CN103576081A

CN103576081A - 一种脉冲宽度调制开关电路的实时诊断方法

Info

Publication number: CN103576081A
Application number: CN201310584465.1A
Authority: CN
Inventors: 钟艳; 薛小莉; 张金华; 王洪; 张育华
Original assignee: Hengchi Science & Technology Co Ltd Zhenjiang
Current assignee: Zaozhuang Zhupin Commercial Concrete Co ltd
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103576081B

Abstract

本发明提供一种对脉冲宽度调制（PWM）开关电路的实时诊断方法。该方法通过中断捕捉PWM的电平变化或跳变边沿，在跳变边沿处延时一定时间后采集负载与开关之间的电平状态，比较负载与开关之间的电平状态和对应时刻PWM的电平判断电路是否存在故障。通过本方法在几乎不增加硬件成本的情况下配合适当的软件流程实现对PWM开关电路的实时诊断，可以用于对电机转速、电磁阀开度等需要连续控制的执行器电路诊断。

Description

一种脉冲宽度调制开关电路的实时诊断方法

技术领域

本发明涉及一种对脉冲宽度调制（简称PWM）开关电路的实时诊断方法。

背景技术

很多电感型电子执行器比如电磁阀、电机需要对其开度、转速等进行连续控制，对这类应用最常用的控制方法之一就是通过脉冲宽度调制（PWM）的方式进行驱动，通过对占空比的控制获得不同的平均电流，以实现对开度、转速的控制，例如汽车中的电子节气门是通过PWM方式控制电机的电流来即输出扭矩实现对其开度大小的连续控制。

在实时控制系统中，通常需要对输出的有效性进行诊断。由于PWM输出的电平是周期性跳变的，实现PWM开关电路的实时诊断主要问题在于必须能实时的感知PWM的电平和负载与开关间的电平状态，同时由于开关动作有一定的延时，负载与开关间的电平变化会滞后于PWM电平的变化，必须在合适的时机进行诊断。正是以上的原因实现对PWM开关电路的实时诊断比较困难，通常需要设计专门的集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC）来实现，增加了硬件设计难度和成本。但在电机、电磁阀连续控制这类的应用中一般都会使用单片机对控制目标量进行采集，并调节PWM输出实现系统的闭环控制，而目前多数单片机都可以同时具备以下资源：

1. PWM输出，软件设定好PWM的周期、占空比参数后无须自动输出PWM波形；

2. 带中断的定时器，通过软件设定好一个时间后产生定时中断；

3. 引脚中断，单片机引脚在指定电平或指定边沿到来时产生中断；

4. 引脚电平采集，采集单片机引脚电平的高、低状态。

因此，利用单片机的以上资源结合适当的诊断流程，可实现对PWM开关电路的实时诊断。

发明内容

本发明的目的是利用单片机资源对PWM驱动型开关电路故障的实时诊断，并通过如下的技术和步骤实现：

S1：使用单片机具备PWM输出功能的IO口（3）来驱动电子低位开关（9）；通过一路具有输入电平状态检测功能的电平输入口（4）来检测负载和低位开关连接导线上的电平高、低状态；使用一路具有电平或边沿捕捉功能的边沿中断口（2）感知PWM驱动口（3）的电平变化，当PWM电平发生变化时此IO产生中断；使用单片机内部一路定时器（12）用于诊断延时定时，即在PWM电平跳变后延时一定时间读取负载和低位开关连接导线上的电平状态，避免开关延时、开关刚动作时可能的不稳定脉冲等因素导致负载和低位开关连接导线上的电平状态变化晚于PWM输出口的电平变化（如附图2）。

S2：设置PWM的周期和初始占空比，启动低位开关驱动口的PWM输出，并限制在后续控制过程中对PWM输出的占空比进行限制。

S3：计算由于S2中对PWM占空比的限制，PWM波最小的高电平时间和低电平时间分别记为th_min、tl_min。

S4：设置边沿中断口（2）在上升沿或高电平时产生中断，并使能中断。

S5：当PWM驱动口（3）出现边沿中断口（2）预设的高电平或上升沿时边沿中断口（2）产生中断，在该中断服务程序中记录PWM驱动口（3）为高电平状态，由于开关动作存在一定延时，设定定时器（12）在th_min/2后产生中断读取电平输入口（4）的电平。

S6：定时器（12）定时中断到来时，读取电平输入口（4）的电平高、低状态，比较该电平状态与S5中记录的PWM驱动口（3）状态，判断电路是否存在故障，翻转设置边沿中断口（2）在下降沿或低电平时产生中断。

S7：当PWM驱动口（3）出现下降沿或低电平时再次触发边沿中断口（2）进入中断，在该中断服务程序中记录PWM驱动口（3）为低电平状态，由于开关动作存在一定延时，设定定时器（12）在tl_min/2后产生中断读取电平输入口（4）的电平。

S8: 定时器（12）中断到来时，读取电平输入口（4）的电平高、低状态，比较该电平状态与S7记录的PWM驱动口（3）状态对电路是否存在故障进行诊断，翻转设置边沿中断口（2）在上升沿或高电平时产生中断。

S9：重复S5-S8进行诊断。

由以上步骤即可在每个PWM周期都对电路是否存在故障进行诊断，实现了对PWM开关的实时诊断。

基于以上步骤只需在PWM开关电路中引入两个单片机口对PWM和负载与开关之间的电平状态进行采集，几乎不额外的增加硬件成本，在软件上按照S2-S9的逻辑进行编程对电平逻辑进行判断来实现诊断，不涉及复杂运算和标定，控制了CPU开销，如果想进一步降低CPU开销还可以只对PWM开关电路只做周期诊断，在一个诊断周期内执行一次PWM开关电路的诊断（S5～S8）。通过这种方法降低了硬件成本同时也将CPU的开销控制在了合理的范围内。

附图说明

图1 PWM驱动诊断电路示意图

1- 单片机；2-边沿中断口；3-PWM输出口；4-电平输入口；

5-限压元件；6-限流元件；7-限流元件；8-限流元件；

9-电子开关；10-负载；11-电源；

图2 PWM电平切换时电平输入口电平状态可能的延时和脉冲

1-脉冲；tc-开关延时；td-电平输入口电平稳定时间；

图3诊断时序图

1-PWM电平上升沿时刻；

2-PWM高电平时读取电平输入口电平状态时刻；

3-PWM下降沿时刻；

4-PWM低电平时读取电平输入口电平状态时刻；

ta-PWM上升沿至电平输入口电平读取时刻延时；

tb-PWM下降沿至电平输入口电平读取时刻延时；

th-一个PWM波的高电平时间；

tl-一个PWM波的低电平时间；

具体实施方式

以飞思卡尔公司MC9S12XE系列单片机在汽车发动机电子节气门控制应用对本发明实施方式进行说明。

电子节气门，在发动机中用于控制进入发动机的空气量，电控单元闭环控制电子节气门的开启角度从而控制发动机进气量。飞思卡尔公司的MC9S12XE系列单片机，具有AD（模数转换）、PWM（脉冲跨度调制）、ECT（增强型捕捉定时器）、PIT（周期中断定时器）等功能模块。MC9S12XE通过AD口采集电子节气门的位置传感器信号感知节气门当前的开度，通过PWM口驱动电子节气门上的直流驱动电机控制节气门的开启或关闭。电子节气门开启需要驱动电机力矩大于节气门复位弹簧的力矩，电子节气门依靠复位弹簧的拉力关闭，MC9S12XE通过PWM驱动控制电子节气门的直流电机的电流及力矩来实现电子节气门开度的调节。

电子节气门驱动电路结构如附图1：

1) 使用MC9S12XE的PP0口作为PWM输出口3；

2) 使用MC9S12XE的PB0口作为电平输入口4；

3) 使用MC9S12XE的PT0边沿中断口2；

4) 使用NMOS管作为电子开关9；

5) 负载10即为电子节气门的直流电机；

6) 为保护单片机的口型在PWM输出口3、电平输入口4、边沿中断口2增加一些限流电阻和限压元件；

7) 使用单片机的PIT0通道进行诊断延时的定时。

PP0是MC9S12XE的一个PWM口，软件设定好PWM的占空比、周期后单片机内部模块即可使PP0口输出相应的PWM波形；PB0为单片机的一个普通IO，可以采集外部的高低电平状态；PT0是单片机的一个ECT口除可以实现普通IO采集外部电平的功能还可以捕捉外部电平的变化，在制定的上升沿或下降沿到来时产生中断；PIT0通道可以设定指定时刻产生定时中断。

电子节气门驱动时设定PWM的频率为1KHZ，占空比的调节范围在5%～95%之间，5%占空比驱动时可保证节气门被复位弹簧关闭，95%占空比驱动时可保证节气门完全打开，这样PWM波高电平（如附图3）和低电平（如附图3）的最小时间为50us，NMOS的开启时间一般为us级，为避免NMOS开启的延时，设置在PWM波跳变后延时25us进行诊断，这样既可以保证电子节气门快速响应又为诊断过程需要的延时保留了时间。诊断的实施过程如下：

1) 初始化口线功能，设置PP0的PWM周期为1KHZ，输出为最小占空比5%；设置PB0为输入口；设置PT0为输入口，同时设置为上升沿捕捉开启捕捉中断。

2) 节气门位置控制函数每10ms根据节气门当前开启角度和目标开启角度使用PID算法计算出PWM的控制占空比，并修改占空比，但是PWM的占空比被现在5%-95%之间。

3) 如附图3，在PP0口PWM上升沿到来，与PT0设置的捕捉边沿一致，程序进入PT0中断。在PT0中断服务程序中记录PT0口电平为高电平，设定PIT0在25 us后产生中断。

4) 如附图3，PWM高电平时读取电平输入口电平状态时刻，由步骤3）设置的PIT0中断产生，在PIT0中断服务程序中记录PB0的电平状态为S0，此时低位NMOS导通，无故障时S0电平应该为低，如果S0为高电平说明电路故障。修改PT0口捕捉边沿为下降沿。

5) 如附图3，在PP0口PWM下降沿到来时，与PT0设置的捕捉边沿一致，程序进入PT0中断。在PT0中断服务程序中记录PT0口电平为低电平，设定PIT0在25 us后产生中断。

6) 如附图3，PWM低电平时读取电平输入口电平状态时刻，由步骤5）设置的PIT0中断产生，在PIT0中断服务程序中记录PB0的电平状态为S1，此时低位NMOS关闭无故障时S1电平应该为高，如果S1为低电平说明电路故障。修改PT0口步骤边沿为上降沿。

7) 重复3）～6）步骤，即实时对电子节气门的电路进行了实时诊断。

Claims

1. 一种脉冲宽度调制开关电路的实时诊断方法，其特征在于通过中断捕捉PWM的电平变化或跳变边沿，在跳变边沿处延时一定时间后采集负载与开关之间的电平状态，比较延时时刻时负载与开关之间的电平状态和PWM当时的电平诊断电路是否存在故障，其具体步骤为：

S1：使用单片机具备PWM输出功能的IO口（3）来驱动电子低位开关（9），通过一路具有输入电平状态检测功能的电平输入口（4）检测负载和低位开关连接导线上的电平高、低状态，使用一路具有电平或边沿捕捉功能的边沿中断口（2）感知PWM驱动口（3）的电平变化，当PWM电平发生变化时此IO产生中断，使用单片机内部一路定时器（12）用于诊断延时定时，即在PWM电平跳变后延时一定时间读取负载和低位开关连接导线上的电平状态，避免开关延时、开关刚动作时可能的不稳定脉冲等因素导致负载和低位开关连接导线上的电平状态变化晚于PWM输出口的电平变化；

S2：设置PWM的周期和初始占空比，启动低位开关驱动口的PWM输出，并限制在后续控制过程中对PWM输出的占空比进行限制；

S3：计算由于S2中对PWM占空比的限制，PWM波最小的高电平时间和低电平时间分别记为th_min、tl_min；

S4：设置边沿中断口（2）在上升沿或高电平时产生中断，并使能中断；

S5：当PWM驱动口（3）出现边沿中断口（2）预设的高电平或上升沿时边沿中断口（2）产生中断，在该中断服务程序中记录PWM驱动口（3）为高电平状态，由于开关动作存在一定延时，设定定时器（12）在th_min/2后产生中断读取电平输入口（4）的电平；

S6：定时器（12）定时中断到来时，读取电平输入口（4）的电平高、低状态，比较该电平状态与S5中记录的PWM驱动口（3）状态，判断电路是否存在故障，翻转设置边沿中断口（2）在下降沿或低电平时产生中断；

S7：当PWM驱动口（3）出现下降沿或低电平时再次触发边沿中断口（2）进入中断，在该中断服务程序中记录PWM驱动口（3）为低电平状态，由于开关动作存在一定延时，设定定时器（12）在tl_min/2后产生中断读取电平输入口（4）的电平；

S8: 定时器（12）中断到来时，读取电平输入口（4）的电平高、低状态，比较该电平状态与S7记录的PWM驱动口（3）状态对电路是否存在故障进行诊断，翻转设置边沿中断口（2）在上升沿或高电平时产生中断；

S9：重复步骤S5至S8进行诊断。