CN108363023A - 一种基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于故障‑测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置及方法，所述装置包括开关电源模块、信号切换及调理模块、上位机系统、示波器，所述的开关电源模块设置有若干个故障注入点和关键测试节点；所述的信号切换及调理模块与开关电源模块的关键测试节点相连；所述的上位机系统与开关电源模块、信号切换及调理模块、示波器相连；所述的示波器与信号切换及调理模块、上位机系统相连。本发明可实时监测开关电源各关键节点的电压信号变化情况，通过上位机系统处理分析数据，对开关电源的故障进行诊断。本发明适用于大多数开关电源的状态监测，具有很高的移植性，可以为其他电源的状态监测及故障诊断提供平台。
Description
技术领域
本发明属于电源监测技术领域，涉及一种电源在线监测装置及故障诊断方法，尤其涉及一种基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置及方法。
背景技术
作为完成电能转换和功率传递的主要设备，开关电源可为控制模块、计算机、继电器等负载供电，是电力电子系统中最重要的单元之一。近些年来，电子技术的迅速发展使人们对电子仪器和设备有了更高的要求，而电源是电子设备正常工作的基础部件，通常位于系统的最上游，为整个系统提供能量。其故障将严重危害到下游各个组件的工作状态，因此对其进行在线故障诊断显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置及方法，针对开关电源的各种故障模式进行模拟注入，并通过监测系统实时监测开关电源电路中的关键测试节点的电压信号，提取故障特征参数，构建故障-测试相关性矩阵，以此实现对开关电源的在线故障诊断。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，包括开关电源模块、信号切换及调理模块、上位机系统、示波器，其中：
所述的开关电源模块设置有若干个故障注入点和关键测试节点；
所述的信号切换及调理模块与开关电源模块的关键测试节点相连；
所述的上位机系统与开关电源模块、信号切换及调理模块、示波器相连；
所述的示波器与信号切换及调理模块、上位机系统相连；
所述的故障注入点完成对开关电源多种元器件参数漂移的故障模拟，上位机系统向开关电源模块和信号切换及调理模块发送控制指令，开关电源模块根据上位机系统发送的控制指令注入相应的故障模式，信号切换及调理模块根据上位机系统发送的控制指令切换开关电源模块中相应的关键测试节点，并将各关键测试节点的电压信号调理至示波器允许的电压测量范围内，示波器将信号切换及调理模块传输的关键测试节点信号测试完成后，将测试数据传输至上位机系统，上位机系统根据测试数据构建故障-测试相关性矩阵，实现对开关电源当前故障模式的诊断。
一种采用上述装置进行开关电源在线故障诊断的方法，包括如下步骤：
步骤一：将开关电源模块的故障注入点与上位机系统相连，关键测试节点与信号切换及调理模块相连；将信号切换及调理模块的输出与示波器相连；将示波器与上位机系统相连；
步骤二：通过上位机系统选择开关电源模块电路中需要注入的故障模式，设置测试数据的存储路径；
步骤三：上电待开关电源稳定输出后，运行上位机系统程序，控制信号切换及调理模块，通过示波器完成各关键测试节点电压信号的测量，并传输到上位机系统；
步骤四：通过上位机系统设置各关键测试节点电压数据所需提取的特征参数及其保存路径；
步骤五：重复步骤二至步骤四，完成对开关电源所有故障模式下的节点电压信号的采集及处理；
步骤六：通过上位机系统设置开关电源模块各关键测试节点特征参数的阈值上下限，据此建立开关电源模块的故障-测试矩阵；
步骤七：通过上位机系统随机注入一种故障模式，设置测试数据的存储路径；
步骤八：重复步骤三和步骤四；
步骤九：通过上位机系统设置开关电源模块各关键测试节点特征参数的阈值上下限，据此诊断出当前的故障模式。
本发明具有如下优点：
1、本发明可以通过上位机控制对开关电源进行多种故障模式的模拟注入。
2、本发明可以实时准确地监测开关电源各关键节点的电压信号变化情况，通过上位机系统处理分析数据，对开关电源的故障进行诊断。
3、本发明适用于大多数开关电源的状态监测，具有很高的移植性，可以为其他电源的状态监测及故障诊断提供平台。
附图说明
图1为基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置的结构示意图；
图2为开关电源模块的结构示意图；
图3为开关电源各关键测试节点电压信号测量原理图；
图4为继电器切换单元的结构示意图；
图5为上位机系统结构图；
图6为根据故障-测试相关性矩阵分析测试性的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式。本实施方式中所述开关电源故障模拟注入及测试性分析装置由开关电源模块1、信号切换及调理模块2、上位机系统3、示波器4构成，其中：
所述的开关电源模块1选用某LED驱动电源，是一种输出电流为700mA的恒流源。故障注入点1-2包括MOSFET、光耦、输出滤波电容、采样电阻等元器件共计11个。电路中各部分的关键测试节点1-1共计14个。
所述的信号切换及调理模块2与开关电源模块1的14个关键测试节点1-1相连，根据上位机系统3发送的控制指令切换相应的节点，并将开关电源模块1中各关键测试节点电压信号调理至示波器4允许的电压测量范围内。
所述的上位机系统3与开关电源模块1、信号切换及调理模块2、示波器4相连，通过上位机系统3向开关电源模块1发送控制指令，控制注入相应的故障模式；向信号切换及调理模块2发送控制指令，控制切换相应的测试节点电压信号，并通过与之匹配的调理电路并与示波器4相连。示波器4完成测试后，测试数据传输到上位机系统3。
所述的示波器4采用Agilent Technologies Inc.公司的DSO5012A型号的数字示波器，与信号切换及调理模块2、上位机系统3相连，将信号切换及调理模块2传输的测试节点信号测试完成后，将数据通过局域网（LAN）传输至上位机系统3。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，下面结合图2说明本实施方式。本实施方式中所述开关电源模块1包括关键测试节点1-1、故障注入点1-2，其中：
所述的关键测试节点1-1共计14个，包含了开关电源的输入电压点、输出电压点、反馈电压点、光耦输入电压点、光耦输出电压点、基准电压点、MOSFET栅极电压点、MOSFET源极电压点、MOSFET漏极电压点等。如图2所示，TP1为400V输入电压、TP2为漏极电压、TP3为源极电压、TP4为栅极电压、TP5为辅助电源电压、TP6为光耦输出电压、TP7为NCP1230输出15V电压、TP8为二极管输入电压、TP9为输出电压、TP10为TL431供电电压、TP11为运放供电电压、TP12为参考电压、TP13为输出采样电压、TP14为光耦输入电压。
所述的故障注入点1-2共计11个，可通过插拔或者拨码切换的方式实现对开关电源多种元器件参数漂移的故障模拟。其中故障元器件包括MOSFET、光耦、铝电解电容、采样电阻等。如图2所示，RC1为输出采样电阻阻值漂移的注入点、RC2为参考电压模块中电阻阻值漂移的第一个注入点、RC3为参考电压模块中电阻阻值漂移的第二个注入点、RC4为比较调节模块中的电阻阻值漂移的注入点、RC5为PWM控制模块中的电阻阻值漂移的注入点、RC6为对MOSFET电流进行采样的电阻阻值漂移的注入点、C2为铝电解电容容值漂移的注入点、C4为比较调节模块中的电容容值漂移的注入点、C5为光耦隔离模块中的电容容值漂移的注入点、OP1为光耦隔离模块中的光耦电流传输比漂移的注入点、Q1为MOSFET导通电阻阻值漂移的注入点。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，下面结合图3和4说明本实施方式。本实施方式中所述信号切换及调理模块2包括主控单元2-1、串口通讯单元2-2、驱动单元2-3、继电器切换电路2-4、电压调理电路2-5，其中：
所述的主控单元2-1为STM32，型号为F103ZET6。
所述的串口通讯单元2-2为PL2303，连接在主控单元2-1与上位机系统3之间，将主控单元2-1的RS2303信号与USB信号进行转换。
所述的驱动单元2-3由译码芯片2-3-1和晶体管阵列2-3-2组成。译码芯片2-3-1选用74LS238芯片，晶体管阵列2-3-2选用ULN2003。译码芯片2-3-1的输入端连接主控单元2-1的IO管脚，输出端连接晶体管阵列2-3-2的输入端。
所述的继电器切换电路2-4由多个继电器切换单元组成，每个继电器单元由发光二极管2-4-1、电阻2-4-2和继电器2-4-3组成。继电器2-4-3的+5V供电端连接发光二极管2-4-1的正极。电阻2-4-2的两端分别连接二极管2-4-1的阴极和继电器2-4-3的控制端。继电器2-4-3的控制端口与驱动单元2-3的晶体管阵列2-3-2输出端口相连，晶体管阵列2-3-2的每个输出端口连接两个继电器控制单元的控制端。继电器2-4-3的常开触点连接电压调理电路2-5的输入端，开关电源模块1的测试节点信号连接到继电器2-4-3的动触头上。
所述的电压调理电路2-5与继电器切换电路2-4的输出端和示波器4相连。电压调理电路2-5由分压电路2-5-1和运放跟随电路2-5-2组成，继电器切换模块2-4的输出端连接分压电路2-5-1，由分压电路2-5-1降压后的信号经运放跟随电路2-5-2隔离后输入到示波器4。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明。本实施方式中所述示波器4采用双通道示波器，型号为DSO5012A。上位机系统3与示波器4通过网口相连，并应用VISA向示波器DSO5012A发送可编程仪器标准命令（SCPI），控制示波器4测量并传输经信号切换及调理模块2处理后的测试节点电压信号数据。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，下面结合图5说明本实施方式。本实施方式中所述上位机系统3包括故障模式设置界面3-1、数据处理界面3-2、故障诊断界面3-3，其中：
所述的故障模式设置界面3-1由选择故障注入点3-1-1和设置数据存储路径3-1-2组成。选择故障注入点3-1-1由选择按钮和显示灯组成，可以实现对开关电源模块1故障注入模式的选择，根据选择结果，上位机系统3向开关电源模块1发送指令，控制故障模式的注入。将测试数据保存在设置数据存储路径3-1-2所选的路径中。
所述的数据处理界面3-2由选择特征参数3-2-1和处理前后波形显示3-2-2组成。选择特征参数3-2-1将关键测试节点特征参数设置完成后，上位机系统3调用MATLAB程序完成对每个关键测试节点电压数据的处理，并在处理前后波形显示部分3-2-2进行直观显示，同时将特征参数以.mat文件的形式自动保存在所设置的数据存储路径3-1-2中。
所述的故障诊断界面3-3由设置阈值上下限3-3-1、构建故障-测试相关性矩阵3-3-2和诊断结果显示3-3-3组成。比较各故障模式下的各关键测试节点特征参数与无故障状态下各关键测试节点特征参数的差别，超过所设置的阈值，则将该故障模式下的该特征参数定义为“1”，反之为“0”。故障-测试相关性矩阵3-3-2则将所有的“1”和“0”元素进行构建矩阵。根据所建立的矩阵，诊断结果显示3-3-3给出对当前开关电源故障的诊断结果。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，下面结合图6说明本实施方式。本实施方式中提供了一种根据故障-测试相关性矩阵分析测试性的计算方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：在获得故障-测试相关性矩阵后，首先判断是否存在全零行，若不存在则进行步骤二，若存在全零行则将全零行删除，并且定义所有全零行所对应的故障模式为未能检出的故障；同时，得到的新矩阵中的所有行所对应的故障模式为能够检出的故障，则故障检出率为能够检出的故障模式与所有故障模式之比；
步骤二：在新矩阵的基础上进行计算：判断矩阵是否存在元素相同的列向量，若不存在则进行步骤三，若存在，则表明这些为冗余测试组；
步骤三：在新矩阵的基础上，再次判断是否存在元素相同的行向量，若不存在则进行步骤四，若存在则将相同的行向量全部删除，并且定义这些相同的行向量所对应的故障模式为模糊组；
步骤四：最后计算故障隔离率，所述故障隔离率为所获得的最终矩阵的所有行向量所对应的故障模式与所有故障模式之比。
具体实施方式七：本实施方式提供了一种采用具体实施方式一~六所述装置进行开关电源在线故障诊断的方法，所述方法具体实施步骤如下：
步骤一：将开关电源模块1的故障注入点1-2与上位机系统3相连，关键测试节点1-1通过DB9连线与信号切换及调理模块2相连；将信号切换及调理模块2的输出与示波器4相连；将示波器4通过局域网（LAN）与上位机系统3相连。
步骤二：通过上位机系统3的故障模式设置界面3-1选择开关电源模块1电路中需要注入的故障模式，设置测试数据的存储路径。
步骤三：上电待开关电源稳定输出后，运行上位机系统3程序，控制信号切换及调理模块2，通过示波器4完成各关键测试节点1-1电压信号的测量，并传输到上位机系统3。
步骤四：通过上位机系统3的数据处理界面3-2设置各关键测试节点1-1电压数据所需提取的特征参数及其保存路径。
步骤五：重复步骤二至步骤四，完成对开关电源所有故障模式下的节点电压信号的采集及处理。
步骤六：通过上位机系统3的故障诊断界面3-3设置开关电源模块1各关键测试节点特征参数的阈值上下限，据此建立开关电源模块1的故障-测试矩阵。
步骤七：通过上位机系统3的故障模式设置界面3-1随机注入一种故障模式，设置测试数据的存储路径。
步骤八：重复步骤三和步骤四。
步骤九：通过上位机系统3的故障诊断界面3-3设置开关电源模块1各关键测试节点特征参数的阈值上下限，据此诊断出当前的故障模式。
Claims (10)
1.一种基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述装置包括开关电源模块、信号切换及调理模块、上位机系统、示波器，其中：
所述的开关电源模块设置有若干个故障注入点和关键测试节点；
所述的信号切换及调理模块与开关电源模块的关键测试节点相连；
所述的上位机系统与开关电源模块、信号切换及调理模块、示波器相连；
所述的示波器与信号切换及调理模块、上位机系统相连。
2.根据权利要求1所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述开关电源模块是输出电流为700mA的恒流源。
3.根据权利要求1所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述关键测试节点的个数为14个，故障注入点的个数为11个。
4.根据权利要求1所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述信号切换及调理模块包括主控单元、串口通讯单元、驱动单元、继电器切换电路、电压调理电路，其中：
所述的串口通讯单元连接在主控单元与上位机系统之间，将主控单元的RS2303信号与USB信号进行转换；
所述的驱动单元由译码芯片和晶体管阵列组成，译码芯片的输入端连接主控单元的IO管脚，输出端连接晶体管阵列的输入端；
所述的继电器切换电路由多个继电器切换单元组成，每个继电器单元由发光二极管、电阻和继电器组成；继电器的+5V供电端连接发光二极管的正极，电阻的两端分别连接二极管的阴极和继电器的控制端，继电器的控制端口与驱动单元的晶体管阵列输出端口相连，晶体管阵列的每个输出端口连接两个继电器控制单元的控制端，继电器的常开触点连接电压调理电路的输入端，开关电源模块的关键测试节点连接到继电器的动触头上；
所述的电压调理电路由分压电路和运放跟随电路组成，继电器切换模块的输出端连接分压电路，由分压电路降压后的信号经运放跟随电路隔离后输入到示波器。
5.根据权利要求4所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述主控单元为STM32，型号为F103ZET6；串口通讯单元为PL2303；译码芯片选用74LS238芯片，晶体管阵列选用ULN2003。
6.根据权利要求1所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述示波器采用双通道示波器，型号为DSO5012A。
7.根据权利要求1所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述上位机系统包括故障模式设置界面、数据处理界面、故障诊断界面，其中：
所述的故障模式设置界面由选择故障注入点和设置数据存储路径组成；
所述的数据处理界面由选择特征参数和处理前后波形显示组成；
所述的故障诊断界面由设置阈值上下限、构建故障-测试相关性矩阵和诊断结果显示组成。
8.根据权利要求7所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述故障-测试相关性矩阵的构建方法如下：
（1）比较各故障模式下的各关键测试节点特征参数与无故障状态下各关键测试节点特征参数的差别，超过所设置的阈值，则将该故障模式下的该特征参数定义为“1”，反之为“0”；
（2）将所有的“1”和“0”元素进行故障-测试相关性矩阵的构建。
9.根据权利要求7所述的基于故障-测试相关性矩阵的开关电源在线故障诊断装置，其特征在于所述测试性指标的计算方法如下：
步骤一：在获得故障-测试相关性矩阵后，首先判断是否存在全零行，若不存在则进行步骤二，若存在全零行则将全零行删除，并且定义所有全零行所对应的故障模式为未能检出的故障；同时，得到的新矩阵中的所有行所对应的故障模式为能够检出的故障，则故障检出率为能够检出的故障模式与所有故障模式之比；
步骤二：在新矩阵的基础上进行计算：判断矩阵是否存在元素相同的列向量，若不存在则进行步骤三，若存在，则表明这些为冗余测试组；
步骤三：在新矩阵的基础上，再次判断是否存在元素相同的行向量，若不存在则进行步骤四，若存在则将相同的行向量全部删除，并且定义这些相同的行向量所对应的故障模式为模糊组；
步骤四：最后计算故障隔离率，所述故障隔离率为所获得的最终矩阵的所有行向量所对应的故障模式与所有故障模式之比。
10.一种采用权利要求1-9任一权利要求所述的装置进行开关电源在线故障诊断的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一：将开关电源模块的故障注入点与上位机系统相连，关键测试节点与信号切换及调理模块相连；将信号切换及调理模块的输出与示波器相连；将示波器与上位机系统相连；
步骤二：通过上位机系统选择开关电源模块电路中需要注入的故障模式，设置测试数据的存储路径；
步骤三：上电待开关电源稳定输出后，运行上位机系统程序，控制信号切换及调理模块，通过示波器完成各关键测试节点电压信号的测量，并传输到上位机系统；
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步骤七：通过上位机系统随机注入一种故障模式，设置测试数据的存储路径；
步骤八：重复步骤三和步骤四；
步骤九：通过上位机系统设置开关电源模块各关键测试节点特征参数的阈值上下限，据此诊断出当前的故障模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180803 |