CN105425091B - 大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法、应用，包括大功率电阻、继电器、双向大功率电子开关、电压采样电路、全波整流电路、目标电流转化电路、电流传感器、电流采样电路、PWM控制电路、逻辑运算电路、继电器驱动电路、运算控制模块。本发明不仅实现了大功率电路从连接完好到连接完全失效的全范围连接电阻故障模拟，而且实现了大功率电路中稳态、准稳态、缓变和瞬变等各种形式的连接电阻故障的动态模拟，还具有响应快、可靠、免维护、高精度的特点，亦可用于超大功率数字电位器、恒阻电子负载等。

Description

大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法、应用

技术领域

本发明涉及一种故障模拟技术，具体地，涉及一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法、应用。

背景技术

大功率电路如果出现连接电阻故障，不仅将引起巨大的电能损耗，还将引起火灾，这是目前大功率电路的主要故障表现，急需有效解决。

大功率电路的连接电阻的表现特征主要有：1)变化范围大，连接完好时为毫欧甚至更小，断开时为无穷大；2)形式多样，如，在静置设备中为稳态、准稳态、缓变，在电动汽车等运动设备中还表现为瞬变。目前，已有基于触点位置控制的连接电阻故障模拟电路，但：由于受控制执行机构响应速度的限制而无法模拟瞬变形式的连接电阻故障；由于执行机构的位置控制精度问题，而难于保证连接电阻故障模拟的精度；由于无法控制触点的压紧力，而难于模拟毫欧级的连接电阻故障；而且触点易于拉弧烧蚀，无法满足长期模拟的需求或使用成本高。还有基于大功率滑动变阻器的模拟电路，但：由于其滑动触头接触电阻无法测量且在使用中由于磨损存在不确定性，因此无法准确模拟小阻值的连接电阻；在模拟瞬变连接电阻时，滑动触头极易烧蚀，同样无法满足长期模拟的需求或使用成本高。由于大功率电路中毫欧级的连接电阻故障足以引起火灾，而作为故障模拟的测试设备，模拟电路必须满足长期使用要求和高精度的要求。因此，现有技术还不能满足对电流达数十上百安培的大功率电路连接电阻故障模拟的需求。

另外，数字电位器已大量应用于各种电路中，但现有的数字电位器大都电流太小(安培级)而且为有级调节，因此，对电流达数十上百安培的大功率电路亦缺乏大功率数字电位器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法、应用，其不仅能实现大功率电路从连接完好到连接完全失效的全范围连接电阻故障模拟，而且能模拟大功率电路中稳态、准稳态、缓变和瞬变等各种形式的连接电阻故障，还具有可靠、免维护、高精度的特点，亦可用于超大功率数字电位器、恒阻电子负载等。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，包括大功率电阻、继电器、双向大功率电子开关、电压采样电路、全波整流电路、目标电流转化电路、电流传感器、电流采样电路、PWM控制电路、逻辑运算电路、继电器驱动电路、运算控制模块；其中：大功率电阻与继电器和双向大功率电子开关相并联连接后形成连接电阻动态模拟执行器电路模块并串联连接到大功率电路中；电压采样电路用于对连接电阻动态模拟执行器电路模块两端间的电压进行采样，其输出电信号经全波整流电路后输入到目标电流转化电路；目标电流转化电路用于为实现需模拟的连接电阻值而应通过双向大功率电子开关的目标电流值所对应的电流采样电路应输出的目标电压信号，其还与运算控制模块相连接，其输出电信号输入到PWM控制电路；电流采样电路与电流传感器相连接，用于对通过双向大功率电子开关的电流进行采样；电流采样电路的输出电信号也输入到PWM控制电路；PWM控制电路的输出电信号经逻辑运算电路后连接到双向大功率电子开关；逻辑运算电路还与运算控制模块相连接；运算控制模块还通过继电器驱动电路控制继电器的通断。

优选地，所述双向大功率电子开关为由两个内部均集成有续流二极管的大功率IGBT模块或智能功率IPM模块采用共发射极反向串联连接或共集电极反向串联连接的大功率电路，还包括对每个IGBT或IPM的保护电路。

优选地，所述IGBT模块或IPM模块由若干个IGBT或IPM并联，以满足大电流的需求。

优选地，所述PWM控制电路为输入为所述目标电流值所对应的电流采样电路应输出的目标电压信号和电流采样电路的实际输出电信号的比较器电路。

优选地，所述目标电流转化电路为数模转化电路DAC，数模转化电路的参考电压Vref为所述电压采样电路输出的连接电阻动态模拟执行器电路模块两端间的电压。

优选地，所述逻辑运算电路包括逻辑与门电路、逻辑或门电路、对所述双向大功率电子开关的驱动电路，该逻辑与门电路的输入电信号包括来自所述运算控制模块的双向大功率电子开关的使能信号、对所述IGBT或IPM的保护使能信号、来自所述PWM控制电路的PWM信号，逻辑或门电路的输入电信号包括该逻辑与门电路的输出电信号和来自所述运算控制模块的双向大功率电子开关的旁路使能信号，该逻辑或门电路的输出电信号为所述双向大功率电子开关的驱动电路共用的控制信号。

优选地，所述运算控制模块中设置有微处理器MCU、CAN总线通信接口并存储有需模拟的连接电阻值。

优选的，所述运算控制模块还与一个连接电阻设置器连接，该连接电阻设置器用于设定需模拟的连接电阻值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种大功率电路连接电阻故障动态模拟方法，具体包括如下步骤：

S1：将需模拟的连接电阻处理成连接电阻值Rset_i及其模拟开始时刻TS_i、持续时间TE_i相对应的连接电阻模拟序列脉谱{Rset_i，TS_i，TE_j}，存储在运算控制模块中或连接电阻设置器中，其中，下标i＝1，2，…m，表示需模拟的连接电阻及其模拟开始时刻、持续时间的序号，m为需模拟的连接电阻的个数；令j＝1；

S2：运算控制模块通过CAN总线接收来自连接电阻设置器或读出其存储的第j个需模拟的连接电阻值{Rset_j，TS_j，TE_j}；

S3：运算控制模块判断Rset_j的合理性，如Rmin≤Rset_j≤Rc(其中，Rmin为双向大功率电子开关的导通电阻，一般为1～3毫欧；Rc为大功率电阻的阻值)则转到步骤S4；否则，如果Rset_j＜Rmin则转到步骤S7；否则，如果当前时刻无需模拟连接电阻，则转到步骤S7；否则，输出设置错误信息，转到步骤S1；

S4：如果继电器处于接通状态，则运算控制模块先输出有效的双向大功率电子开关旁路使能信号通过逻辑运算电路使双向功率电子开关处于接通状态以保护继电器的触点免受烧蚀，再通过继电器驱动电路使继电器断开并确认继电器已断开后输出无效的双向大功率电子开关旁路使能信号，然后按下式计算为实现Rset_j而应向目标电流转化电路传送的数字量Dset：

Dset＝[1/Rset_j-1/Rc]×β×Dmax

其中，β为所述电流采样电路对对电流传感器输出信号的放大倍数，Dmax＝2ⁿ，其中n为所述目标电流转化电路中的数模转化模块DAC的位数；

S5：目标电流转化电路中的数模转化模块DAC将Dset转化为电压信号Vset传送到所述PWM控制电路，该PWM控制电路同时接收来所述电流采样电路的电流传感器输出的通过所述双向大功率电子开关的实际电流相应的电压信号，自动实现硬件闭环控制而输出维持Vset的PWM控制信号；

S6：利用电子功率开关的等效导通电阻可通过对其PWM控制占空比控制而可大范围无级快速调节的原理，逻辑运算电路根据来自PWM控制电路的PWM控制信号和来自所述的运算控制模块的双向大功率电子开关使能信号、对IGBT或IPM的保护使能信号、来自PWM控制电路的PWM信号，输出用于双向大功率电子开关的驱动电路共用的PWM控制信号，从而实现通过双向大功率电子开关的PWM占空比的硬件闭环控制，实现对Rset_j的动态模拟。转到步骤S8；

S7：如果继电器处于断开状态，则运算控制模块先通过逻辑运算电路使双向功率电子开关接通，再通过继电器驱动电路使继电器接通，确认继电器已接通状态后再通过逻辑运算电路使双向功率电子开关处于断开状态，模拟电路连接完好的情况并保护继电器的触点免受烧蚀；

S8：令j＝j+1，转到步骤S2，直到完成对连接电阻模拟序列脉谱中所有连接电阻的模拟。

根据本发明的另一个方面，提供了一种大功率数字电位器或恒阻电子负载，采用上述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明利用功率电子开关的长寿命、可带载导通或断开且响应快(如IGBT的响应时间一般仅为几十微秒)、工作频率高，巧妙提出了电子功率开关的等效导通电阻可通过对其PWM控制占空比控制而可大范围无级快速调节的原理，不仅实现了大功率电路从连接完好到连接完全失效的全范围连接电阻故障模拟，而且实现了大功率电路中稳态、准稳态、缓变和瞬变等各种形式的连接电阻故障的动态模拟，还具有响应快、可靠、免维护、高精度的特点，亦可用于超大功率数字电位器、恒阻电子负载等。

(2)经测试，本发明能实现对电流小到安培级甚至更小、大到数百安培甚至更大的各种电路的连接电阻故障进行动态模拟，模拟电阻误差小于0.1％、响应时间小于50微秒。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施本发明大功率电路连接电阻故障动态模拟系统的电路框图。

图2为实施本发明大功率电路连接电阻故障动态模拟方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，包括大功率电阻1、继电器2、第一大功率电子开关3、第二大功率电子开关4、电压采样电路5、全波整流电路6、目标电流转化电路7、电流传感器8、电流采样电路9、PWM控制电路10、逻辑运算电路11、运算控制模块12、继电器驱动电路13、连接电阻设置器14；其中：大功率电阻1、继电器2与第一大功率电子开关3和第二大功率电子开关4形成的串联电路相并联连接，形成连接电阻动态模拟执行器电路模块，再串联连接到大功率电路中；电压采样电路5用于对连接电阻动态模拟执行器电路模块两端间的电压进行采样，其输出电信号经全波整流电路6后输入到目标电流转化电路7；目标电流转化电路7用于为实现需模拟的连接电阻值而应通过第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4串联电路的目标电流值所对应的电流采样电路9应输出的目标电压信号，其还与运算控制模块12相连接，其输出电信号输入到PWM控制电路10；电流采样电路9与电流传感器8相连接，用于对通过第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4串联电路的电流进行采样；电流采样电路9的输出电信号也输入到PWM控制电路10；PWM控制电路10的输出电信号经逻辑运算电路11后连接到第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4；逻辑运算电路11还与运算控制模块12相连接；运算控制模块12还通过继电器驱动电路13控制继电器的通断，还与连接电阻设置器14通过CAN总线相连接。

其中，

第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4均为由两个内部均集成有续流二极管的大功率IGBT或智能功率模块IPM，采用共集电极反向串联连接而成，还包括对每个IGBT或IPM的保护电路。

PWM控制电路10为比较器电路，其两路输入分别为目标电流值所对应的电流采样电路9应输出的目标电压信号以及电流采样电路9的实际输出电信号。

目标电流转化电路7为数模转化电路DAC，数模转化电路的参考电压Vref为电压采样电路5输出的连接电阻动态模拟执行器电路模块两端间的电压。

逻辑运算电路11包括逻辑与门电路、逻辑或门电路、对第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的驱动电路，该逻辑与门电路的输入电信号包括来自运算控制模块12的第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的使能信号、对第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的保护使能信号、来自PWM控制电路10的PWM信号，逻辑或门电路的输入电信号包括该逻辑与门电路的输出电信号和来自运算控制模块12的第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的旁路使能信号，该逻辑或门电路的输出电信号为第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的驱动电路共用的控制信号。

运算控制模块12中设置有微处理器MCU、CAN总线通信接口并存储有需模拟的连接电阻值。

连接电阻设置器14用于设定需模拟的连接电阻值。

结合图1，、图2所示，本发明所提供的大功率电路连接电阻故障动态模拟方法，具体包括如下步骤：

在步骤S1中：将需模拟的连接电阻处理成连接电阻值Rset_i及其模拟开始时刻TS_i、持续时间TE_i相对应的连接电阻模拟序列脉谱{Rset_i，TS_i，TE_i}，存储在运算控制模块12中或连接电阻设置器14中，其中，下标i＝1，2，…m，表示需模拟的连接电阻及其模拟开始时刻、持续时间的序号，m为需模拟的连接电阻的个数；存储的需模拟的连接电阻值的个数为j，令j＝1；转到步骤S2。

在步骤S2中：运算控制模块12通过CAN总线接收来自连接电阻设置器14或读出其存储的第j个需模拟的连接电阻值{Rset_j，TS_j，TE_j}；转到步骤S3。

在步骤S3中：运算控制模块12判断Rset_j的合理性，如Rmin≤Rset_j≤Rc(其中，Rmin为第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的导通电阻，一般为1～3毫欧；Rc为大功率电阻1的阻值)则转到步骤S4；否则，如果Rset_j＜Rmin则转到步骤S7；否则，如果当前时刻无需模拟连接电阻，则转到步骤S7；否则，输出设置错误信息，转到步骤S1；

在步骤S4中：如果继电器2处于接通状态，则运算控制模块12先输出有效的第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的旁路使能信号，通过逻辑运算电路11使第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4处于接通状态以保护继电器2的触点免受烧蚀，再通过继电器驱动电路13使继电器2断开，并确认继电器2已断开后输出无效的第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的旁路使能信号，然后按下式计算为实现Rset_j而应向目标电流转化电路7传送的数字量Dset：

Dset＝[1/Rset_j-1/Rc]×β×Dmax

其中，β为所述电流采样电路9对电流传感器8的输出信号的放大倍数，Dmax＝2ⁿ，其中n为目标电流转化电路9中的数模转化模块DAC的位数；转到步骤S5。

在步骤S5中：目标电流转化电路7中的数模转化模块DAC将Dset转化为电压信号Vset传送到PWM控制电路10，电流采用电路9接收电流传感器8输出的通过第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4串联电路的实际电流，输出相应的电压信号，该实际输出的电压信号同时传送到PWM控制电路10，自动实现硬件闭环控制而输出维持Vset的PWM控制信号；转到步骤S6。

在步骤S6中：利用电子功率开关的等效导通电阻可通过对其PWM控制占空比控制而能够进行大范围无级快速调节的原理，逻辑运算电路11根据来自PWM控制电路10的PWM控制信号和来自运算控制模块12的第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的使能信号、对IGBT或IPM的保护使能信号、来自PWM控制电路10的PWM信号，输出对第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的驱动电路共用的PWM控制信号，从而实现通过第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4的PWM占空比的硬件闭环控制，实现对Rset_j的动态模拟，转到步骤S8；

在步骤S7中：如果继电器2处于断开状态，则运算控制模块12先通过逻辑运算电路11使第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4接通，再通过继电器驱动电路13使继电器2接通，确认继电器2已接通状态后再通过逻辑运算电路11使第一大功率电子开关3与第二大功率电子开关4处于断开状态，模拟电路连接完好的情况并保护继电器2的触点免受烧蚀；转到步骤S8。

在步骤S8中：令j＝j+1，转到步骤S2，直到完成对连接电阻模拟序列脉谱中所有连接电阻的模拟。

本实施例提供的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及方法，不仅实现了大功率电路从连接完好到连接完全失效的全范围连接电阻故障模拟，而且实现了大功率电路中稳态、准稳态、缓变和瞬变等各种形式的连接电阻故障的动态模拟，还具有响应快、可靠、免维护、高精度的特点，亦可用于超大功率数字电位器、恒阻电子负载等；经测试，能实现对电流小到安培级甚至更小、大到数百安培甚至更大的各种电路的连接电阻故障进行动态模拟，模拟电阻误差小于0.1％、响应时间小于50微秒

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，包括大功率电阻、继电器、双向大功率电子开关、电压采样电路、全波整流电路、目标电流转化电路、电流传感器、电流采样电路、PWM控制电路、逻辑运算电路、继电器驱动电路、运算控制模块；其中：大功率电阻、继电器和双向大功率电子开关相并联连接形成连接电阻动态模拟执行器电路模块后，再串联连接到大功率电路中；电压采样电路用于对连接电阻动态模拟执行器电路模块两端间的电压进行采样，其输出电信号经全波整流电路后输入到目标电流转化电路；目标电流转化电路用于转化为实现需模拟的连接电阻值而应通过双向大功率电子开关的目标电流值所对应的电流采样电路应输出的目标电压信号，并将该目标电压信号输入到PWM控制电路，目标电流转化电路还与运算控制模块相连接；电流采样电路与电流传感器相连接，用于对通过双向大功率电子开关的电流进行采样；电流采样电路的输出电信号同时输入到PWM控制电路；PWM控制电路的输出电信号经逻辑运算电路后连接到双向大功率电子开关；逻辑运算电路同时与运算控制模块相连接；运算控制模块通过继电器驱动电路控制继电器的通断。

2.根据权利要求1所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述双向大功率电子开关包括由两个内部均集成有续流二极管的大功率IGBT模块或智能功率IPM模块采用共发射极反向串联连接或共集电极反向串联连接而成。

3.根据权利要求2所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述IGBT模块或IPM模块由若干个IGBT或IPM并联而成，以满足大电流的需求。

4.根据权利要求1所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述PWM控制电路为比较器电路，其两路输入分别为所述目标电流值所对应的电流采样电路应输出的目标电压信号和电流采样电路的实际输出电信号的比较器电路。

5.根据权利要求1所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述目标电流转化电路为数模转化电路DAC，数模转化电路的参考电压Vref为所述电压采样电路输出的连接电阻动态模拟执行器电路模块两端间的电压。

6.根据权利要求2所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述逻辑运算电路包括逻辑与门电路、逻辑或门电路、对所述双向大功率电子开关的驱动电路，该逻辑与门电路的输入电信号包括来自所述运算控制模块的双向大功率电子开关的使能信号、对所述IGBT或IPM的保护使能信号、来自所述PWM控制电路的PWM信号，逻辑或门电路的输入电信号包括该逻辑与门电路的输出电信号和来自所述运算控制模块的双向大功率电子开关的旁路使能信号，该逻辑或门电路的输出电信号为所述双向大功率电子开关的驱动电路共用的控制信号。

7.根据权利要求1所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述运算控制模块中设置有微处理器MCU、CAN总线通信接口并存储有需模拟的连接电阻值。

8.根据权利要求1所述的大功率电路连接电阻故障动态模拟系统，其特征在于，所述运算控制模块还与一个连接电阻设置器连接，该连接电阻设置器用于设定需模拟的连接电阻值。

9.一种大功率电路连接电阻故障动态模拟方法，其特征在于，采用权利要求1所述的系统完成，具体包括如下步骤：

S1：将需模拟的连接电阻处理成连接电阻值Rset_i及其模拟开始时刻TS_i、持续时间TE_i相对应的连接电阻模拟序列脉谱{Rset_i,TS_i,TE_i}，存储在运算控制模块中或连接电阻设置器中，其中，下标i＝1,2,…m，表示需模拟的连接电阻及其模拟开始时刻、持续时间的序号，m为需模拟的连接电阻的个数；存储的需模拟的连接电阻值的个数为j，令j＝1；

S2：运算控制模块通过CAN总线接收来自连接电阻设置器或读出其存储的第j个需模拟的连接电阻值{Rset_j,TS_j,TE_j}；

S3：运算控制模块判断Rset_j的合理性，如Rmin≤Rset_j≤Rc，其中，Rmin为双向大功率电子开关的导通电阻；Rc为大功率电阻的阻值，则转到步骤S4；否则，如果Rset_j<Rmin则转到步骤S7；否则，如果当前时刻无需模拟连接电阻，则转到步骤S7；否则，输出设置错误信息，转到步骤S1；

S4：如果继电器处于接通状态，则运算控制模块先输出有效的双向大功率电子开关旁路使能信号，通过逻辑运算电路使双向功率电子开关处于接通状态以保护继电器的触点免受烧蚀，再通过继电器驱动电路使继电器断开，并确认继电器已断开后输出无效的双向大功率电子开关旁路使能信号，然后按下式计算为实现Rset_j而应向目标电流转化电路传送的数字量Dset：

Dset＝[1/Rset_j-1/Rc]ⅹβⅹDmax

其中，β为所述电流采样电路对对电流传感器输出信号的放大倍数，Dmax＝2ⁿ，其中n为所述目标电流转化电路中的数模转化模块DAC的位数；

S5：目标电流转化电路中的数模转化模块DAC将Dset转化为电压信号Vset传送到所述PWM控制电路，该PWM控制电路同时接收来自所述电流采样电路的电流传感器输出的通过所述双向大功率电子开关的实际电流相应的电压信号，自动实现硬件闭环控制而输出维持Vset的PWM控制信号；

S6：逻辑运算电路根据来自PWM控制电路的PWM控制信号和来自所述的运算控制模块的双向大功率电子开关使能信号、来自PWM控制电路的PWM信号，输出用于双向大功率电子开关的驱动电路共用的PWM控制信号，从而实现通过双向大功率电子开关的PWM占空比的硬件闭环控制，实现对Rset_j的动态模拟；转到步骤S8；

S7：如果继电器处于断开状态，则运算控制模块先通过逻辑运算电路使双向功率电子开关接通，再通过继电器驱动电路使继电器接通，确认继电器已接通状态后再通过逻辑运算电路使双向功率电子开关处于断开状态，模拟电路连接完好的情况并保护继电器的触点免受烧蚀；

S8：令j＝j+1,转到步骤S2，直到完成对连接电阻模拟序列脉谱中所有连接电阻的模拟。

10.一种大功率电路连接电阻故障动态模拟系统及其方法的应用，其特征在于，采用如权利要求1所述的模拟系统以及权利要求9所述的模拟方法，应用于大功率数字电位器或恒阻电子负载中。