CN109143066B - 电机控制器及其采样信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了电机控制器及其采样信号处理方法，以检测采样电路中是否出现随机硬件失效。该电机控制器包括采样电路和微处理器：采样电路包含两个电路结构相同的采样单元，两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接，采样单元的主干路在预设节点处分为两条支路连接至微处理器，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同；微处理器用于分别针对每一采样单元，计算本采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差，并判断这一偏差是否超过第一预设值，如果是，输出故障信号；微处理器还用于计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差，并判断所述输出信号幅值之间的偏差是否超过第二预设值，如果是，输出故障信号。

Description

电机控制器及其采样信号处理方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及电机控制器及其采样信号处理方法。

背景技术

电机控制器是控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间等进行工作的集成电路。在一些场合下，电机控制器需要采集自身输出电压用于转矩比较，输出电压采样结果的准确性直接影响转矩比较的准确性，但输出电压采样通道中有可能出现随机硬件失效，如果不进行随机硬件失效检测，就无法判断输出电压采样结果是否准确。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了电机控制器及其采样信号处理方法，以检测采样电路中是否出现随机硬件失效。

一种电机控制器，包括采样电路和微处理器，其中：

所述采样电路包含两个电路结构相同的采样单元；

两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接；所述采样单元为单路输入双路输出，其主干路在预设节点处分为两条支路连接至所述微处理器，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同；

所述微处理器用于分别针对每一采样单元，计算本采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差，并判断这一偏差是否超过第一预设值，如果是，输出故障信号；所述微处理器还用于计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差，并判断所述输出信号幅值之间的偏差是否超过第二预设值，如果是，输出故障信号。

可选的，所述主干路包括分压电阻网络，以及连接在所述分压电阻网络的输出端的低通滤波器。

可选的，同一采样单元中的两条支路为以下四种支路中的任意两种：

第一种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的运放模块，以及连接在所述运放模块的输出端的模数转换器，其中，所述运放模块为隔离式运放模块，或者所述模数转换器为隔离式模数转换器；

第二种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式采样调理器，以及连接在所述隔离式采样调理器的输出端的捕获单元；

第三种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，以及连接在本支路中隔离式模数转换器的输出端的串行外设接口SPI驱动器；

第四种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，以及连接在本支路中隔离式模数转换器的输出端的直接内存存取DMA发生器。

可选的，所述主干路包括分压电阻网络、连接在所述分压电阻网络的输出端的低通滤波器，以及连接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器。

可选的，所述采样单元中的一条支路包括：连接在所述隔离式模数转换器的输出端的串行外设接口SPI驱动器；

同一采样单元中的另一条支路包括：连接在所述隔离式模数转换器的输出端的直接内存存取DMA发生器。

可选的，所述微处理器在以下三种不同情况下输出的故障信号不同，这三种不同情况分别是：

判断得到其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差超过第二预设值。

可选的，当所述采样单元的主干路或两条支路中含有低通滤波器时，所述微处理器还用于将任一采样单元中两个支路的输出信号输入锁相环，计算得到三相电压的相电压频率；根据预先存入的所述低通滤波器的相频特性曲线，确定与所述相电压频率唯一对应的相位滞后信号；根据所述相位滞后信号对任一采样单元中两个支路的输出信号进行相位补偿。

一种电机控制器的采样信号处理方法，所述电机控制器中的采样电路包含两个电路结构相同的采样单元；两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接；所述采样单元为单路输入双路输出，其主干路在预设节点处分为两条支路连接至所述微处理器，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同；

所述采样信号处理方法，包括：

分别针对每一采样单元，计算本采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差，并判断这一偏差是否超过第一预设值，如果是，输出故障信号；

计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差，并判断所述输出信号幅值之间的偏差是否超过第二预设值，如果是，输出故障信号。

可选的，在以下三种不同情况下输出的故障信号不同，这三种不同情况分别是：

判断得到其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差超过第二预设值。

可选的，当所述采样单元的主干路或两条支路中含有低通滤波器时，所述采样信号处理方法还包括：

将任一采样单元中两个支路的输出信号输入锁相环，计算得到三相电压的相电压频率；

根据预先存入的所述低通滤波器的相频特性曲线，确定与所述相电压频率唯一对应的相位滞后信号；

根据所述相位滞后信号对任一采样单元中两个支路的输出信号进行相位补偿。

从上述的技术方案可以看出，由于每一采样单元中两条支路的输出信号都是由同一原始模拟信号转换成的数字信号，如果这两条支路的输出信号之间存在较大偏差，就说明这两条支路中至少有一条支路上出现了随机硬件失效。又由于电机控制器输出的任意两个线电压幅值是相等的，那么在两条电路结构相同的支路上未检测出随机硬件失效的情况下，如果这两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间存在较大偏差，就说明至少一条主干路上出现了随机硬件失效。从而，本发明实现了检测采样电路中是否出现随机硬件失效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种电机控制器局部结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种采样电路中主干路、支路的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的又一种采样电路中主干路、支路的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的又一种采样电路中主干路、支路的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种采样信号处理方法流程图；

图6为本发明实施例公开的又一种采样信号处理方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种电机控制器，包括采样电路100和微处理器200，采样电路100的电路结构以及微处理器200的算法描述如下：

1)关于采样电路100的电路结构：

采样电路100包含两个电路结构相同的采样单元，两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接，采样单元的基本功能是采样得到原始模拟信号并将其转换为微处理器200能够识别的数字信号，例如：电机控制器具有U、V、W三相输出，其中一个采样单元的输入端连接在VW线电压输出端，用于采样得到原始的VW线电压模拟信号，并将其转换为微处理器200能够识别的数字信号；另一个采样单元连接在UV线电压输出端，用于采样得到原始的UV线电压模拟信号，并将其转换为微处理器200能够识别的数字信号。

所述采样单元为单路输入双路输出，其主干路在预设节点处分为两条支路连接至微处理器200，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同。

采样电路100的上述电路结构体现在图1中，具体为：将接在VW线电压输出端的采样单元中的主干路、两条支路分别定义为主干路1、支路1-1、支路1-2，将接在UV线电压输出端的采样单元中的主干路、两条支路分别定义为主干路2、支路2-1、支路2-2，主干路1与主干路2电路结构相同，支路1-1与支路1-2电路结构不同，支路1-1与支路2-1电路结构相同，支路1-2与支路2-2电路结构相同。

本实施例中，所述采样单元的具体电路结构形式多样，以下仅给出两个个示例。

示例1：所述采样单元的主干路包括分压电阻网络，以及连接在所述分压电阻网络的输出端的低通滤波器，如图2所示。即，图2是以低通滤波器的输出端作为所述预设节点。其中，低通滤波器可以通过运放模拟电路实现，分压电阻网络可以通过电阻串联实现。

在图2的基础上，同一采样单元中的两条支路可以为以下四种支路中的任意两种(图2仅以采用下述第一种支路和第二种支路，并且第一种支路中采用的是隔离式运放模块为例)：

第一种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的运放模块，以及连接在所述运放模块的输出端的模数转换器，其中，所述运放模块为隔离式运放模块，或者所述模数转换器为隔离式模数转换器；

第二种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式采样调理器，以及连接在所述隔离式采样调理器的输出端的捕获单元；其中，隔离式采样调制器将接收到的模拟信号调制成一定占空比的PWM信号，再由捕获单元捕获PWM信号占空比，反算得到与该模拟信号相对应的数字信号；

第三种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，以及连接在本支路中隔离式模数转换器的输出端的SPI(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)驱动器；

第四种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，以及连接在本支路中隔离式模数转换器的输出端的DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)发生器。

图2中任意两个相同的模块可以采用一个双通道模块代替，例如图2中的两个捕获单元可以用一个双通道捕获单元代替，两个模数转换器可以用一个双通道模数转换器代替，如图3所示。

示例2：所述采样单元的主干路包括分压电阻网络、连接在所述分压电阻网络的输出端的低通滤波器，以及连接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，如图4所示。即，图4是以隔离式模数转换器的输出端作为所述预设节点。

在图4的基础上，所述采样单元中的一条支路包括：连接在所述隔离式模数转换器的输出端的SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)驱动器；

同一采样单元中的另一条支路包括：连接在所述隔离式模数转换器的输出端的DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)发生器。

2)关于微处理器200的算法

微处理器200用于分别针对每一采样单元，计算本采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差，并判断这一偏差是否超过第一预设值，如果是，输出故障信号；微处理器200还用于计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差，并判断所述输出信号幅值之间的偏差是否超过第二预设值，如果是，输出故障信号。解析如下：

由于每一采样单元中两条支路的输出信号都是由同一原始模拟信号转换成的数字信号，如果这两条支路的输出信号之间存在较大偏差，就说明这两条支路中至少有一条支路上出现了随机硬件失效。例如，如果支路1-1和支路1-2的输出信号之间存在较大偏差，说明支路1-1和/或支路1-2中上出现了随机硬件失效；如果支路2-1和支路2-2的输出信号之间存在较大偏差，说明支路2-1和/或支路2-2中出现了随机硬件失效。

又由于电机控制器的任意两个输出线电压幅值是相等的，那么在支路1-1和支路2-1上未检测出随机硬件失效的情况下，如果支路1-1和支路2-1的输出信号幅值之间存在较大偏差，就说明至少一条主干路上出现了随机硬件失效。同理，在支路1-2和支路2-2上未检测出随机硬件失效的情况下，如果支路1-2和支路2-2的输出信号幅值之间存在较大偏差，也能说明至少一条主干路上出现了随机硬件失效。

基于此，微处理器200分别针对支路1-1和支路1-2的输出信号之间的偏差、支路2-1和支路2-2的输出信号之间的偏差、支路1-1和支路2-1的输出信号幅值之间的偏差(或者，支路1-2和支路2-2的输出信号幅值之间的偏差)做判断，每次判断出较大偏差时，都输出故障信号。从而，只要微处理器200有故障信号输出，就说明采样电路100中必然出现了随机硬件失效。

其中，为方便故障定位，在以下三种不同情况下检测到随机硬件失效时，输出的故障信号不同，这三种不同情况分别是：判断得到其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差超过第二预设值。不同的故障信号指向不同的故障位置，从而可以根据监听到的故障信号直接确定故障位置是出现在主干路上，还是出现在哪个采样电路的支路上。

此外，由于低通滤波器的固有特性，经过低通滤波处理后的采样信号相比处理前存在相位延时，因此当采样电路100的主干路或两条支路中含有低通滤波器时，有必要采用相位补偿算法对低通滤波器产生的相位延时进行软件补偿，以提高了采样精度。具体的，微处理器200还用于将任一采样单元中两个支路的输出信号输入锁相环，计算得到三相电压的相电压频率；根据预先存入的所述低通滤波器的相频特性曲线(即相位与频率的关系特性曲线)，确定与所述相电压频率唯一对应的相位滞后信号；根据所述相位滞后信号对任一采样单元的两个支路输出信号进行相位补偿。

其中，对VW相电压信号、UV相电压信号、UW相电压信号进行相位补偿的具体算法如下，当采样电路100采样的是VW相电压信号、UV相电压信号时，只需对VW相电压信号、UV相电压信号进行相位补偿即可：

式中：u_vw(t)为补偿后的VW相电压信号，u_uv(t)为补偿后的UV相电压信号，u_uw(t)为补偿后的UW相电压信号，u_{vw_sample}(t)为补偿前的VW线电压信号，u_{vw_sample}(t)为补偿前的UV线电压信号，u_{uw_sample}为补偿前的UW线电压信号，U为相电压幅值，ω为相电压角频率，θ_lag为所述相位滞后信号，θ₀为相电压初始位置角度。

参见图5，本发明实施例还公开了一种电机控制器的采样信号处理方法，所述电机控制器中的采样电路包含两个电路结构相同的采样单元；两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接；所述采样单元为单路输入双路输出，其主干路在预设节点处分为两条支路连接至所述微处理器，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同；

所述采样信号处理方法，包括：

步骤S01：计算其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差a；

步骤S02：判断a是否超过第一预设值，如果是，进入步骤S03；如果否，进入步骤S04；

步骤S03：输出故障信号，之后进入步骤S04；

步骤S04：计算另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差b；

步骤S05：判断b是否超过第一预设值，如果是，进入步骤S06；如果否，进入步骤S07；

步骤S06：输出故障信号，之后进入步骤S07；

步骤S07：计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差c；

步骤S08：判断c是否超过第二预设值，如果是，进入步骤S09；如果否，本次检测结束。

步骤S09：输出故障信号，本次检测结束。

其中需要说明的是，图5是将步骤S01～步骤S03、步骤S04～步骤S06、步骤S07～步骤S09这三个环节放在同一线程上依序执行，但本领域普通技术人员可以知晓的是，这三个环节在该线程上的执行顺序是可以任意调整的；或者，这三个环节也可以单独放在三个不同的线程上执行；或者，也可以将其中两个环节放在一个线程上执行，第三个环节放在另一线程上执行。

可选的，为方便故障定位，在以下三种不同情况下检测到随机硬件失效时，输出的故障信号不同，这三种不同情况分别是：判断得到其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差超过第二预设值。

可选的，当采样电路100的主干路或两条支路中含有低通滤波器时，有必要采用相位补偿算法对低通滤波器产生的相位延时进行软件补偿，以提高了采样精度。如图6所示，所述采样信号处理方法，还包括：

步骤S21：将任一采样单元中两个支路的输出信号输入锁相环，计算得到三相电压的相电压频率；

步骤S22：根据预先存入的所述低通滤波器的相频特性曲线，确定与所述相电压频率唯一对应的相位滞后信号；

步骤S23：根据所述相位滞后信号对任一采样单元中两个支路的输出信号进行相位补偿。

图6可以与图5放在同一线程中执行，也可以独立执行，并不局限。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的电机控制器相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见电机控制器部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电机控制器，其特征在于，包括采样电路和微处理器，其中：

所述采样电路包含两个电路结构相同的采样单元；

两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接；所述采样单元为单路输入双路输出，其主干路在预设节点处分为两条支路连接至所述微处理器，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同；

所述微处理器用于分别针对每一采样单元，计算本采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差，并判断这一偏差是否超过第一预设值，如果是，输出故障信号；所述微处理器还用于计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差，并判断所述输出信号幅值之间的偏差是否超过第二预设值，如果是，输出故障信号。

2.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述主干路包括分压电阻网络，以及连接在所述分压电阻网络的输出端的低通滤波器。

3.根据权利要求2所述的电机控制器，其特征在于，同一采样单元中的两条支路为以下四种支路中的任意两种：

第一种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的运放模块，以及连接在所述运放模块的输出端的模数转换器，其中，所述运放模块为隔离式运放模块，或者所述模数转换器为隔离式模数转换器；

第二种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式采样调理器，以及连接在所述隔离式采样调理器的输出端的捕获单元；

第三种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，以及连接在本支路中隔离式模数转换器的输出端的串行外设接口SPI驱动器；

第四种支路包括：接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器，以及连接在本支路中隔离式模数转换器的输出端的直接内存存取DMA发生器。

4.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述主干路包括分压电阻网络、连接在所述分压电阻网络的输出端的低通滤波器，以及连接在所述低通滤波器的输出端的隔离式模数转换器。

5.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于，所述采样单元中的一条支路包括：连接在所述隔离式模数转换器的输出端的串行外设接口SPI驱动器；

同一采样单元中的另一条支路包括：连接在所述隔离式模数转换器的输出端的直接内存存取DMA发生器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电机控制器，其特征在于，所述微处理器在以下三种不同情况下输出的故障信号不同，这三种不同情况分别是：

判断得到其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差超过第二预设值。

7.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，当所述采样单元的主干路或两条支路中含有低通滤波器时，所述微处理器还用于将任一采样单元中两个支路的输出信号输入锁相环，计算得到三相电压的相电压频率；根据预先存入的所述低通滤波器的相频特性曲线，确定与所述相电压频率唯一对应的相位滞后信号；根据所述相位滞后信号对任一采样单元中两个支路的输出信号进行相位补偿。

8.一种电机控制器的采样信号处理方法，其特征在于，所述电机控制器中的采样电路包含两个电路结构相同的采样单元；两个采样单元的输入端与电机控制器的任意两个线电压输出端一对一连接；所述采样单元为单路输入双路输出，其主干路在预设节点处分为两条支路连接至微处理器，同一采样单元中的两条支路的电路结构不同；

所述采样信号处理方法，包括：

分别针对每一采样单元，计算本采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差，并判断这一偏差是否超过第一预设值，如果是，输出故障信号；

计算任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差，并判断所述输出信号幅值之间的偏差是否超过第二预设值，如果是，输出故障信号。

9.根据权利要求8所述的采样信号处理方法，其特征在于，在以下三种不同情况下输出的故障信号不同，这三种不同情况分别是：

判断得到其中一个采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到另一采样单元中两条支路的输出信号之间的偏差超过第一预设值、判断得到任意两条电路结构相同的支路的输出信号幅值之间的偏差超过第二预设值。

10.根据权利要求8所述的采样信号处理方法，其特征在于，当所述采样单元的主干路或两条支路中含有低通滤波器时，所述采样信号处理方法还包括：

将任一采样单元中两个支路的输出信号输入锁相环，计算得到三相电压的相电压频率；

根据预先存入的所述低通滤波器的相频特性曲线，确定与所述相电压频率唯一对应的相位滞后信号；

根据所述相位滞后信号对任一采样单元中两个支路的输出信号进行相位补偿。

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