CN102656785A - 用于检测开关电流源和相应功率源中的故障的方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测开关电源（1）的故障的方法，开关电源（1）具有控制级（2），控制级（2）响应于设定点信号将用预先确定的占空比（α）调制的控制信号传送给功率级（3），功率级（3）将电力传送给负载（100），该方法的特征在于，它包括以下的步骤：·确定正常操作下占空比的至少一个标称值（αmin，αmax），以及因变于标称值的至少一个故障阈值（αsc，αoc）；·确定控制级发出的信号的占空比的至少一个瞬时值（α）；以及·将瞬时值与故障阈值进行比较。实现该方法的检测电路。

Description

用于检测开关电流源和相应功率源中的故障的方法
本发明涉及检测开关电源中的故障的方法，且涉及相应的电源。
本发明适用于各种类型的设备，且尤其适用于控制力矩马达或螺线管型的执行器、用于调节旋转机械、用于开关模式电源等等的驱动器。
这样的设备通常利用实现脉宽调制（PWM）类型的控制的电源。
该电源具有控制级和功率级。控制级接收设定点信号并向功率级传送用预先确定的占空比调制的控制信号。功率级连接到负载，功率级向负载传送对应于控制信号的电力。为此，功率级可以包括例如至少一个由控制信号控制的斩波晶体管。
在其中控制设备的故障具有被认为是危急的后果的某些应用中，一个主要考虑因素是检测故障且优选地标识失效的组件。
因而已知通过测量功率级的输出的热点处的电压和电流并通过测量功率级的输出的冷点处的电流来检测故障。这使检测负载中的短路（测得的电流等于设定点电流且电压是零）、负载中的开路（测得的电流是零而电压不是零）以及电源的故障（即使设定点信号不对应于零电流，测得的电流和电压也是零）成为可能。这要求实现起来相对昂贵的相对复杂的故障检测逻辑。
本发明的一个目的是提供用于在通过这样的开关电源向负载供电时检测和标识故障的简单装置。
为此，本发明提供响应于设定点信号检测具有控制级的开关电源的故障的方法，从而将用预先确定的占空比调制的控制信号传送给向负载传送电力的功率级。该方法包括以下步骤：
·确定正常操作下占空比的至少一个标称值以及作为标称值的函数的至少一个故障阈值；
·确定由控制级发出的信号的占空比的至少一个瞬时值；以及
·将瞬时值与故障阈值进行比较。
通过使用占空比来检测故障，该占空比是表示通过电源传送给负载的功率的大小。通过将瞬时占空比与相对于标称占空比（在标称操作条件下预先测得，或者基于模型计算或预测）确定的阈值进行比较，检测负载中的短路或开路的存在是可能的。
有利地，确定一定范围的标称值。
当负载的操作容易引起电流变化时，这是有益的。
优选地，该方法包括下列步骤，即测量由功率级输出的电流并且验证：
·电流是否为零，且在适当情况下；
·设定点信号是否对应于零电流。
检测电流的值使得标识电源本身中的故障成为可能。
本发明也提供包括控制级、功率级和被设置成实现本发明的方法的故障检测模块的开关电源。
在阅读本发明的特定的非限制性实施例的下列描述之后，可看出本发明的其他特性和优点。
参照附图，在附图中：
·图1是本发明的第一实施例的电源的方框图；以及
·图2是示出根据本发明的第二实施例的电源的与图1类似的视图。
参见各图，本发明涉及用于连接到负载100以便向其供电的开关模式电源。负载100具体可以是旋转机械、力矩马达或螺线管型的执行器。
被给予总标号1的电源包括控制级2、功率级3和连接到用于测量在功率级3和负载100之间的电流的支路5的故障检测模块4。
以本身已知的向功率级3传送用因变于设定点信号预先确定的占空比调制的控制信号的方式设置控制级2。
以已知的方式，功率级3包括多个晶体管，每一晶体管具有控制输入，该控制输入接收因变于占空比在其导通状态和其截止状态之间切换晶体管的控制信号。流过晶体管的电流被传送给负载100。
在图1的实施例中，控制级2是数字式的，且包括用于计算占空比的单元6，单元6被连接到检测单元4，以便向其提供占空比的瞬时值。
在图2的实施例中，控制级2是模拟式调节器，且检测模块4被连接到检测由控制级2输出的控制信号并测量占空比的元件7。
在两种实施例中，检测模块4被设置成执行故障检测方法。
这种方法包括以下步骤：
·确定负载100正常操作下占空比的至少一个标称值以及因变于该标称值的至少一个故障阈值；
·确定由控制级2传送的经调制的信号的占空比的至少一个瞬时值α；以及
·将该瞬时值与故障阈值进行比较。
更准确地说，确定一定范围的标称值，即分别对应于在正常操作时由负载100接收的最小电流和最大电流的最小值αmin和最大值αmax。可以从理论上、通过计算或按照经验、通过在负载在受控制条件下操作以便确保其操作正常的同时进行测量来确定最小值αmin和最大值αmax。基于这些值确定两个故障阈值：大于最大值αmax的开路检测阈值αoc，以及小于最小值αmin的短路检测阈值αsc。确定阈值αoc和αsc分别大于最大值αmax和小于最小值αmin的程度，以避免由在负载100的正常操作期间电流异常的和短暂的改变（例如由在负载的两个状态之间过渡）引起的错误检测。开路阈值αoc可以例如比最大值αmax大20%，而短路阈值αsc可以例如比最小值αmin小20%。
该方法也包括步骤：经由支路5在功率级3的输出处测量在热点处的电流I（Ih）和/或在冷点处的电流（Ic）并且验证：
·电流是否为零，且在适当情况下；
·设定点信号是否对应于零电流。
这用于检测电源的故障。
下表总结这样的故障的各种原因。
Figure BDA00001771006400031
自然，本发明不限于上面所描述的实施例，而是覆盖落在由权利要求界定的本发明的范围内的任何变型。
尤其，电源的结构可以不同于所描述的结构，只要所述结构能够实现本发明的方法即可。
例如在给定的周期内检测占空比的多个瞬时值是可能的。

Claims (7)

1.一种检测开关电源（1）的故障的方法，所述开关电源（1）具有控制级（2），所述控制级（2）响应于设定点信号将用预先确定的占空比（α）调制的控制信号传送给功率级（3），所述功率级（3）将电力传送给负载（100），所述方法的特征在于，其包括以下的步骤：
·确定正常操作下所述占空比的至少一个标称值（αmin，αmax），以及因变于所述标称值的至少一个故障阈值（αsc，αoc）；
·确定由所述控制级发出的信号的占空比的至少一个瞬时值（α）；以及
·将所述瞬时值与所述故障阈值进行比较。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定标称值的范围(αmin，αmax)。
3.如权利要求1所述的方法，包括步骤，测量由所述功率级输出的电流并验证：
·所述电流（Ih）是否为零，且在适当情况下；
·所述设定点信号是否对应于零电流。
4.一种开关电源（1），所述开关电源（1）包括控制级（2）、功率级（3）和被设置成实现根据任何前述权利要求的方法的故障检测模块（4）。
5.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述检测模块（4）被连接到用于测量在所述功率级（3）和所述负载（100）之间的电流的支路（5）。
6.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述控制级（3）是数字式的，且包括用于计算所述占空比的单元（6），所述单元（6）被连接到所述检测模块（4），以便向其提供所述占空比的瞬时值。
7.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述控制级（2）是模拟式的，且所述检测模块被连接到用于检测所述控制信号并且测量所述占空比的元件（7）。
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