流发电机中的整流器部件包括二极管。如果一个或多个二极管有故障，比如开路或短路，交流发电机输出波形会变形失真。图2a-2e示例了当整流器中的一个或多个二极管有故障时交流发电机的输出波形。图2a是一个正常的交流发电机的输出波形。图2b显示了一个整流二极管短路的交流发电机的波形，图2c显示了具有两个整流二极管短路的交流发电机的波形，图2d显示了具有一个二极管开路的交流发电机的波形，图2e显示了具有两个二极管开路的交流发电机的波形。在任何情况中，失真的交流发电机输出波形可能会危害由交流发电机供电的电气系统。因此，对于交流发电机的测试来说，确认一个交流发电机和它的整流器部件操作是否正常是重要的。
确定二极管的工作状态的一种方法是通过分解整流器部件并单独的测量每个二极管。然而该方法消耗时间和没有效率。一些交流发电机的测试者通过检测交流发电机输出信号的脉动幅度来确定交流发电机的好坏。如图2b-2e所示，失真的脉动波形的幅度有大于图2a中所示的正常的脉动波形。因此，一些测试者使交流发电机输出信号通过具有一个预置门限电压A的一个比较器来测试(看图3a)。比较器通过脉动检测门限电压的交叉。当脉动电压高于门限电压时比较器输出一个逻辑状态“1”，和当脉动电压低于门限电压时输出一个逻辑状态“0”。对于正常输出波形，脉动幅度总是高于门限电压A。因此，比较器的输出是逻辑状态“1”。相反，如果整流器部件被损坏，脉动波形将与图2b-2e中示例的波形类似，并且脉动的最低电压将低于门限电压A。逻辑状态“0”将出现在比较器的输出上，表示交流发电机有故障。
然而该方法引来问题。出于各种原因，比如改变发动机转速，交流电发电机输出的DC元件趋于在不同的DC电平之间浮动，并因此脉动电压振荡波动。由于门限电压是一个固定的值，波动波形的电压可下降到门限电压以下(看图3b)。因而，比较器将会指示交流发电机故障，即使整流器部件工作正常。相反，当DC电平升到门限电压值之上时，比较器的输出是逻辑“1”，而不管一个或多个二极管可能是坏的。根据这些情况，利用脉动幅度确定交流发电机的好坏可能会产生错误。
即使在整个测试过程中发动机转速是稳定的，使用脉动幅度的方法还是会引来问题。例如，一些汽车装备有位于远离交流发电机的电池开用长导线连接到交流发电机。对于靠近交流发电机来说，在电池和交流发电机之间跨越的导线具有不同的阻抗。这种不同的阻抗趋于影响交流发电机输出信号的DC电平，如上所述，并因此产生不正确的测试结果。
按照本发明的方法包括检测交流发电机输出信号的频率成分，用一个门限频率比较交流发电机输出信号的频率成分，并根据比较结果评价交流发电机的工作。
本发明的每个用于评价一个交流发电机工作的系统包括一个终端，用于接收表示交流发电机的输出的交流发电机的输出信号，一个频率检测设备，用于检测交流发电机输出信号的频率成分，一个控制器，用于使交流发电机输出信号的频率成分与一个门限频率相比较，并根据比较结果产生一个指示信号，和包括一个指示设备，响应指示信号的内容，用于指示交流发电机的工作。
按照本发明的一个方面，频率检测设备可以包括例如一个门限设备，用于产生一个参考门限，以及一个比较器，用于用参考门限比较交流输出信号的电平。比较器产生表示交流发电机输出信号的频率成分的一个频率信号。按照本发明的一个方面，基于按照一个预定规则的交流发电机输出信号的电平，可以产生该参考门限。参考门限可以是交流发电机输出信号的一个峰值信号电平和一个最低信号电平之间的一个值。例如，参考门限可以是峰值信号电平和最低信号电平的平均值。
按照本发明的一个实施例，用于评价一个交流发电机工作的一个系统包括一个终端，用于接收表示交流发电机的输出的交流发电机的输出信号，一个自适应门限设备，用于按照一个预定规则根据交流发电机输出信号的电平产生一个参考门限，和一个比较器，用于用参考门限比较交流发电机输出信号的电平并产生一个基于比较结果指示交流发电机输出信号的频率成分的频率信号。一个控制器，响应于频率信号，用交流发电机输出信号的频率成分与一个门限频率比较并基于频率成分和门限频率的比较结果产生表示交流发电机工作的一个指示信号。一个指示设备，响应于指示信号的内容指示交流发电机的操作。
本发明的方法和系统，使用交流发电机输出信号的频率成分以评价一个交流发电机的好坏，提供一种有效的和精确的交流发电机的工作指示。即使是交流发电机输出信号的DC电平波动，误诊断也会减少。
根据下面的详细描述本发明的其他的优点和新颖性特点将显而易见的，只是通过简单的示例而并非具有限制性。作为实现，本发明可以是其它的和不同的实施例，并且在完全不脱离本发明的情况下，许多细节能够用各种明显的方式进行修改。因此，附图和描述实质上是作为示例性的，而并非具有限制性。
图2a-2e显示了交流发电机输出波形的例子。
图3a和3b示例了使用一个固定门限电压的一个比较器输出。
图4是一个方框图，说明按照本发明实现的交流发电机测试系统。
图5显示了电路部件的一个例子，使用于按照本发明实现的一个交流发电机测试系统中。
图6是一个流程图，示例了按照本发明实现的一个汽车发电机的测试过程。
优选实施例的描述出于示例的目的，将描述在一个汽车中的用于评价一个交流发电机工作的所提供的方法和系统的例子。在下面的描述中，陈述了许多具体细节以便完全清楚的理解本发明。然而，显而易见的是，对于本领域普通技术人员来说，不用这些特殊细节也可以实现本发明。在其他例子中，熟知的结构和设备以方框图的形式显示以便避免不必要的混淆本发明。
如图2b-2e所示，具有缺陷的整流器部件的交流发电机的输出波形与图2a中所示的一个正常的交流发电机相比具有较低的频率，就是说，交流发电机以设计的功能工作。按照本发明实现的一种方法和系统基于波形的脉动频率来确定一个交流发电机的好坏。如果脉动频率低于一个门限频率，确定交流发电机有缺陷。
图4显示了按照本发明实现的一个交流发电测试系统的方框图。出于示例的目的，用在一个汽车中给电池充电的交流发电机来描述测试系统的操作。在一辆汽车中，通过汽车发动机驱动交流电发电机(未示出)以产生电力。交流发电机的输出经一组电池端333被耦合到电池334。
测试系统300具有用于接收表示交流发电机输出的交流发电机输出信号330的终端。交流发电机输出信号可以是给电池334充电的交流发电机产生的电压和/或电流。可替换的，交流发电机输出信号330可以是来自一个运载车辆计算机或表示交流发电机输出的其它测试装备的一个信号。在任何情况中，如上所讨论的交流发电机输出信号330包含表示交流发电机输出的脉动的一个信号成分。
在操作中，测试系统300可以直接被耦合到用于接收交流发电机输出信号330的交流发电机的输出端，或可替换的，到交流发电机被耦合的电池端。可替换的，测试系统300可以使用一个信号插座，连接到一个车载计算机，用于接收表示交流发电机输出的交流发电机输出信号。
尽管测试可以处理交流发电机或发动机的任何转速，但最好驱动发动机在一个稳定的转速，比如1500rpm，以确保交流发电机产生一个稳定的交流发电机输出信号到电池334。作为一种可替换的方式，当发动机处于空闭转速时也可以执行这种测试。
测试系统300具有一个微控制器302和一个显示304。微控制器302处理数据和产生控制信号。显示器304是一个装置，用于给用户提供一个通信接口并可以是一个LCD屏幕，一个LED指示器等等。微控制器302可以控制开关设备324，比如一个FET开关，选择性地耦合一个负载322到交流发电机，以便交流发电机能在负载下测试。负载322可以是一个Michrome(镍铬铁合金)线圈或其他的电阻导线等等，或其他形式的从交流发电机吸收电流的负载。可替换的，可以通过接通汽车的电气配件来提供负载322，例如车头灯，或后窗玻璃除霜器等。作为另一种替换，如果电池从交流发电机吸收大电流，可以执行测试，而不用从外部耦合一个负载到交流发电机。可以提供由微控制器302控制的一个冷却风扇326，以帮助消散由负载322产生的热量。在此参考共同未决的序列号——，由相同的发明人同时提交，题目——，和共同发表，用于描述这些元件。
测试过程中，微控制器302产生控制开关324的一个开关控制信号328以便经电池端耦合负载322到交流发电机。由于电池334经电池端333被耦合到交流发电机，交流发电机现在在负载下进行工作并产生交流发电输出信号330。
交流发电机输出信号330可以首先通过一个带通滤波器308，以便去除谐波以及通过电池端333拾取的噪声。带通滤波器308可以具有100Hz和4kHz之间的一个通频带。然后交流发电机输出信号330通过一个放大器310以放大信号电平。
然后，交流发电机输出信号330被送到一个自适应门限电路332和一个比较器318。自适应门限电路332产生一个自适应门限，比如一个参考电压，使用于比较器318。根据脉动信号电平和自适应门限之间的比较，比较器318产生一个频率信号320如果在交流发电机输出信号330中的脉动信号电平大于自适应门限，比较器318产生一个逻辑“1”；如果在交流发电机输出信号330中的脉动信号电平小于自适应门限，比较器318产生一个逻辑“0”。因此，比较器318的输出类似于一个时钟信号，指示通过交流发电机输出信号330的脉动分量的自适应门限的相交。如本领域技术所公知的，比较器318可以使用一种反向逻辑来指示比较结果。
自适应门限电路322可以包括一个最低电平检测器312，一个峰值电平检测器314，和一个自适应门限产生器316。最低电平检测器312和峰值电平检测器314检测信号电平，比如脉动波形的峰值和最低值的电压，并发送结果到自适应门限产生器316。自适应门限产生器316产生一个自适应门限，它的值随峰值和最低信号电平的改变而改变。例如，自适应门限可以是峰值信号电平和最低信号电平的一个平均值，或者是随输入而改变的其他值。
使用自适应门限防止了由于脉动的DC电平的改变而引起的不精确的交叉读取。由于通过交流发电机输出信号320的峰值电平和最低电平来确定一个自适应门限的电平，不同于随交流发电机输出信号320的变化自适应门限浮动的一个固定的门限。通过脉动的自适应门限的交叉因而精确地反映了脉动波形的变化。尽管一个自适应门限被用于示例系统的工作，但可以使用一个固定的门限以减少成本和设计的复杂性。
如上所述，基于脉动电压和参考电压之间的一个比较，比较器318产生一个频率信号320。由于频率信号320通过脉动波形反映参考信号电平的横越，频率信号320反映包含在交流发电机输出信号330中的高频脉动。
频率信号320可以接着通过AD/DA变换器(未示出)和然后到微控制器302以便频率分析。微控制器302可以计算频率信号320的频率，通过测量每个相位之间的时间周期。根据频率的确定，微控制器302用一个门限频率比较脉动频率以确定交流发电机的好坏。
根据一个良好的交流发电机的参数导出门限频率，就是说，一个交流发电机具有可接受的工作特性。例如，相应于一个具体发动机的转速，基于一个良好交流发电机的脉动频率可以确定门限频率。对于用在一个汽车中的一个交流发电机，交流发电机输出信号的脉动频率与交流发电机转子的转速以及每个交流发电机转子旋转的脉动数成比例。由于通常由汽车发动机驱动交流发电机，交流发电机转子转速与发动机转速成比例。发动机转速和交流发电机转子转速之间的关系是交流发电机转子转速＝发动机转速·滑轮比率，其中滑轮比率是曲轴滑轮尺寸和交流发电机滑轮尺寸之间的比率。
整个交流发电机转子旋转和交流发电机转子转速过程中，由于交流发电机输出信号的脉动频率与脉动数成比例，则脉动频率和交流发电机转子转速之间的关系是脉动频率＝交流发电机转子转速·k_脉动，其中k_脉动是每个转子旋转的脉动数。
因此，脉动频率和发动机转速之间的关系是脉动频率＝发动机转速·皮带轮比率·k_脉动由于对一个具体的车型皮带轮比率和k_脉动都是已知的常数，通过观察发动机转速能够确定脉动频率。因此，对应于一个具体发动机转速的一个好的交流发电机的脉动频率能被确定。在一个实施例中，门限频率可以有经验地调整以解决有关的容许误差。例如，对于一个三相交流发电机，当发动机转速是1500rpm时，门限频率可以被设置到1700Hz，同时对于一个空闲发动机转速(700-1000rpm)门限频率可以被设置到500Hz。对于相应于不同的发动机转速或交流发电机转速的门限频率可以生成一个查阅表。
如果在1500rpm发动机转速下测试交流发电机，微控制器302将检查是否频率信号320的频率是否低于1700Hz。如果频率低于1700Hz，微控制器302可以产生一个错误信号以使显示器304指示交流发电机或整流器部件存在一个缺陷。
图5显示了带通滤波器308，增益放大器310，比较器318和自适应门限电路332的示例电路。在方框308，310中的电容和电阻滤掉不期望的频率成分，例如噪声或谐波。放大器312是一个最低电平检测器，它检测交流发电机输出信号的最低电平。放大器314是一个峰值电平检测器，它检测交流发电机输出信号的峰值电压。根据放大器312和314的输出放大器510产生一个参考电压。对于本领域普通技术人员来说，可以使用实现该系统的其他已知的设计。
图6显示了按照本发明实现的一个汽车交流发电机的测试过程的实例流程图。在步骤603，微控制器302产生一个请求用户确认是否发动机的转速已经达到1500rpm的消息。用户能从一个转速计观察发动机转速。可替换的，有经验的用户根据发动机产生的听觉噪声可以确定发动机转速。根据1500rpm已经到达的用户指示，微控制器302发出一个开关控制信号328以便控制开关324经电池端333把负载322耦合到交流发电机(步骤603-607)。现在交流发电机在负载下工作。在交流发电机输出信号330进入系统之后，微控制器302计算交流发电机输出信号330的脉动分量的频率(步骤609)。在步骤611，微控制器302用对应于1500rpm发动机转速的门限频率与脉动频率相比较，例如，如果频率明显低于门限频率，微控制器302将产生一个错误消息，指示测试下的交流发电机有故障。否则，产生一个消息，指示交流发电机正常和显示给用户(步骤613)在本发明的另一个实施例中，测试系统可以从另一个测试系统接收表示发动机转速的一个信号，或者，本发明的测试系统可以包括用于检测发动机转速的一个传感器。读取的转速能被送到微控制器302。使用有关发动机转速的信息，微控制器302能进行测试而不需要来自用户的反馈。因此，可以省略步骤602和603。
按照本发明实现的一个测试系统可选的可具有一个存储器设备352，比如一个闪存，一个磁盘等等，它包括对于不同车型和年代的包含门限频率数据的一个数据库。一个消息将提示用户以便在测试时识别车型和年代。从而微控制器302将接近相应的门限频率。这样，测试系统能够适当的确定安装在不同车型中交流发电机的工作而不管汽车可能使用不同类型的交流发电机。
尽管在针对测试交流发电机输出信号的例子中描述了电压波形，但也可以使用其他的信号形式和媒介，比如光信号，数字信号等等。
上述的实施例可以被用于任何期望的系统或发动机。这些系统或发动机可以包括利用石化燃料的项目，比如汽油，天然气，丙烷等等，风和混合的或它的组合。这些系统或发动机可以被合并在另一个系统中，比如汽车、卡车、舱船或轮船、摩托车、发电机和飞机等等。实施例可以包括或利用任何合适的电压电平，比如大约12伏，大约42伏等等。
尽管结合实施例已经描述了本发明，但应该明白，本发明不限于公开的实施例，相反，在所附权利要求的精神和范围内，它意在覆盖所包括的各种修改和等效的安排。
权利要求
1.一种用于评价交流发电机工作的方法，包括检测交流发电机输出信号的频率成分；用门限频率比较交流发电机输出信号的频率成分；和根据比较步骤的结果评价交流发电机的工作。
2.权利要求1的方法，进一步包括在检测交流发电机输出信号的频率成分之前，在一个预定电平上保持交流发电机的转速的步骤。
3.权利要求1的方法，其中如果频率成分小于门限频率，则确定交流发电机有缺陷。
4.一种用于评价交流发电机的工作的系统，包括一个终端，用于接收表示交流发电机的输出的交流发电的输出信号；一个频率检测设备，用于检测交流发电机输出信号的频率成分；一个控制器，用于使交流发电机输出信号的频率成分与一个门限频率相比较和根据比较结果产生一个指示信号；和一个指示设备，响应于指示信号的内容，用于指示交流发电机的工作。
5.权利要求4的系统，其中频率检测设备包括一个门限设备，用于产生一个参考门限；和一个比较器，用于用参考门限与交流发电机输出信号的电平相比较和根据比较结果产生一个指示交流发电机输出信号的频率成分的频率信号；其中频率信号被耦合到控制器。
6.权利要求5的系统，其中按照一个预定的规则根据交流发电机输出信号的电平产生参考门限。
7.权利要求6的系统，其中参考门限是在交流发电机输出信号的峰值信号电平和最低信号电平之间的一个值。
8.权利要求6的系统，其中参考门限是交流发电机输出信号的峰值电平和最低电平的平均值。
9.权利要求4的系统，其中交流发电机输出信号是由交流发电机产生的电流或电压。
10.权利要求4的系统，其中将交流发电机安装在一个汽车上，并且被汽车的发动机所驱动。
11.权利要求10的系统，进一步包括由控制器访问的数据库，包括对应于多于一个车型的门限频率。
12.权利要求10的系统，进一步包括由控制器访问的数据库，包括对应于多于一个发动机转速的门限频率。
13.权利要求10的系统，其中从安装在汽车上的汽车计算机接收交流发电机输出信号。
14.权利要求4的系统，进一步包括由控制器访问的数据库，包括对应于多于一个交流发电机转速的门限频率。
15.权利要求4的系统，其中从一个数据处理系统接收交流发电机输出信号。
16.一种用于评价交流发电工作的系统，包括一个终端，用于接收表示交流发电机的输出的交流发电机输出信号；一个自适应门限设备，用于按照一个预定规则基于交流发电机输出信号的电平产生一个参考门限；一个比较器，用于用参考门限比较交流发电机输出信号的电平并产生一个根据比较结果指示交流发电机输出信号的频率成分的频率信号；一个控制器，用门限频率比较交流发电机输出信号的频率成分，并根据频率成分和门限频率的比较结果产生表示交流发电机工作的一个指示信号；和一个指示设备，响应于指示信号的内容用于指示交流发电机的工作。
17.权利要求16的系统，其中参考门限是交流发电机输出信号的峰值电平和最低电平的平均值。
18.一种用于评价交流发电工作的系统，包括用于接收表示交流发电机的输出的交流发电机输出信号的装置；用于检测交流发电机输出信号的频率成分的装置；用于使交流发电机输出信号的频率成分与一个门限频率相比较的装置；用于根据比较结果产生一个指示信号的装置；和响应指示信号的内容的一个指示设备，用于指示交流发电机的工作。
19.权利要求18的系统，其中用于检测交流发电机输出信号的频率成分的装置包括用于产生一个参考门限的装置；和用于用参考门限与交流发电机输出信号的电平相比较和产生一个根据比较结果指示交流发电机输出信号的频率成分的频率信号的装置；其中所述频率信号被耦合到控制器。
20.权利要求19的系统，其中按照一个预定的规则根据交流发电机输出信号的电平产生参考门限。
21.权利要求20的系统，其中参考门限是交流发电机输出信号的峰值信号电平和最低信号电平之间的一个值。
22.权利要求21的系统，其中参考门限是交流发电机输出信号的峰值电平和最低电平的平均。
全文摘要
一种用于根据交流发电机输出信号中的频率成分来评价交流发电机工作的方法和系统。该方法包括检测交流发电机输出信号的频率成分，用一个门限频率比较交流发电机输出信号的频率成分，并根据比较的结果评价交流发电机的工作。如果交流发电机输出信号的频率成分低于门限频率，交流发电机被确定有缺陷。通过用一个自适应门限与交流发电机输出信号相比较能够获得频率成分。基于交流发电机输出信号的峰值信号电平和最低信号电平产生自适应门限，比如峰值信号电平和最低信号电平的平均。
文档编号H02P9/00GK1439102SQ01811817
公开日2003年8月27日 申请日期2001年6月26日 优先权日2000年6月26日
发明者丹尼斯G·蒂贝迪奥, 里查德J·芬里希, 亚历杭德罗P·布罗特, 阿兰D·格策尔曼, 保罗A·威廉斯 申请人:捷装技术公司