CN103036494A - 双极电机控制器中的过流条件的诊断 - Google Patents

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Abstract

双极电机控制器中的过流条件的诊断。一种用于通过线圈控制负载电流的电路，所述线圈被连接到晶体管H桥的输出端口，所述晶体管H桥包括两个低侧晶体管和两个高侧晶体管。电流感测电路耦合到H桥并且配置成提供由所述输出端口提供的所述负载电流的表示。电流调节器被配置成根据所述负载电流的所述表示和电流设定点来生成调制信号。所述调制信号具有占空比。门控制逻辑根据所述调制信号来驱动所述H桥的独立的晶体管开与关。方向信号向所述线圈提供所述负载电流。所述方向信号确定所述负载电流的所述方向。过流检测电路被耦合到每一个独立的晶体管，并且被配置成当通过所述相应的晶体管的晶体管电流超过相应的最大值时通过提供激活的过流故障信号来用信号通知过流。

Description

双极电机控制器中的过流条件的诊断
技术领域
本发明涉及过流检测的领域，具体地涉及双极电机控制器中的特定过流条件的诊断。
背景技术
包括用于各种应用的步进电机控制器的大量集成电路当前是可用的。一个示例是用于意法半导体的双极步进电机的L6226 DMOS驱动器(见2003年9 月STM L6228 DMOS驱动器，产品信息和数据手册)。电机线圈通常使用功率晶体管的H桥来驱动。H桥由两个半桥组成，并且线圈被连接在两个半桥的相应的输出之间。因此能够在两个方向上控制通过线圈的电流。
如能够从上文所提到的数据手册中看见的那样，通常在电机控制器中包括一种过流保护以便保护控制器和其它部件免遭受由于短路等而导致的热破坏。在检测到过流时电机控制器通常断开电流并且可以用信号通知错误。
在许多应用中，特别是在汽车应用中，如果过流发生，可以期望定位过流的原因，因为这可以显著地减小修复该问题必须的努力。因此存在对于允许定位对过流负责的原因的提供过流保护的电机控制器的需要。
发明内容
本公开涉及一种用于通过线圈控制负载电流的电路，所述线圈被连接到晶体管H桥的输出端口，所述晶体管H桥包括两个低侧晶体管和两个高侧晶体管。所述电路包括耦合到H桥并且配置成提供所述负载电流的表示的电流感测电路。电流调节器被配置成根据所述负载电流的所述表示和电流设定点来生成调制信号，从而所述调制信号具有占空比。门控制逻辑被提供用于根据所述调制信号和方向信号来驱动所述H桥的独立的晶体管开与关以便向所述线圈提供所述负载电流。过流检测电路被耦合到每一个独立的晶体管并且被配置成当通过所述相应的晶体管的晶体管电流超过相应的最大值时通过提供激活的过流故障信号来用信号通知过流。最后占空比测量电路被配置成监控所述调制信号的所述占空比，并且当所述调制信号的所述占空比超过最大占空比时用信号通知开路线圈故障电路。当所述调制信号的所述占空比等于或者降到低于最小占空比时可以用信号通知短路的线圈故障。
附图说明
参考以下的图和描述能够更好地理解本发明。图中的部件未必按比例绘制，代替地重点被放置在说明本发明的原理上。此外，在图中，相同的附图标记指示对应的部分。在图中：
图1在方框图中图示了根据本发明的一个示例的电机控制器的结构；
图2是列举了可以作为不同物理故障的结果而发生的可能的可测量的效果的表；
图3是图示了短路的线圈检测的一个示例性实施方式的时序图；以及
图4是图示了根据本示例的故障检测的一个示例的流程图。
具体实施方式
如在背景技术部分所提到的那样，通常在电机控制器中包括一种过流保护以便保护控制器和其它部件免遭受由于短路等而导致的热破坏。在检测到过流时电机控制器通常断开电流并且可以用信号通知错误。在许多应用中，特别是在汽车应用中，如果过流发生，可以期望定位过流的原因，因为这可以显著地减小修复该问题必须的努力。例如，在现代车辆的自适应前灯系统中使用步进马达的情况下，电机控制器中的过流可以由短路的电机线圈(即，有缺陷的电机)或由供应电机的有缺陷的电缆（其中驱动线路(连接电机线圈)中的一个与电池或接地触点短路）产生。第一个缺陷将要求改变车辆的整个头灯底座，然而后者的缺陷将仅仅要求电缆的替换。然而，由常规电机控制器提供的错误(过流)信号未考虑到区分过流的原因（其对于必须通过读出车辆的故障诊断装置的故障存储器来分析问题的电工来说是非常有帮助的）。直到现在必须完成大量的程序以在上文所提到的两个可能的缺陷之间进行区分。
图1图示了对进一步讨论有关的电机控制器的一些部件。电机控制器包括由两个半桥组成的H桥。第一个半桥包括在半桥输出节点A处连接的晶体管THS1和TLS1，而第二个半桥包括在半桥输出节点B处连接的晶体管THS2和TLS2。节点A和B形成H桥的输出端口，其连接例如具有电感L以及欧姆电阻RL的电机线圈。高侧晶体管THS1、THS2被分别连接在输出节点A或B与例如从汽车电池接收对应的电源电势的端子VBAT之间。低侧晶体管TLS1、TLS2被分别连接在输出节点A或B与经由感测(分流)电阻器Rs耦合到地电势GND的感测端子之间。横跨感测电阻器Rs的电压降Vs表示通过线圈L的负载电流iL(当对线圈“充电”因此提高存储在其中的电磁能量时)，并且与电流iL的方向无关。所感测的电压降Vs被提供给电流调节器10已用于进一步处理。每一个晶体管THS1、THS2、TLS1、TLS2都使用驱动器电路来驱动开与关。在图1的本示例中晶体管THS1、THS2、TLS1、TLS2是MOSFET并且驱动器电路是相应的门驱动器XHS1、XHS2、XLS1、XLS2，其输出信号被提供给相应的晶体管栅极。驱动器输出信号根据由门控制逻辑20所提供的相应的(二进制)输入信号来生成。门驱动器XHS1、XHS2、XLS1、XLS2可以被配置成生成驱动器信号(输出信号)使得阻止了交叉导电并且实现了定义的开关负载电流的上升和下降次数。
电流调节器10接收实际测量的负载电流iL，并且根据给出的控制规则来提供表示所期望的负载电流的调制(通常为脉宽调制的，PWM)信号SPWM。PWM信号SPWM被提供给门控制逻辑20，该门控制逻辑20从其生成用于H桥的四个门驱动器XHS1、XHS2、XLS1、XLS2的合适的输入信号。进一步，二进制信号(即，1比特)被提供给指示电机的旋转的所期望的方向(顺时针/逆时针)的门控制逻辑。可以在数字调节器13中实现该控制规则。在这种情况下所测量的负载电流(由感测电阻器Rs和前置放大器11提供)使用模拟至数字转换器(ADC 12)来数字化。数字调节器13和/或门控制逻辑20可以使用指定的硬件部件或执行适当的软件的通用可编程微控制器来实现。可以使用混合解决方案(部分硬件，部分软件)。
过流检测器被耦合到H桥中的每一个晶体管。这样的过流检测器可以是耦合到比较器的分流电阻器(具有低电阻以限制损失)，当相应的漏极电流(或者在双极晶体管情况下的集电极电流)超过定义的阈值时触发该比较器。该过流阈值对所有晶体管通常是相同的。过流阈值的超过通过将过流信号OCHS1、OCHS2、OCLS1、OCLS2设置为适当的逻辑电平(例如，+5V的高电平，其中0V的低电平指示电流低于阈值)来用信号通知。通常相应的晶体管响应于检测到的过流而被关闭，即OCHS1=1会造成晶体管THS1的关闭。
在正常操作期间负载电流iL经由晶体管THS1和TLS2或者相反地经由晶体管THS1和TLS2提供给线圈L。也就是说，两个斜角相对的晶体管被依次接通，同时另外两个晶体管被断开。
因此当驱动线圈时(例如，经由晶体管THS1和TLS2)可以检测到三个不同的过流条件，即：
- 高侧晶体管(例如，晶体管THS1)的关闭，
- 低侧晶体管(例如，晶体管TLS2)的关闭，或
- 由感测电阻器RS 感测到的过流(其由电流调节器20解释为“短路线圈”)。
在后者的情况下电流调节器10将减小调节器输出信号SPWM的占空比，线圈基本上不提供电阻，并且因此调节器10尝试通过将调节器输出信号(即，其占空比)减小到最小来补偿最后得到的高电流。这个最小占空比例如可以通过占空比测量电路30来检测。此外，当线圈提供高欧姆电阻时可以检测到“开路线圈故障”并且因此没有或者仅小的电流在电流节点A与B之间流动。开路线圈还可以使用占空比测量电路30来检测。当占空比呈现最大值时(即，调节器将最大激励施加到线圈)，可以断定线圈没有提供其应该提供的低欧姆电流通路。当电流测量电阻器被旁路时，即通过节点A与地之间的短路，此错误也会发生。
在图2中所描绘的表中概括了所有可能的故障场景。最后列的条目表示故障的物理原因。第二列和第三列中的条目是会出现并且可以使用图1的电路检测到的可能的结果。
假定正的负载电流iL(THS1和TLS2被接通，THS2和TLS1被断开)，则在节点A处到地GND的短路将导致激活的过流信号OCHS1，然而不能够检测到在节点A处到电池线路VBAT的短路；在节点B处到地GND的短路将导致调节器10的“开路线圈”错误，然而在节点B处到电池线路VBAT的短路将导致激活的过流信号OCLS2；短路的线圈将导致激活的过流信号OCHS1和/或激活的过流信号OCLS2，并且额外地导致如上文所解释的调节器10的“短路线圈”故障。
假定负的负载电流iL(THS2和TLS1被接通，THS1和TLS2被断开)，则在节点B处到地GND的短路将导致激活的过流信号OCHS2，然而不能够检测到在节点B处到电池线路VBAT的短路；在节点A处到地GND的短路将导致调节器10的“开路线圈”错误，然而在节点A处到电池线路VBAT的短路将导致激活的过流信号OCHS1；再次短路线圈将导致激活的过流信号OCHS1；和/或激活的过流信号OCLS2，并且额外地导致如上文所解释的调节器10的“短路线圈”故障。
哪一个故障检测机制首先被触发取决于触发过流信号的实际的检测阈值以及用于检测短路线圈故障所要求的调节器和占空比测量的反应时间。
当感测电阻器Rs通过分别从A或B短路到地而被旁路时“开路线圈”故障可以由调节器触发。在这种情况下调节器“看见”无负载电流，犹如无线圈存在并且H桥的输出端口是开路电路。
在检测到的故障(一个激活的过流信号OCHS1、OCHS1、OCHS1、OCHS1、开路线圈故障或短路线圈故障)的情况下，不能够明显地识别此故障的物理原因。过流信号OCHS1可以由电路节点A与地之间的短路或者由电路节点A与B(短路线圈)之间的短路引起。因此，响应于检测到的故障执行 “重新测试”，即，线圈用反向的负载电流来再次驱动。为了给出示例，假定线圈初始地用正的负载电流iL来驱动(见图2，第二列)并且检测到激活的过流信号OCHS1，该过流信号OCHS1可以由节点A与地GND之间的短路或短路的线圈(即，有缺陷的电机)引起。为了明显地识别故障的物理原因，作为重新测试该线圈被供应负的负载电流iL (见图2，第三列)。在调节器10 产生“开路线圈”故障情况下，可以明显地断定失灵的物理原因是节点A与地GND之间的短路。在重新测试期间检测到另一激活的过流信号(例如，OCHS2)的情况下，可以明显地断定失灵的物理原因是短路的线圈。在第一种情况下电缆的替代足以解决该问题，然而在后者的情况下更可能将必须替换整个电机。
如上文所提到的那样，当实际的负载电流iL高于所期望的负载电流(即，负载电流设定点)时，电流调节器10将减小调节器输出信号SPWM的占空比。如调节器10尝试通过将调节器输出信号(即，其占空比)减小到最小来补偿高电流(高于设定点)。此最小占空比可以例如由占空比测量电路30检测。因此，通过监控电流调节器10的PWM输出信号SPWM的占空比能够检测短路的线圈。然而，这样的故障检测策略在某些情况下可以导致“误判”，即，尽管其实际上没有缺陷但是检测到短路的线圈。上文所讨论的机制可以由图1中所图示的微型控制器μC控制。应该注意的是，由电流调节器10、占空比测量电路30以及门控制逻辑所提供的功能可以使用适当的软件在微型控制器μC中实现。然而，可替代地可以采用使用部分软件(由微型控制器μC来执行)和部分专用硬件的混合实施方式。
图3图示了其中实际的负载电流iL太高并且因此调节器在正常操作期间生成最小占空比的PWM信号SPWM的情形。图3图示了作为接近正弦函数的逐步增加和减小曲线(电流设定点)的所期望的负载电流iL。虽然电流设定点正在增加但是电流调节器10使实际的电流iL跟踪该设定点。然而，当设定点正在减小时可能发生线圈电流iL不能够足够快地减小以便跟随该设定点，因此，调节器将以和短路的线圈所发生的相同方式来减小PWM输出信号SPWM的占空比。这是电流控制器10不能够反转电流方向(在一个时间步长内)而仅仅调节电流降至(几乎)零的事实的结果。因此，尽管线圈正确地工作并且没有缺陷但是占空比测量电路30“看见”短路的线圈(由于几乎零的占空比的原因)。
为了区分实际上有缺陷的线圈和短路节点A与B这样的情形(见图1)，提供了故障计数器并且当故障计数器值超过预定故障检测阈值时仅用信号通知短路线圈。该计数器被初始化为零并且在时间间隔tSTEP(在每一个时间步长tSTEP结束时)递增一次，其中在时间间隔tSTEP期间检测到最小占空比。当在随后的时间步长期间实际的电流iL接近匹配设定点并且调节器输出信号SPWM的占空比显著地不同于零时，计数器再次被递减。当计数器值超过故障检测阈值时仅用信号通知“短路线圈”故障。本质上计数器可以被看作“滤波器”，其通过监控电流调节器输出的占空比来抑制短路线圈的误判检测。当电流设定点为零时(或者其绝对值接近零、低于适当的阈值)则最小占空比无论如何将出现并且因此不对计数器值有贡献。在这种情况下指示已经检测到最小占空比的对应的错误标志被置空或者忽略。进一步，防止计数器溢出，即，当被进一步递减时计数器保持在零。当计数器超过相应的阈值(见图3，“短路线圈检测阈值”)时仅用信号通知短路线圈故障。
现参考图4来概括由控制器所采用的故障检测方法。如上文所解释的那样，四个晶体管(THS1、TLS1、THS2、TLS2)中的每一个都与适当的晶体管电流监控单元相关联以便考虑到在每一个晶体管处的过流检测。过流事件通过相应激活的过流信号OCX(在此X ∈ {HS1, LS1, HS2, LS2})来用信号通知。图4的流程图始于由激活的过流信号所指示的过流的检测。例如，当负载电流从电路节点A流到节点B时信号OCHS1被设置为激活的。
如能够从图2中的表中看见的那样，不能够明确地为激活的过流信号分配物理原因。信号OCHS1能够由节点A与地之间的短路或者由短路的线圈来触发。响应于过流信号H桥的晶体管被门逻辑控制20断开。为了解决该不确定性用反向的电流方向来执行重新测试，即调节器再次尝试驱动线圈但此时用反向的电流方向(即在本示例中为从节点B到节点A)。如果重新测试产生另一过流关闭(例如，通过信号OCLS1来用信号通知)，则能够断定H桥输出端口被短路了，即线圈在节点A与B之间短路。如果重新测试未产生过流关闭则可以断定在一个线圈端子(节点A或B)与一个供应线(GND或VBAT)之间存在短路。
在本示例中(激活的过流信号OCHS1，在重新测试期间不曾电流关闭)，能够断定电路节点A被短路到地线。此外，可以检查开路线圈错误信号。
尽管已经公开了实现本发明的各种示例，但是对本领域的技术人员来说明显的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行将实现本发明的优点中的一些的各种改变和修改。将对本领域的技术人员显而易见的是，可以适当地替代执行相同功能的其它部件。对发明构思的这样的修改旨在通过随附权利要求来覆盖。
以两个或多个这样的特征的孤立和任何组合公开了在本文中所描述的每一个单独的特征，在一定程度上这样的特征或组合能够根据本领域的技术人员的公知常识基于作为整体的本说明书来执行，不管这样的特征或特征的组合是否解决了本文中所讨论的任何问题，并且不限制权利要求的范围。本发明的各方面可以包括任何这样的单独的特征或特征的组合。考虑到前述描述将对本领域的技术人员明显的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (13)

1.一种用于通过线圈控制负载电流的电路，所述线圈被连接到晶体管H桥的输出端口，所述晶体管H桥包括两个低侧晶体管和两个高侧晶体管，所述电路包括：
电流感测电路，其被耦合至所述H桥并且配置成提供由所述输出端口提供的所述负载电流的表示；
电流调节器，其被配置成根据所述负载电流的所述表示和电流设定点来生成调制信号，所述调制信号具有占空比；
门控制逻辑，用于根据所述调制信号和方向信号来驱动所述H桥的独立的晶体管开与关以便向所述线圈提供所述负载电流，所述方向信号确定所述负载电流的方向；以及
过流检测电路，其被耦合至每一个独立的晶体管并且被配置成当通过所述独立的晶体管的晶体管电流超过相应的最大值时通过提供激活的过流故障信号来用信号通知过流。
2.根据权利要求1所述的电路，进一步包括占空比测量电路，其被配置成监控所述调制信号的所述占空比并且当所述调制信号的所述占空比超过最大占空比时用信号通知开路线圈故障。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述占空比测量电路被配置成当所述调制信号的所述占空比超过最小占空比多次时用信号通知短路线圈故障电路。
4.根据权利要求1所述的电路，其中在出现过流故障信号时，所述方向信号被反向以向所述线圈提供反向的负载电流。
5.根据权利要求3所述的电路，进一步包括估计单元，所述估计单元被配置成根据所述检测的过流故障信号来识别所述开路线圈故障的实际原因。
6.根据权利要求3所述的电路，进一步包括估计单元，所述估计单元被配置成当检测到所述最小占空比时在每一个时间步长结束时递增计数器值，并且如果没有检测到最小占空比则递减所述计数器值，当电流设定点为零时阻止所述计数。
7.一种用于驱动线圈的方法，所述线圈连接至包括两个低侧晶体管和两个高侧晶体管的晶体管H桥的输出端口，所述方法包括：
通过根据具有占空比的调制信号适当地驱动所述H桥的所述晶体管来提供负载电流；
监控在所述H桥的每一个晶体管处的晶体管电流，并且当相应的晶体管电流超过对应的阈值时用信号通知过流；以及
当所述过流被用信号通知时，关闭所述晶体管，作为重新测试通过适当地驱动所述H桥的所述晶体管来提供反向的负载电流，监控在所述H桥的每一个晶体管处的所述晶体管电流，以及当所述相应的晶体管电流超过对应的阈值时再次用信号通知所述过流。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
使用耦合至所述H桥的电流测量电路来测量所述负载电流以获得测量的负载电流值；以及
根据所述测量的负载电流值和电流设定点来调节所述调制信号的所述占空比。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括监控所述调制信号的所述占空比，并且当所述占空比超过预定的最大占空比时用信号通知开路线圈故障。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括监控所述调制信号的所述占空比，并且当所述占空比达到预定的最小占空比多次时用信号通知短路线圈故障。
11.一种用于驱动线圈的方法，所述线圈连接至包括两个低侧晶体管和两个高侧晶体管的晶体管H桥的输出端口，所述方法包括：
通过根据具有占空比的调制信号适当地驱动所述H桥的所述晶体管来提供负载电流；
使用耦合至所述H桥的电流测量电路来测量负载电流以获得测量的负载电流值；
根据所述测量的负载电流值和负载电流设定点来调节所述调制信号的所述占空比；
监控所述调制信号的所述占空比，当所述占空比达到或降到低于预定的最小占空比时每一个时间步长都递增计数器，当所述占空比保持大于所述最小占空比时每一个时间步长都递减所述计数器，当所述负载电流设定点基本上为零时禁止计数器修改；以及
当所述计数器超过相应的短路线圈故障阈值时用信号通知短路线圈故障。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
监控在所述H桥的每一个晶体管处的晶体管电流，并且当所述相应的晶体管电流超过对应的阈值时用信号通知过流；以及
当所述过流被用信号通知时，关闭所述晶体管，作为重新测试通过适当地驱动所述H桥的所述晶体管来提供反向的负载电流，监控在所述H桥的每一个晶体管处的所述晶体管电流，以及当所述相应的晶体管电流超过对应的阈值时再次用信号通知所述过流。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括监控所述调制信号的所述占空比，以及当所述占空比超过预定的最大占空比时用信号通知开路线圈故障。
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