CN104699076B - 一种电机控制系统及其微电子故障检测方法和装置 - Google Patents

一种电机控制系统及其微电子故障检测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电子故障检测技术领域，提供了一种电机控制系统及其微电子故障检测方法和装置，在电机控制系统进入主控制进程后计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，在计算完成时间与在前电流采样时间点之间的时间间隔大于预设检测时间间隔时，中止主控制进程，在检测进程中控制ADC采样模块采样外部参考电压以得到数字参考电压值，再根据该数字参考电压值和预设电压值判断其是否发生故障，若是，则驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式，若否，则退出检测进程，并恢复主控制进程，从而能够对ADC采样模块进行有效的故障检测，且在ADC采样模块无故障时恢复主控制进程以使电机正常运行，保证电机的运行不受故障检测的影响。

Description

一种电机控制系统及其微电子故障检测方法和装置
技术领域
本发明属于电子故障检测技术领域，尤其涉及一种电机控制系统及其微电子故障检测方法和装置。
背景技术
目前，在需要采用电机驱动的家用电器(如抽油烟机、洗衣机、空调器)中，电机是由电机控制系统进行驱动控制的，而电机控制系统中的核心控制器件是中央处理器，如果中央处理器中的某个微电子模块(如ADC采样模块)出现故障，则无法保证对电机实现正常的驱动控制，进而导致电机无法正常运行，因此，需要对微电子模块进行故障检测，以便根据故障执行相应的保护措施避免电机异常运行。
在现有技术中，针对ADC采样模块(其用于对工作电流和工作电压进行采样并转换为数字信号值)对电机控制系统进行微电子故障检测的方式有以下两种：
(1)在通过脉宽调制方式控制电机运行的同时，对ADC采样模块进行故障检测。但由于故障检测过程是与脉宽调制方式同时进行的，所以故障检测过程容易受到脉宽调制方式干扰，从而导致故障检测失效或对其他检测项目产生不良影响，且还可能会改变中央处理器中的系统参数、寄存器的配置信息或数据，并导致寄存器无法实现实时处理功能，进而使电机运行异常。
(2)在通过脉宽调制方式控制电机运行的过程中，如果需要对ADC采样模块进行故障检测，则会先禁止脉宽调制方式的执行，然后进行故障检测。此方式虽然解决了上述方式(1)所存在的问题，但在完成故障检测后，却又无法重新恢复脉宽调制方式以控制电机运行，因此存在无法继续使电机正常运行的问题。
综上所述，现有技术存在无法既对ADC采样模块进行有效的故障检测，又能保证电机不受故障检测的影响而保持正常运行的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机控制系统的微电子故障检测方法，旨在解决现有技术所存在的无法既对ADC采样模块进行有效的故障检测，又能保证电机不受故障检测的影响而保持正常运行的问题。
本发明是这样实现的，一种电机控制系统的微电子故障检测方法，所述电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，所述电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块；所述微电子故障检测方法包括以下步骤：
A.在进入所述主控制进程后，根据所述ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，并在计算完成后将所述脉宽调制信号的占空比更新为所述脉宽调制占空比；
B.判断计算完成时间与所述两个电流采样时间点中的在前电流采样时间点之间的时间间隔是否大于预设检测时间间隔，是，则执行步骤C，否，则执行步骤F；
C.中止所述主控制进程，在检测进程中控制所述ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值；
D.延时预设时间间隔，并根据所述数字参考电压值和预设电压值判断所述ADC采样模块是否发生故障，是，则执行步骤G，否，则执行步骤E；
E.退出所述检测进程，并恢复所述主控制进程，执行步骤F；
F.在所述主控制进程的末段周期时间内，根据所述两个电流采样时间点控制所述ADC采样模块对电机工作电流进行两次电流采样以得到两个电流采样值，且返回执行步骤A；
G.驱动所述电机控制系统控制所述电机停止运行并进入故障保护模式。
本发明还提供了一种电机控制系统的微电子故障检测装置，所述电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，所述电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块；所述微电子故障检测装置包括：
计算与更新模块，用于在进入所述主控制进程后，根据所述ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，并在计算完成后将所述脉宽调制信号的占空比更新为所述脉宽调制占空比；
时间间隔判断模块，用于判断计算完成时间与所述两个电流采样时间点中的在前电流采样时间点之间的时间间隔是否大于预设检测时间间隔；
电压采样控制模块，用于在所述时间间隔判断模块的判断结果为是时，中止所述主控制进程，在检测进程中控制所述ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值；
故障判断模块，用于根据所述数字参考电压值和预设电压值判断所述ADC采样模块是否发生故障；
进程切换模块，用于在所述故障判断模块的判断结果为否时，退出所述检测进程，并恢复所述主控制进程；
电流采样控制模块，用于在所述进程切换模块完成工作后或者所述时间间隔判断模块的判断结果为否时，在所述主控制进程的末段周期时间内，根据所述两个电流采样时间点控制所述ADC采样模块对电机工作电流进行两次电流采样以得到两个电流采样值，且驱动所述计算与更新模块工作；
系统保护触发模块，用于在所述故障判断模块的判断结果为是时，驱动所述电机控制系统控制所述电机停止运行并进入故障保护模式。
本发明还提供了一种包括上述微电子故障检测装置的电机控制系统。
本发明在电机控制系统进入主控制进程后计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，在计算完成时间与在前电流采样时间点之间的时间间隔大于预设检测时间间隔时，中止主控制进程，在检测进程中控制ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值，再根据该数字参考电压值和预设电压值判断ADC采样模块是否发生故障，若是，则驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式，若否，则退出检测进程，并恢复主控制进程，在主控制进程的末段周期时间内，根据两个电流采样时间点控制ADC采样模块进行两次电流采样以得到两个电流采样值，从而能够对ADC采样模块进行有效的故障检测，且在ADC采样模块无故障时恢复主控制进程以使电机正常运行，保证电机的运行不受故障检测的影响，解决了现有技术所存在的无法既对ADC采样模块进行有效的故障检测，又能保证电机不受故障检测的影响而保持正常运行的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电机控制系统的微电子故障检测方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的电机控制系统的微电子故障检测方法的具体实现流程图；
图3是本发明实施例提供的电机控制系统的微电子故障检测装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的电机控制系统的微电子故障检测装置的具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明实施例提供的电机控制系统的微电子故障检测方法的实现流程，其中，电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块，ADC采样模块用于对电机工作电流和外部参考电压进行采样并转换为相应的数字信号值；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
在步骤S1中，在进入主控制进程后，根据ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，并在计算完成后将脉宽调制信号的占空比更新为脉宽调制占空比。
具体的，步骤S1中根据ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点的步骤具体是通过常用的FOC(Field-Oriented Control，磁场导向控制)算法计算得到脉宽调制占空比和两个电流采样时间点。其中，对于计算两个电流采样时间点，实际上是根据ADC采样模块在前一主控制进程所得到的两个电流采样值，按照FOC算法估算电机转子位置以确定两个电流采样时间点。
在步骤S2中，判断计算完成时间与两个电流采样时间点中的在前电流采样时间点之间的时间间隔是否大于预设检测时间间隔，是，则执行步骤S3，否，则执行步骤S6。
此处需要说明的是，计算完成时间是指步骤S1中完成对脉宽调制占空比和两个电流采样时间点进行计算时的时间点；两个电流采样时间点包括在前电流采样时间点和在后电流采样时间点，在前电流采样时间点的时间先于在后电流采样时间点；预设检测时间间隔具体可以为12μs。
在步骤S3中，中止主控制进程，在检测进程中控制ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值。
在步骤S4中，根据数字参考电压值和预设电压值判断ADC采样模块是否发生故障，是，则执行步骤S7，否，则执行步骤S5。
如图2所示，步骤S4具体包括以下步骤：
S41.延时预设时间间隔；
S42.判断数字参考电压值与预设电压值之间的差值是否超出偏差允许范围，是，则执行步骤S7，否，则执行步骤S5。
其中，预设时间间隔具体可以是10μs。延时预设时间间隔的目的是为了保证步骤S3中ADC采样模块完成将外部参考电压转换为数字参考电压值的过程，以便步骤S4中能够根据数字参考电压值和预设电压值准确判断ADC采样模块是否发生故障。预设电压值是指预先设定的标准参考电压值，其用于表征ADC采样模块是处于正常工作状态，未发生故障。偏差允许范围具体可以是预设电压值的-10％至预设电压值的+10％，例如：预设电压值为10V，则预设电压值的-10％为-1V，预设电压值的+10％为1V，所以偏差允许范围为[-1V,1V]。如果数字参考电压值与预设电压值之间的差值超出偏差允许范围，则表明ADC采样模块发生故障(即ADC采样模块发生开路或短路)，反之，则表明ADC采样模块未发生故障。
在步骤S5中，退出检测进程，并恢复主控制进程，执行步骤S6。
此处需要说明的是，在步骤S4判定ADC采样模块未发生故障后，则表明电机控制系统可以继续控制电机实现正常运行，所以步骤S5便退出检测进程，并恢复主控制进程以使电机控制系统能够继续控制电机工作。
在步骤S6中，在主控制进程的末段周期时间内，根据两个电流采样时间点控制所述ADC采样模块对电机工作电流进行两次电流采样以得到两个电流采样值，且返回执行步骤S1。
其中，主控制进程的末段周期时间具体可以是主控制进程所占用的一个周期时间的最后1/4周期时间。主控制进程所占用的一个周期时间具体可以是1/8000秒。
在步骤S7中，驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式。
其中，驱动电机控制系统进入故障保护模式是为了在ADC采样模块发生故障时避免其他微电子模块因此而发生异常所采取的保护措施，故障保护模式可以是在控制电机停止运行的同时，使电机控制系统中的其他微电子模块也停止工作，避免器件受到损坏。
本发明实施例在电机控制系统进入主控制进程后计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，在计算完成时间与在前电流采样时间点之间的时间间隔大于预设检测时间间隔时，中止主控制进程，在检测进程中控制ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值，再根据该数字参考电压值和预设电压值判断ADC采样模块是否发生故障，若是，则驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式，若否，则退出检测进程，并恢复主控制进程，在主控制进程的末段周期时间内，根据两个电流采样时间点控制ADC采样模块进行两次电流采样以得到两个电流采样值，从而能够对ADC采样模块进行有效的故障检测，且在ADC采样模块无故障时恢复主控制进程以使电机正常运行，保证电机的运行不受故障检测的影响，提高了电机控制系统的安全可靠性。
图3示出了本发明实施例提供的电机控制系统的微电子故障检测装置的结构，其中，电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块10，ADC采样模块10用于对电机工作电流和外部参考电压进行采样并转换为相应的数字信号值；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
微电子故障检测装置20包括：
计算与更新模块201，用于在进入主控制进程后，根据ADC采样模块10在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，并在计算完成后将上述的脉宽调制信号的占空比更新为上述脉宽调制占空比；
时间间隔判断模块202，用于判断计算完成时间与两个电流采样时间点中的在前电流采样时间点之间的时间间隔是否大于预设检测时间间隔；
电压采样控制模块203，用于在时间间隔判断模块202的判断结果为是时，中止上述的主控制进程，在检测进程中控制ADC采样模块10对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值；
故障判断模块204，用于根据上述数字参考电压值和预设电压值判断ADC采样模块10是否发生故障；
进程切换模块205，用于在故障判断模块204的判断结果为否时，退出上述检测进程，并恢复上述主控制进程；
电流采样控制模块206，用于在进程切换模块205完成工作后或者时间间隔判断模块202的判断结果为否时，在上述主控制进程的末段周期时间内，根据上述两个电流采样时间点控制ADC采样模块10对电机工作电流进行两次电流采样以得到两个电流采样值，且驱动计算与更新模块201工作；
系统保护触发模块207，用于在故障判断模块204的判断结果为是时，驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式。
具体的，计算与更新模块201根据ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点的过程具体是：通过常用的FOC(Field-Oriented Control，磁场导向控制)算法计算得到脉宽调制占空比和两个电流采样时间点。其中，对于计算两个电流采样时间点，实际上是根据ADC采样模块在前一主控制进程所得到的两个电流采样值，按照FOC算法估算电机转子位置以确定两个电流采样时间点。
上述的计算完成时间是指计算与更新模块201完成对脉宽调制占空比和两个电流采样时间点进行计算时的时间点；两个电流采样时间点包括在前电流采样时间点和在后电流采样时间点，在前电流采样时间点的时间先于在后电流采样时间点；预设检测时间间隔具体可以为12μs。
如图4所示，故障判断模块204包括：
延时单元2041，用于延时预设时间间隔；
电压差值判断单元2042，用于判断数字参考电压值与预设电压值之间的差值是否超出偏差允许范围，是，则判定ADC采样模块发生故障，否，则判定ADC采样模块未发生故障。
其中，预设时间间隔具体可以是10μs。主控制进程的末段周期时间具体可以是主控制进程所占用的一个周期时间的最后1/4周期时间。主控制进程所占用的一个周期时间具体可以是1/8000秒。
系统保护触发模块207在故障判断模块204的判断结果为是时，驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式是为了在ADC采样模块10发生故障时避免其他微电子模块因此而发生异常所采取的保护措施，故障保护模式可以是在控制电机停止运行的同时，使电机控制系统中的其他微电子模块也停止工作，避免器件受到损坏。
本发明实施例还提供了一种电机控制系统，其在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，且其中的中央处理器具有ADC采样模块10，此外，该电机控制系统还包括上述的微电子故障检测装置。该电机控制系统可适用于抽油烟机、洗衣机、风机等需要通过电机驱动的设备。
综上所述，本发明实施例由计算与更新模块201在电机控制系统进入主控制进程后计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，在计算完成时间与在前电流采样时间点之间的时间间隔大于预设检测时间间隔时，由电压采样控制模块203中止主控制进程，在检测进程中控制ADC采样模块10对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值，再由故障判断模块204根据该数字参考电压值和预设电压值判断ADC采样模块10是否发生故障，若是，则由系统保护触发模块207驱动电机控制系统控制电机停止运行并进入故障保护模式，若否，则由进程切换模块205退出检测进程，并恢复主控制进程，由电流采样控制模块206在主控制进程的末段周期时间内，根据两个电流采样时间点控制ADC采样模块10进行两次电流采样以得到两个电流采样值，从而能够对ADC采样模块10进行有效的故障检测，且在ADC采样模块10无故障时恢复主控制进程以使电机正常运行，保证电机的运行不受故障检测的影响，提高了电机控制系统的安全可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机控制系统的微电子故障检测方法，所述电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，所述电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块；其特征在于，所述微电子故障检测方法包括以下步骤：
A.在进入所述主控制进程后，根据所述ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，并在计算完成后将所述脉宽调制信号的占空比更新为所述脉宽调制占空比；
B.判断计算完成时间与所述两个电流采样时间点中的在前电流采样时间点之间的时间间隔是否大于预设检测时间间隔，是，则执行步骤C，否，则执行步骤F；
C.中止所述主控制进程，在检测进程中控制所述ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值；
D.延时预设时间间隔，并根据所述数字参考电压值和预设电压值判断所述ADC采样模块是否发生故障，是，则执行步骤G，否，则执行步骤E；
E.退出所述检测进程，并恢复所述主控制进程，执行步骤F；
F.在所述主控制进程的末段周期时间内，根据所述两个电流采样时间点控制所述ADC采样模块对电机工作电流进行两次电流采样以得到两个电流采样值，且返回执行步骤A；
G.驱动所述电机控制系统控制所述电机停止运行并进入故障保护模式。
2.如权利要求1所述的微电子故障检测方法，其特征在于，所述预设检测时间间隔为12μs；所述预设时间间隔是10μs。
3.如权利要求1所述的微电子故障检测方法，其特征在于，步骤D包括以下步骤：
延时预设时间间隔；
判断所述数字参考电压值与预设电压值之间的差值是否超出偏差允许范围，是，则执行步骤G，否，则执行步骤E。
4.如权利要求1所述的微电子故障检测方法，其特征在于，所述末段周期时间为所述主控制进程所占用的一个周期时间的最后1/4周期时间；所述一个周期时间是1/8000秒。
5.一种电机控制系统的微电子故障检测装置，所述电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，所述电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块；其特征在于，所述微电子故障检测装置包括：
计算与更新模块，用于在进入所述主控制进程后，根据所述ADC采样模块在前一主控制进程对电机工作电流进行两次采样所得到的两个电流采样值计算脉宽调制占空比和两个电流采样时间点，并在计算完成后将所述脉宽调制信号的占空比更新为所述脉宽调制占空比；
时间间隔判断模块，用于判断计算完成时间与所述两个电流采样时间点中的在前电流采样时间点之间的时间间隔是否大于预设检测时间间隔；
电压采样控制模块，用于在所述时间间隔判断模块的判断结果为是时，中止所述主控制进程，在检测进程中控制所述ADC采样模块对外部参考电压进行采样并转换为数字参考电压值；
故障判断模块，用于根据所述数字参考电压值和预设电压值判断所述ADC采样模块是否发生故障；
进程切换模块，用于在所述故障判断模块的判断结果为否时，退出所述检测进程，并恢复所述主控制进程；
电流采样控制模块，用于在所述进程切换模块完成工作后或者所述时间间隔判断模块的判断结果为否时，在所述主控制进程的末段周期时间内，根据所述两个电流采样时间点控制所述ADC采样模块对电机工作电流进行两次电流采样以得到两个电流采样值，且驱动所述计算与更新模块工作；
系统保护触发模块，用于在所述故障判断模块的判断结果为是时，驱动所述电机控制系统控制所述电机停止运行并进入故障保护模式。
6.如权利要求5所述的微电子故障检测装置，其特征在于，所述预设检测时间间隔为12μs。
7.如权利要求5所述的微电子故障检测装置，其特征在于，所述故障判断模块包括：
延时单元，用于延时预设时间间隔；
电压差值判断单元，用于判断所述数字参考电压值与预设电压值之间的差值是否超出偏差允许范围，是，则判定所述ADC采样模块发生故障，否，则判定所述ADC采样模块未发生故障。
8.如权利要求5所述的微电子故障检测装置，其特征在于，所述预设时间间隔是10μs。
9.如权利要求5所述的微电子故障检测装置，其特征在于，所述末段周期时间为所述主控制进程所占用的一个周期时间的最后1/4周期时间；所述一个周期时间是1/8000秒。
10.一种电机控制系统，所述电机控制系统在主控制进程中通过脉宽调制信号控制电机运行，所述电机控制系统中的中央处理器具有ADC采样模块；其特征在于，所述电机控制系统还包括如权利要求5至9任一项所述的微电子故障检测装置。
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Model-based fault-detection and diagnosis – status and applications;Rolf Isermann;《Annual Reviews in Control》;20051231;全文 *
基于DSP和ARM双CPU结构的异步电动机故障检测装置;刘金明 等;《电子器件》;20080831;第31卷(第4期);全文 *

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CN104699076A (zh) 2015-06-10

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