CN110112707B - 电机故障处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机故障处理装置，包括：故障锁存模块，连接到电机的功率驱动电路，用于获取并锁存所述功率驱动电路的故障信号；故障关断模块，连接到所述故障锁存模块，用于在所述功率驱动电路存在故障时对所述功率驱动电路进行关断，包括桥臂主动短路关断以及完全关断。

Description

电机故障处理装置

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种电机故障处理装置。

背景技术

在电机控制器领域，电机控制器及电机组成的动力系统对于运动的安全性起着至关重要的作用，一旦电机控制器出现故障，就要求动力系统进入安全状态。一般地，安全状态可分为2种：

(1)电机三相桥臂完全关断，电机拖动产生的反电势通过三相桥臂中集成的续流二极管给母线电容，高压电池充电，起制动作用；

(2)电机三相桥臂主动短路，主动短路是区别于完全关断的一种安全状态，由于短路使得电机绕组两端电压较低，制动转矩较小，因此安全状态下转速缓慢下降，相当于车辆滑行。又因器件故障类型的不同，进入桥臂主动短路又可细分为上桥臂主动短路和下桥臂主动短路。

其中，处理方式(2)由于不会在电机控制器发生故障后，产生较强的制动扭矩，使得整车突然减速，从而产生行驶安全问题，受到各个主机厂越来越多的重视，已经变成一种主流的故障处理方式，但是方式(1)在实际应用中无法完全被摒弃，因为当电机转速较高时，直接进入主动短路状态，会有较大的电流流入功率器件IGBT，从而产生过热损坏，因此需要在短时进入完全关断模式，然后再根据转速下降程度，来使电机控制器进入主动短路模式。

对于上述的系统安全需求，目前业界的主要方案是通过专用的复杂可编程逻辑器件CPLD实现，将保护逻辑通过硬件描述语言写入CPLD中，然而这种方案成本较高，可替代性差，而且CPLD需要额外地编程和刷新，在生产时会降低节拍。

将电机控制器的故障送至专用的硬件逻辑门阵列CPLD，将保护逻辑通过VHDL语言写入CPLD中，当故障发生后，通过CPLD的保护逻辑去判断故障类型，然后决定系统进入上主动短路，下主动短路或者完全关断中的哪种安全状态，但是专用的CPLD器件成本高，而且CPLD需要单独烧写程序，会增加工位，降低生产节拍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机故障处理装置，通过逻辑门器件和三极管组成的数个分立元件实现根据不同故障信号分别进入上主动短路，下主动短路，完全关断的安全状态的逻辑，降低了器件成本同时加快了生产节拍。

为解决上述技术问题，以下提供了一种电机故障处理装置，包括：故障锁存模块，连接到电机的功率驱动电路，用于获取并锁存所述功率驱动电路的故障信号；故障关断模块，连接到所述故障锁存模块，用于在所述功率驱动电路存在故障时对所述功率驱动电路进行关断，包括桥臂主动短路关断以及完全关断。

可选的，所述故障锁存模块包括：第一至第六信号输入端，分别用于获取到所述功率驱动电路的母线过压故障、上下桥臂A类故障、上下桥臂B类故障、上下桥臂原边供电故障和相电流过流故障以及复位锁存器信号；锁存器，连接至所述第一至第五信号输入端，用于锁存自所述第一至第五信号输入端输入的故障信号，所述锁存器还连接至所述第六信号输入端，用于在所述第六信号输入端置0时复位所述锁存器。

可选的，所述锁存器包括：第一与非门，具有第一输入端，连接至所述第一至第五信号输入端，还具有第二输入端；第二与非门，具有第三输入端，连接至所述第一与非门的输出端，还具有第四输入端，连接至所述第六信号输入端，且所述第二与非门的输出端连接至所述第二输入端。

可选的，所述故障关断模块包括：第七信号输入端，用于控制所述故障关断模块的关断方式。

可选的，通过所述第七信号输入端控制所述故障关断模块的故障处理方式时，具有以下规则：第七信号输入端置1时，选择桥臂主动短路关断方式；第七信号输入端置0时，选择完全关断方式。

可选的，所述故障关断模块包括：第三与非门，具有第五、六输入端，均连接至所述第七信号输入端；第一与门，具有第七输入端，连接至所述第三与非门的输出端，还具有第八输入端，连接至所述故障锁存模块的输出端；第二与门，具有第九输入端，连接至所述故障锁存模块的输出端，还具有第十输入端，连接至所述第七信号输入端；第一三极管，基极连接到所述故障锁存模块的输出端，集电极连接到功率驱动电路的下桥臂驱动电压输入端；第二三极管，基极连接到所述第一与门的输出端，集电极连接到功率驱动电路的上桥臂驱动电压输入端。

可选的，还包括：死区延时模块，连接至所述故障关断模块，并连接至所述功率驱动电路，用于根据所述故障关断模块的输出，输出控制信号到所述功率驱动电路，控制所述功率驱动电路开启或关断。

可选的，所述死区延时模块包括：第八信号输入端，连接至所述第一三极管的集电极，还连接到所述第二三极管的集电极连接到所述第二三极管的集电极，用于将所述第一三极管和第二三极管输出的上下桥壁驱动电压输进所述死区延时模块；第四与非门，具有第十一输入端和第十二输入端，均连接至所述第八信号输入端；第五与非门，具有第十三输入端，连接至所述第四与非门的输出端，还具有第十四输入端，连接至所述第二与门的输出端。

可选的，所述第二与门的输出端通过一第三三极管连接到所述第十四输入端。

可选的，所述第三三极管的基极连接至所述第二与门的输出端，所述第三三极管的集电极连接到所述第五与非门的输入端。

本发明的电机故障处理装置通过逻辑门器件和三极管组成的数个分立元件实现根据不同故障信号分别进入上主动短路，下主动短路，完全关断的安全状态的逻辑，降低了器件成本同时加快了生产节拍。

附图说明

图1为本发明一种具体实施方式中电机故障处理装置的电路原理示意图。

图2为本发明一种具体实施方式中锁存器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种电机故障处理装置作进一步详细说明。

请参阅图1，为本发明一种具体实施方式中电机故障处理装置的电路原理示意图。

在该具体实施方式中，提供了一种电机故障处理装置，包括：故障锁存模块101，连接到电机的功率驱动电路，用于获取并锁存所述功率驱动电路的故障信号；故障关断模块102，连接到所述故障锁存模块101，用于在所述功率驱动电路存在故障时对所述功率驱动电路进行关断，包括桥臂主动短路关断以及完全关断。

在该具体实施方式中，通过所述故障锁存模块101锁存功率驱动电路的故障信号，并通过故障关断模块102对功率驱动电路的驱动信号进行控制，使得功率驱动信号处于安全处理状态，能够对桥臂进行主动短路关断，或者完全关断。该具体实施方式无需使用CPLD编程器件，只由硬件电路便可实现全部功能。

在一种具体实施方式中，所述故障锁存模块101包括：第一至第六信号输入端，分别用于获取到所述功率驱动电路的母线过压故障、上下桥臂A类故障、上下桥臂B类故障、上下桥臂原边供电故障和相电流过流故障以及复位锁存器信号。

由图1获知，在该具体实施方式中，第一至第六信号输入端分别对应用于输入HVUDC_OV、FAULTAH(L)、FAULTBH(L)、RDYH(L)、Phase_OC、Reset_DO六个信号。这六个信号的具体含义可参阅下表1。

由于可以同时对上桥臂和下桥臂的故障进行反应，因此，所述第一至第六输入端中，第二、三、四输入端具有两个输入端口，分别用于输入上桥臂的对应故障，以及下桥臂的对应故障。因此，在该具体实施方式中，所述第一至第六输入端对应了9个输入端口。

并且，在该具体实施方式中，如果同时存在上下桥臂故障，则同时进入上ASC和下ASC，即为上主动短路和下主动短路，为完全关断状态。

表1参数对照表

在一种具体实施方式中，A类故障指代Fault A，一般由IGBT直通引起；B类故障指代Fault B，一般由驱动芯片副边供电电压异常引起。

在一种具体实施方式中，所述故障锁存模块101还包括：锁存器，连接至所述第一至第五信号输入端，用于锁存自所述第一至第五信号输入端输入的故障信号，所述锁存器还连接至所述第六信号输入端，用于在所述第六信号输入端置0时复位所述锁存器。

所述锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，他们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存，就是把信号暂存，以维持某种电平状态。在一种具体实施方式中，所述锁存器为RS锁存器，由互相交叉反馈相连的两个与非门构成。在该具体实施方式中，所述RS锁存器包括两个输入端，分别为RD和SD，以及两个输出端，分别为Q和Q’，如图2所示。当RD和SD均为0时，Q和Q’均输出高电平1，然而，锁存的Q和Q’应当是两个互补的输出，因此这种情况对于锁存器来说是不被允许的。当RD＝0、SD＝1时，Q的状态取决于Q’的状态，由于RD＝0、Q’＝1，因此Q＝0，该状态被称为置0状态。当RD＝1、SD＝0时，跟上一种情况正好相反，Q＝1，Q’＝0，即触发器被置1，故称置数状态。当RD＝1、SD＝1时，由于所述锁存器的输入为低电平有效，而当前的两个输入均为高电平，所以所述锁存器的输出状态保持不变，称之为保持状态。

在该具体实施方式中，所述锁存器包括：第一与非门IC3，具有第一输入端，连接至所述第一至第五信号输入端，作为所述锁存器的SD端，还具有第二输入端，所述第一与非门IC3的输出端作为所述锁存器的Q输出端；第二与非门IC4，具有第三输入端，连接至所述第一与非门IC3的输出端，还具有第四输入端，连接至所述第六信号输入端，作为所述锁存器的RD端，且所述第二与非门IC4的输出端连接至所述第二输入端，所述第二与非门IC4的输出端作为所述锁存器的Q’输出端。实际上，所述锁存器也可以根据需要使用其他的结构。

在一种具体实施方式中，所述故障锁存模块101包括五个锁存器，分别连接至所述第一至第五信号输入端。

当故障信号有效时，所述第一与非门IC3的输出端输出高电平。

在一种具体实施方式中，所述故障锁存模块101还包括一具有五个输入端的或门，所述或门的五个输入端分别连接至所述故障锁存模块101的五个锁存器的输出端。这样，在五个锁存器任一输出高电平时，所述或门都会输出高电平，使所述电机存在任何一种故障时，所述故障关断模块102都可以根据所述故障锁存模块101的输出控制所述电机关断。

在一种具体实施方式中，每一信号输入端都设置有一二极管，信号通过所述二极管输入至所述锁存器。通过所述二极管实现线与，避免信号之间相互影响，不论哪个信号变低，均可引起故障输出变高。

在一种具体实施方式中，所述故障锁存模块101还包括第一电阻R3和第一电容C2，设置在第一与非门IC3的第一输入端，组成延迟环节。具体的，第一电阻一端连接VDD，另一端连接到所述第一输入端。所述第一电容C2一端连接所述第一输入端，另一端接地。

在一种具体实施方式中，所述故障关断模块102包括：第七信号输入端，用于控制所述故障关断模块102的关断方式。

在一种具体实施方式中，通过所述第七信号输入端控制所述故障关断模块102的故障处理方式时，具有以下规则：第七信号输入端置1时，选择桥臂主动短路关断方式；第七信号输入端置0时，选择完全关断方式。

在一种具体实施方式中，所述故障关断模块102包括：第三与非门IC5，具有第五、六输入端，均连接至所述第七信号输入端；第一与门IC7，具有第七输入端，连接至所述第三与非门IC5的输出端，还具有第八输入端，连接至所述故障锁存模块101的输出端；第二与门IC6，具有第九输入端，连接至所述故障锁存模块101的输出端，还具有第十输入端，连接至所述第七信号输入端；第一三极管Q2第一三极管Q2，基极连接到所述故障锁存模块的输出端，集电极连接到功率驱动电路的下桥臂驱动电压输入端；第二三极管Q3，基极连接到所述第一与门IC7的输出端，集电极连接到功率驱动电路的上桥臂驱动电压输入端。

在图1所示的具体实施方式中，所述故障关断模块102接受来自故障锁存模块101的高电平有效信号后，同时关断低边控制中心发出的上桥臂PWMH和下桥臂PWML的驱动信号。预留的ASC_Freewheel则用于将安全状态在主动短路和完全关断之间切换。

在一种具体实施方式中，所述电机故障处理装置还包括：死区延时模块103，连接至所述故障关断模块102，并连接至所述功率驱动电路，用于根据所述故障关断模块102的输出，输出控制信号到所述功率驱动电路，控制所述功率驱动电路开启或关断。

设置死区延时模块103是因为电机的功率驱动电路通常采用H桥式结构电路进行驱动，H桥电路由四个功率开关MOS管构成，通过一种控制结构来控制四个开关管的导通与截止，使电机正转、反转或者停止。对H桥驱动电路上下桥臂功率开关MOS管加互补信号后，在带载情况下，功率开关MOS管的关断时间通常比开通时间长，这样，当下桥臂功率开关MOS管未及时关断而上桥臂抢先开通时，就会出现所谓“桥臂直通”故障。这样会使桥臂直通时电流迅速变大，从而造成功率开关损坏。所以设置导通延时及死区时间必不可少。采用硬件构成的死区延时模块103不需要在控制器MCU中增加软件延时，无需进行大量的运算和适时控制，消耗大量的计算时间和硬件资源，能够保证死区时间以及均匀调节电机速度的功能。

在一种具体实施方式中，所述死区延时模块103包括：第一三极管Q2第八信号输入端，连接至所述第一三极管Q2的集电极，还第二三极管Q3连接到所述第二三极管Q3的集电极连接到所述第二三极管Q3的集电极，用于将所述第一三极管Q2和第二三极管Q3输出的上下桥壁驱动电压输进所述死区延时模块103；第四与非门IC1，具有第十一输入端和第十二输入端，均连接至所述第八信号输入端；第五与非门IC2，具有第十三输入端，连接至所述第四与非门IC1的输出端，还具有第十四输入端，连接至所述第二与门IC6的输出端。

在一种具体实施方式中，所述死区延时模块103还包括一慢冲快放网络，设置在所述第四与非门IC1的输出端与第五与非门IC2的输入端之间，包括第二电阻R1，连接所述第四与非门IC1的输出端和第十三输入端，还包括串联后连接到第二电阻R1两端的第三电阻R2和第一二极管D1，还包括第二电容C1，连接到所述第五与非门IC2的第十三输入端。

在一种具体实施方式中，所述第二与门IC6的输出端通过一第三三极管管Q1连接到所述第十四输入端。

在一种具体实施方式中，所述第三三极管管Q1的基极连接至所述第二与门IC6的输出端，所述第三三极管管Q1的集电极连接到所述第五与非门IC2的输入端。

在一种具体实施方式中，所述故障关断模块102关断低边控制中心发出的上桥臂PWMH和下桥臂PWML的驱动信号后，还将死区设定模块的第五与非门IC2的第十三输入端的输入拉低，使得上桥臂或下桥臂的PWM信号为高，实现进入主动短路的控制信号输出。

实施例一：

该实施例应用在新能源汽车电机控制器中，位于单片机和IGBT驱动板之间，以低成本的实现方式替代CPLD。包括死区延时模块，故障锁存模块，故障关断模块。所述死区延时模块将低边控制中心发出的PWMH和PWML在开关瞬间产生死区以防止出现上下直通，所述故障锁存模块收集来自驱动桥臂的故障信号，并给出锁存的关断触发信号，所述故障关断模块收集故障锁存模块给出的关断触发信号，然后触发关断PWMH和PWML信号，并将安全状态置为上主动短路或者下主动短路，而安全状态的选择为主动短路还是完全关断则由来自低边控制中心的ASC_Freewheel_DO决定。在ASC_Freewheel_DO＝0时，进入完全关断状态；在ASC_Freewheel_DO＝1时，根据具体情况进入上ASC或下ASC状态。

若HVUDC＝0，或者FAULTAH＝0，或者FAULTBH＝0，或者RDYH＝0，或者Phase_OC＝0，则C2上的电压被拉低变成0，经过第一与非门，即与非门IC3输出为1。由第一与非门IC3和第二与非门IC4组成的基本RS锁存器，在Reset_DO为1时，第一与非门IC3将锁存地输出高电平，即1，使得第一三极管Q2导通，驱动信号PWMLX_DO＝0，经过第四与非门IC1后输出为1。

若ASC_Freewheel_DO＝0，则第二与门IC6输出为0，第二三极管Q1关断，在第二三极管Q1关断状态下，第五与非门IC2的两个输入脚均为1，经过第五与非门IC2输出为PWMLX_DPO＝0，下桥臂关断。第三与非门IC5输出为1，在第一与门IC7处与第一与非门IC3输出的1相与后输出1，使得第三三极管Q3导通，上桥臂的驱动信号PWMHX_DO被拉低＝0，则PWMHX_DPO＝0，上桥臂关断。上下桥臂都关断，则系统进入完全关断状态。

若ASC_Freewheel_DO＝1，则第二与门IC6输出为1，第二三极管Q1导通，将第五与非门IC2的输入脚拉低，PWMLX_DPO＝1，下桥臂导通。第三与非门IC5输出＝0，第一与门IC7输出＝0，第三三极管Q3关断，PWMHX_DO＝0，则PWMHX_DPO＝0，上桥臂关断。下桥臂导通，上桥臂关断，则系统进入下ASC。

若FAULTAL＝0，或者FAULTBL＝0，或者RDYL＝0，则C2上的电压被拉低变成0，经过第一与非门IC3输出为1。由第一与非门IC3和第二与非门IC4组成的基本RS锁存器在Reset_DO为1时，第一与非门IC3的输出端将锁存地输出高电平，即1，使得第一三极管Q2导通，驱动信号PWMLX_DO＝0，则PWMLX_DPO＝0，下桥臂关断。

若ASC_Freewheel_DO＝0，则第二与门IC6输出为0，第二三极管Q1关断，在第二三极管Q1关断状态下，第五与非门IC2的两个输入脚均为1，经过第五与非门IC2输出为PWMLX_DPO＝0，下桥臂关断。上下桥臂都关断，则系统进入完全关断状态。

若ASC_Freewheel_DO＝1，则与门IC6输出为1，第二三极管Q1导通，将第五与非门IC2的输入脚拉低，PWMHX_DPO＝1，上桥臂导通。上桥臂导通，下桥臂关断，则系统进入上ASC。

本发明通过设置硬件实现的死区延时模块，降低了上桥臂和下桥臂的功率开关的误直通的几率，提高了系统开关时的抗干扰性，还可根据故障类型的不同让所述电机进入不同的故障响应状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电机故障处理装置，其特征在于，包括：

故障锁存模块，连接到电机的功率驱动电路，用于获取并锁存所述功率驱动电路的故障信号；

故障关断模块，连接到所述故障锁存模块，用于在所述功率驱动电路存在故障时对所述功率驱动电路进行关断，包括桥臂主动短路关断以及完全关断；

死区延时模块，连接至所述故障关断模块，并连接至所述功率驱动电路，用于根据所述故障关断模块的输出，输出控制信号到所述功率驱动电路，控制所述功率驱动电路开启或关断；

所述故障关断模块包括：第七信号输入端，用于控制所述故障关断模块的关断方式；

通过所述第七信号输入端控制所述故障关断模块的故障处理方式时，具有以下规则：

第七信号输入端置1时，选择桥臂主动短路关断方式；

第七信号输入端置0时，选择完全关断方式；

所述故障关断模块包括：

第三与非门，具有第五、六输入端，均连接至所述第七信号输入端；

第一与门，具有第七输入端，连接至所述第三与非门的输出端，还具有第八输入端，连接至所述故障锁存模块的输出端；

第二与门，具有第九输入端，连接至所述故障锁存模块的输出端，还具有第十输入端，连接至所述第七信号输入端；

第一三极管，基极连接到所述故障锁存模块的输出端，集电极连接到功率驱动电路的下桥臂驱动电压输入端；

第二三极管，基极连接到所述第一与门的输出端，集电极连接到功率驱动电路的上桥臂驱动电压输入端；

所述死区延时模块包括：

第八信号输入端，连接至所述第一三极管的集电极，还连接到所述第二三极管的集电极，用于将所述第一三极管和第二三极管输出的上下桥壁驱动电压输进所述死区延时模块；

第四与非门，具有第十一输入端和第十二输入端，均连接至所述第八信号输入端；

第五与非门，具有第十三输入端，连接至所述第四与非门的输出端，还具有第十四输入端，连接至所述第二与门的输出端。

2.根据权利要求1所述的电机故障处理装置，其特征在于，所述故障锁存模块包括：

第一至第六信号输入端，分别用于获取到所述功率驱动电路的母线过压故障、上下桥臂A类故障、上下桥臂B类故障、上下桥臂原边供电故障和相电流过流故障以及复位锁存器信号；

锁存器，连接至所述第一至第五信号输入端，用于锁存自所述第一至第五信号输入端输入的故障信号，所述锁存器还连接至所述第六信号输入端，用于在所述第六信号输入端置0时复位所述锁存器。

3.根据权利要求2所述的电机故障处理装置，其特征在于，所述锁存器包括：

第一与非门，具有第一输入端，连接至所述第一至第五信号输入端，还具有第二输入端；

第二与非门，具有第三输入端，连接至所述第一与非门的输出端，还具有第四输入端，连接至所述第六信号输入端，且所述第二与非门的输出端连接至所述第二输入端。

4.根据权利要求1所述的电机故障处理装置，其特征在于，所述第二与门的输出端通过一第三三极管连接到所述第十四输入端。

5.根据权利要求4所述的电机故障处理装置，其特征在于，所述第三三极管的基极连接至所述第二与门的输出端，所述第三三极管的集电极连接到所述第五与非门的输入端。

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