CN116381477A - 一种电机控制器功率开关器件故障检测方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机故障检测技术领域，尤其为一种电机控制器功率开关器件故障检测方法及电路，其中，该方法包括如下方式：静态检测，MCU上电初始化后首先执行常规故障检测程序，同时等待C1充电，C1充电完成后功率开关器件检测程序开始运行，首先进行静态自检，三相输出电压电路采样电路将分别将三相电压输出值经过R5，R6分压后送入MCU的ADC进行采样，此时MCU判断各相电压值，如三相输出电压均满足“小于VBUS‑1V并大于0.1V”初步判断正常，则进行下一步动态检测，若不满足继续判断“任意相电压大于VBUS‑1V”，本发明能在其每次开机运行前检测到功率逆变单元的故障，并能准确识别出控制器功率单元属于上桥故障或下桥故障，另外还能检测出电机是否缺相。
Description
技术领域
本发明属于电机故障检测技术领域，具体涉及一种电机控制器功率开关器件故障检测方法及电路。
背景技术
如图1和图2所示，在现有技术中电机控制器，如：电动车控制器、乘用车控制器、变频器等，采用三相逆变桥的拓扑结构完成直流到交流的变换用于驱动电机，三相逆变桥通常采用MOS或IGBT作为功率开关器件，功率开关器件作为逆变单元的核心，其可靠性和安全性至关重要。为避免功率开关器件损坏，控制器通常设计有过流或短路保护电路，目前电机控制器主要采用的保护方式是通过检测控制器功率开关器件的导通压降，将该信号通过处理与参考电压做比较，如电流大于参考值时电路输出过流信号，过流信号输入到功率开关器件驱动电路，禁止驱动信号输出，从而达到保护目的。
此保护方式必须将保护阈值设计的比较高，原因是由于寄生电感的存在会在功率器件开关时产生尖峰电压，因此会造成保护电路误触发，目前工程应用中都讲该阈值设计的较高，而将阈值设的较高可能造成保护失效，损坏功率开关管，另外现有技术中的控制器大多不具备功率开关管检测功能， 当电机控制器由于器件本身故障、生产装配制造或静电等因素引起功率开关或驱动相关器件损坏时控制器上电后直接运行将造成二次损坏和更为严重的故障。
基于上述情况，本发明提出一种用于电机控制器的功率器件故障检测方法和电路。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种电机控制器功率开关器件故障检测方法及电路，其能在其每次开机运行前检测到功率逆变单元的故障，并能准确识别出控制器功率单元属于上桥故障或下桥故障，另外还能检测出电机是否缺相。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电机控制器功率开关器件故障检测方法，该方法包括如下方式：
静态检测， MCU上电初始化后首先执行常规故障检测程序，同时等待C1充电，C1充电完成后功率开关器件检测程序开始运行，首先进行静态自检，三相输出电压电路采样电路将分别将三相电压输出值经过R5，R6分压后送入MCU的ADC进行采样，此时MCU判断各相电压值，如三相输出电压均满足“小于VBUS-1V并大于0.1V”初步判断正常，则进行下一步动态检测，若不满足继续判断“任意相电压大于VBUS-1V”，如满足则认为MOS管上桥有故障，MCU报“MOS管上桥故障”，若不满足则认为MOS管下桥有故障，报“MOS管下桥故障”；
动态检测，为避免误判和进行缺相检测，静态检测通过后需再次执行动态检测，首先进行U相MOS下桥检测，检测时MCU对U相下桥发一段100uS的脉冲波用于驱动U相下桥MOS管，U相下桥MOS导通时同时为上桥驱动电路的自举电容充电，发波过程中检测U相电压并判断其是否小于0.1V，如“否”程序报“MOS下桥故障”，若“是”则无故障；
然后延时100uS后继续进行U相MOS上桥检测，MCU继续对U相上桥发一段100uS的脉冲波，用于驱动U相上桥MOS管，发波过程中检测U相电压是否大于VBUS-1V，同时检测V、W相电压是否大于1/2VBUS，如U相电压大于VBUS-1V，则U相上桥正常，否则报“MOS上桥故障”，如V、W相电压如满足1/2VBUS则正常，若不满足则报“缺相故障”；
U相动态自检通过后程序延时100uS以相同的逻辑顺序检测V、W相，当三相均检测完成若无故障则自检通过。
本发明还提供如下技术方案：一种电机控制器功率开关器件故障检测电路，包括微控制器MCU、功率开关管导通压降检测电路、带偏置的栅极驱动器、相电压检测电路以及三相逆变单元。
作为本发明的一种电机控制器功率开关器件故障检测电路优选技术方案，MCU包含PWM模块、ADC转换器以及故障检测模块，PWM模块用于发出PWM波信号作为驱动功率开关器件的信号源，ADC转换器的作用是在PWM模块发波时检测相输出电压从而判断功率开关器件的工作状态是否正常，故障检测模块用于接收外部功率开关器件导通压降检测电路发送的故障信号，如收到外部故障信号则立即停止发波保护。
作为本发明的一种电机控制器功率开关器件故障检测电路优选技术方案，栅极驱动电路带有电压偏置功能，其包含一个自举驱动芯片U1、一个电阻R1，两个电容C1、C2，两个二极管D1、D2，一个偏置电阻R4，其中C1作为储能电容为驱动芯片提供瞬态电流，U1负责为功率开关管提供足够的电流，R1、D1、C2做为自举元件在功率开关管下桥开通时为上桥的开通存储能量，D2作为钳位保护作用是将功率管关断时产生的尖峰电压钳位在GND附近，从而保护驱动芯片，R4做为偏置电阻为相输出电压检测电路提供一定的偏置电压，目的是而判断功率开关管下桥是否故障。
作为本发明的一种电机控制器功率开关器件故障检测电路优选技术方案，相输出电压采样电路是由R5、R6组成的，其作用是在MCU检测程序运行时产生脉冲测试信号控制上下桥开关，通过采集开关时的电压，从而判断上下桥工作状态是否正常。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能在电机控制器上电工作前检测输出功率开关管的故障，并判断故障类型属于上桥故障下桥故障，另外还能检测出电机是否缺相。
2、本发明中通过对MCU的程序算法的改进，不但能判断出上桥故障和下桥故障，还能检测出具体故障所属相。
3、本发明通过对栅极驱动电路增加偏置的方式配合故障检测程序，在电机控制器运行前可判断出故障并检测故障类型，实现快速定位，便于维修和更换，避免了现有技术电机控制器功率开关管在损坏后因不能提前检测到，电机控制器运行时可造成二次损坏、扩大了故障范围，严重时能使整机报废，因此造成了更大的损失。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术中电机控制器过流保护的结构示意图；
图2为现有技术中电三相逆变单元栅极驱动电路原理图；
图3为本发明中电机控制器过流保护电路示意图；
图4为本发明中栅极驱动电路和相电压采样电路原理图；
图5为本发明中三相逆变功率单元原理图；
图6为本发明中故障判断程序流程图；
图7为本发明中PWM发波时序示意图。
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。
实施例
请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种电机控制器功率开关器件故障检测方法，该方法包括如下方式：
静态检测， MCU上电初始化后首先执行常规故障检测程序，同时等待C1充电，C1充电完成后功率开关器件检测程序开始运行，首先进行静态自检，三相输出电压电路采样电路将分别将三相电压输出值经过R5，R6分压后送入MCU的ADC进行采样，此时MCU判断各相电压值，如三相输出电压均满足“小于VBUS-1V并大于0.1V”初步判断正常，则进行下一步动态检测，若不满足继续判断“任意相电压大于VBUS-1V”，如满足则认为MOS管上桥有故障，MCU报“MOS管上桥故障”,若不满足则认为MOS管下桥有故障，报“MOS管下桥故障”，具体故障判断程序流程图见图6；
动态检测，为避免误判和进行缺相检测，静态检测通过后需再次执行动态检测，首先进行U相MOS下桥检测，检测时MCU对U相下桥发一段100uS的脉冲波（图7：T0）用于驱动U相下桥MOS管，U相下桥MOS导通时同时为上桥驱动电路的自举电容充电，发波过程中检测U相电压并判断其是否小于0.1V，如“否”程序报“MOS下桥故障”，若“是”则无故障;然后延时100uS（图7：T1）后继续进行U相MOS上桥检测，MCU继续对U相上桥发一段100uS的脉冲波（图7：T2），用于驱动U相上桥MOS管，发波过程中检测U相电压是否大于VBUS-1V，同时检测V、W相电压是否大于1/2VBUS，如U相电压大于VBUS-1V，则U相上桥正常，否则报“MOS上桥故障”，如V、W相电压如满足1/2VBUS则正常，若不满足则报“缺相故障”；U相动态自检通过后程序延时100uS（图7：T3）以相同的逻辑顺序检测V、W相，当三相均检测完成若无故障则自检通过，具体PWM发波时序示意见图7。
参阅图1-7，本发明还提供以下技术方案：一种电机控制器功率开关器件故障检测电路，包括微控制器（以下简称MCU）、功率开关管导通压降检测电路、带偏置的栅极驱动器、相电压检测电路以及三相逆变单元，具体框图见图3；
微控制器包含PWM模块、ADC转换器及故障检测模块，PWM模块用于发出PWM波信号作为驱动功率开关器件的信号源，ADC转换器的作用是在PWM模块发波时检测相输出电压从而判断功率开关器件的工作状态是否正常，故障检测模块用于接收外部功率开关器件导通压降检测电路发送的故障信号，如收到外部故障信号则立即停止发波保护；
功率开关管导通压降检测电路与现有技术中所使用的电路相同；
栅极驱动电路带有电压偏置功能，其包含一个自举驱动芯片U1、一个电阻R1，两个电容C1、C2，两个二极管D1、D2，一个偏置电阻R4。其中C1作为储能电容为驱动芯片提供瞬态电流，U1负责为功率开关管提供足够的电流，R1、D1、C2做为自举元件在功率开关管下桥开通时为上桥的开通存储能量，D2作为钳位保护作用是将功率管关断时产生的尖峰电压钳位在GND附近，从而保护驱动芯片，R4做为偏置电阻为相输出电压检测电路提供一定的偏置电压，目的是而判断功率开关管下桥是否故障；
相输出电压采样电路是由R5、R6组成的，其作用是在MCU检测程序运行时产生脉冲测试信号控制上下桥开关，通过采集开关时的电压，从而判断上下桥工作状态是否正常；
三相逆变功率单元作为直流-交流转换的核心器件，通常根据应用领域的不同选择功率MOS或IGBT等功率开关器件，本发明使用功率MOS作为开关器件（应当说明的是使用IGBT或其它类似具有开关功能的器件作为功率开关并不超出本发明的保护范围），功率单元具体原理图详见图5。
本实施例中，仅列举了其中一相过流保护电流、栅极驱动和相电压采样电路，在三相应用中其它相电路与此相同。
本实施例中，本发明设计检测程序和硬件检测电路判断故障的机理是：大多数情况下MOS损坏会表现为短路，短路后MOS漏极和源极之间的电压为0V，因此当MOS管上桥损坏时，相输出电压约等于母线电压（VBUS）,当MOS下桥损坏时相输出电压约等于0V，但MOS正常情况下，因为相输出对地下拉电阻存在，其相输出电压也0V，因此如果电路不做特殊处理，将无法判断MOS下桥损坏与正常情况，为解决这个问题本发明在栅极驱动电路上设计了约0.5V的偏置电压，故正常情况下相输出电压约为0.5V，避免了MOS下桥故障与正常情况的混淆，基于以上原理本施例中规定：上桥故障阈值为大于VBUS-1V，下桥故障阈值为小于0.1V，缺相故障阈值为小于1/2VCC。
另外，图4为本发明中栅极驱动电路、采样电路原理图，电路工作原理如下：系统上电后，电源VCC经过R1和D1至C1和R4上端，经C1和R4后到达R5上端，再经过R5和R6最后回到负极，其中R5上端与栅极驱动芯片的VS以及上桥功率开关管的S相连作为相输出，R5与R6构成分压器作为相电压检测电路，在上时C1的初始电压为0V，因C1与R5及R6串联VCC为其充电，C1两端的电压开始逐渐增加，经过一段时间后C1的电压趋于稳定电压约等于VCC充电完成，此时R5上端的电压为偏置电压（本实施例中VCC为12V，R4的阻值为1M，R5和R6的阻值分别为39k和1k），相输出电压偏置电压约为0.5V，因此在无故障时相输出电压应为0.5V左右。
本实施方案中，本发明提出的一种电机控制器的功率器件故障检测方法和电路，能在电机控制器上电工作前检测输出功率开关管的故障，并判断故障类型属于上桥故障下桥故障，另外本发明提供的检测方法和电路还能检测出电机是否缺相；本发明中通过对MCU的程序算法的改进，不但能判断出上桥故障和下桥故障，还能检测出具体故障所属相；本发明通过对栅极驱动电路增加偏置的方式配合故障检测程序，在电机控制器运行前可判断出故障并检测故障类型，实现快速定位，便于维修和更换，避免了现有技术电机控制器功率开关管在损坏后因不能提前检测到，电机控制器运行时可造成二次损坏、扩大了故障范围，严重时能使整机报废，因此造成了更大的损失。
本发明的其它替代方案，使用其他任何具有开关特性的功率开关器件，如MOS、IGBT、三极管等作为三相功率单元；使用其他类型的栅极驱动电路（包含分离元件组成的栅极驱动电路）；栅极驱动电路中偏置电阻替换为其他具有偏置功能的电路或元件（包含恒流源电路等）；使用借鉴本发明中或类似的故障判断程序的思路和逻辑。
另外，本实施例中未作详细说明的内容，均为现有技术和公知常识范畴。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电机控制器功率开关器件故障检测方法，其特征在于：该方法包括如下方式：
静态检测， MCU上电初始化后首先执行常规故障检测程序，同时等待C1充电，C1充电完成后功率开关器件检测程序开始运行，首先进行静态自检，三相输出电压电路采样电路将分别将三相电压输出值经过R5，R6分压后送入MCU的ADC进行采样，此时MCU判断各相电压值，如三相输出电压均满足“小于VBUS-1V并大于0.1V”初步判断正常，则进行下一步动态检测，若不满足继续判断“任意相电压大于VBUS-1V”，如满足则认为MOS管上桥有故障，MCU报“MOS管上桥故障”，若不满足则认为MOS管下桥有故障，报“MOS管下桥故障”；
动态检测，为避免误判和进行缺相检测，静态检测通过后需再次执行动态检测，首先进行U相MOS下桥检测，检测时MCU对U相下桥发一段100uS的脉冲波用于驱动U相下桥MOS管，U相下桥MOS导通时同时为上桥驱动电路的自举电容充电，发波过程中检测U相电压并判断其是否小于0.1V，如“否”程序报“MOS下桥故障”，若“是”则无故障；
然后延时100uS后继续进行U相MOS上桥检测，MCU继续对U相上桥发一段100uS的脉冲波，用于驱动U相上桥MOS管，发波过程中检测U相电压是否大于VBUS-1V，同时检测V、W相电压是否大于1/2VBUS，如U相电压大于VBUS-1V，则U相上桥正常，否则报“MOS上桥故障”，如V、W相电压如满足1/2VBUS则正常，若不满足则报“缺相故障”；
U相动态自检通过后程序延时100uS以相同的逻辑顺序检测V、W相，当三相均检测完成若无故障则自检通过。
2.一种电机控制器功率开关器件故障检测电路，其特征在于：包括微控制器MCU、功率开关管导通压降检测电路、带偏置的栅极驱动器、相电压检测电路以及三相逆变单元。
3.根据权利要求2所述的一种电机控制器功率开关器件故障检测电路，其特征在于：MCU包含PWM模块、ADC转换器以及故障检测模块，PWM模块用于发出PWM波信号作为驱动功率开关器件的信号源，ADC转换器的作用是在PWM模块发波时检测相输出电压从而判断功率开关器件的工作状态是否正常，故障检测模块用于接收外部功率开关器件导通压降检测电路发送的故障信号，如收到外部故障信号则立即停止发波保护。
4.根据权利要求2所述的一种电机控制器功率开关器件故障检测电路，其特征在于：栅极驱动电路带有电压偏置功能，其包含一个自举驱动芯片U1、一个电阻R1，两个电容C1、C2，两个二极管D1、D2，一个偏置电阻R4，其中C1作为储能电容为驱动芯片提供瞬态电流，U1负责为功率开关管提供足够的电流，R1、D1、C2做为自举元件在功率开关管下桥开通时为上桥的开通存储能量，D2作为钳位保护作用是将功率管关断时产生的尖峰电压钳位在GND附近，从而保护驱动芯片，R4做为偏置电阻为相输出电压检测电路提供一定的偏置电压，目的是而判断功率开关管下桥是否故障。
5.根据权利要求2所述的一种电机控制器功率开关器件故障检测电路，其特征在于：相输出电压采样电路是由R5、R6组成的，其作用是在MCU检测程序运行时产生脉冲测试信号控制上下桥开关，通过采集开关时的电压，从而判断上下桥工作状态是否正常。
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|---|---|---|---|---|
| CN117595750A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-02-23 | 黑龙江惠达科技股份有限公司 | 播撒器电机电调自检方法及其系统 |
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