CN116736068B - 一种功率故障特征数据识别及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率故障特征数据识别及处理方法，涉及到故障特征数据识别及处理技术领域，包括以下步骤：S1：对预驱电压特征数据识别判定功率故障；S2：三相过电流特征数据识别功率故障；S3：母线过电流特征数据识别功率故障；S4：多种特征数据融合的识别方法。本发明预驱芯片内嵌的电压诊断数据，结合三相过电流数据，和母线过电流数据这三种特征数据进行融合验证的识别机制，快速判断系统功率故障位置，并通过关断高边开关，保证了功率故障识别处理的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及故障特征数据识别及处理技术领域，特别涉及一种功率故障特征数据识别及处理方法。
背景技术
在转向系统中，由于使用MOSFET作为3相全桥电机功率故障单元的主要芯片，MOSFET的短路损坏会直接导致EPS（电动助力转向系统）功能异常。如果不能及时有效识别并处理，会对驾乘人员产生一定的危害。因此，需要根据采样到的数据进行识别，以判定MOSFET的完好或短路损坏状态，并进行处理，避免因其损坏导致转向系统功能异常带来危险。
现有技术，EPS中的功率故障检测手段有以下两种方式：
一、使用电压采集电路，或者内部集成漏源电压采集电路的预驱，通过检测MOSFET漏源极电压数据识别判定MOS的状态，该方式能够检测MOSFET短路状态及短路MOSFET的位置。这两种方式需要设置漏源极电压阈值，阈值设置过高无法识别短路，设置过低会导致正常使用过程中发生误识别和处理，从而导致误诊断。这种检测机制对于单个MOSFET短路检测较为有效，存在无法检测多个MOSFET损坏从而导致EPS系统功能异常的问题。
二、在功率高边或低边串入电功率电阻，设置短路电流阈值，通过功率电阻计算的电流超出阈值的方式识别处理后诊断MOSFET的短路。该方式通过短路电流数据识别诊断多MOSFET短路损坏的情况，只在短路电流产生后进行诊断，无法确定短路MOSFET的位置。
本发明提出了基于EPS系统漏源电压、三相电流、母线电流多种功率故障特征数据识别的方式，进行MOSFET的短路的单项确认和两项确认识别，在不额外增加成本的情况下有效识别MOSFET短路损坏及其位置，并处理功率短路故障带来的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率故障特征数据识别及处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种功率故障特征数据识别及处理方法，包括以下步骤：
S1：硬件设备包括MCU、预驱、防反GU及高边开关GV、母线电阻RM、采样电阻RA、RB、RC、运放UA、6路MOSFET、电机模块，其中6路MOSFET包含A相高桥MOSFET、A相低桥MOSFET、B相高桥MOSFET、B相低桥MOSFET、C相高桥MOSFET、C相低桥MOSFET；对预驱电压特征数据识别判定功率短路故障，预驱实时采集MOSFET的源漏极电压进行检测，根据检测到的/>数据，识别判定功率短路故障，设定A相高桥MOSFET发生短路，在A相低桥MOSFET导通时，存在瞬时大电流/>流过A相低桥，则A相低桥MOSFET的源漏电压/>，其中为MOSFET导通时的内阻，/>为设定的短路电压，以此可判定A相高桥MOSFET发生短路，同理可判定其他相MOSFET的短路；
S2：三相电流特征数据识别功率短路故障，采集通过MOSFET的三相电流，根据采集的三相电流/>数据，识别判定功率短路故障；
S3：母线过电流特征数据识别功率短路故障，MCU通过采集运放分压后的电压计算得到整车电源线上的母线电流，其值为，根据采集的母线电流/>数据，识别判定功率短路故障，如果/>大于设定的过电流阈值/>，则识别为出现功率故障的短路故障；
S4：多种特征数据融合的识别方法，以上S1、S2、S3中三种方式的每一种都能根据检测到的数据进行识别，独立诊断出功率故障，但是都存在复杂工况下受扰动导致误诊断的情况，独立诊断出功率故障采用单项预警两项确认的处理方法。
优选的，所述MCU控制预驱的泵升，向预驱输出PWM信号，与预驱进行SPI通讯，采集电机3相电流、母线电流；运放UA用于采集流过母线电阻RM电流信号；母线电阻RM还用于连接整车电源和功率电源，通过母线电阻RM给预驱进行供电，给予GV参考电位，该电位位置为Q；预驱对PWM输出进行电压放大，控制6路MOSFET的开断控制从而控制电机转动；A相高桥MOSFET和A相低桥MOSFET下端连接有采样电阻RA，B相高桥MOSFET和B相低桥MOSFET下端连接有采样电阻RB，C相高桥MOSFET和C相低桥MOSFET下端连接有采样电阻RC；预驱采集采样电阻RA、RB、RC两端的电压，进行放大，输出电机三相电流信号给MCU。
优选的，所述S2中预驱进行6个MOSFET开断控制，预驱产生的PWM驱动信号分别是HA、LA、HB、LB、HC、LC，以HA和LA为例，无短路故障，在HA为高电平，LA为低电平时，电流I1流入电机，流过采样电阻RA两端电流为0A，RA两端产生的电压为0V；HA为低电平，LA为高电平时，续流电流I2流入电机，流过RA两端电流方向为AN→AP，RA两端产生的电压为负值。
优选的，在A相高桥MOSFET发生短路，A相高桥MOSFET始终导通，LA为低电平时，电流流入电机，无短路电流，RA两端无电流流过，RA两端的电压为0V；LA为高电平时，有短路电流自Q→A相高桥MOSFET→A相低桥MOSFET→RA，流过RA两端电流方向为AP→AN，RA两端的电压为正值。
优选的，在A相低桥MOSFET发生短路，A相低桥MOSFET始终导通，HA为高电平时，有短路电流，短路电流方向为Q→A相高桥MOSFET→A相低桥MOSFET→RA，流过RA两端电流方向为AP→AN，RA两端的电压为正值；HA为低电平时，电流从A相低桥MOSFET反向流入电机，流过RA两端电流方向为AN→AP，RA两端的电压为正值。
优选的，所述MCU在HA为高电平时，通过采集流过采样电阻RA的电流，计算得到相电流，如果/>大于设定的过电流阈值/>，且电流方向与理论值不同，则判定A相低桥MOSFET出现短路故障；同理可判定其他MOSFET短路故障。
优选的，所述S5中单项预警两项确认的处理方法为：
步骤一：系统上电，预驱通过RM进行供电，泵升输入低电平不使能，GU和GV关断；
步骤二：MCU设定三相电流过电流阈值=180A，母线过电流阈值/>=60A；MCU与预驱之间通过SPI通讯，配置预驱的/>为1V，泵升输入高电平进行使能，使GU和GV导通，EPS正常工作；
步骤三：预驱上设置有电压诊断模块，电压诊断模块采集特征数据，按照/>≥进行功率短路预诊断；
步骤四：MCU采集并计算流经采样电阻RA、RB、RC和RM电流，分别通过三相电流和母线电流特征数据识别处理方法进行功率短路的预诊断；
步骤五：根据单项短路预诊断结果，参照短路确认对照数据进行功率短路故障的确认；
步骤六：确认无短路故障，则系统继续正常工作；
步骤七：确认为误诊断，清除相应预警标志，系统继续正常工作；
步骤八：确认为短路，通过关断泵升使能，关断GU和GV，并关断预驱输入PWM，确保切除系统助力功能。
本发明的技术效果和优点：
本发明预驱芯片内嵌的电压诊断数据，结合三相过电流数据，和母线过电流数据这三种特征数据进行融合验证的识别机制，快速判断系统功率故障的短路故障及其位置，并通过关断高边开关，保证了MOS短路损坏识别处理的可靠性；
本发明通过使用预驱泵升引脚方式实现了单高边控制双MOSFET的功能，充分利用了预驱资源；并联的高端电阻，能够诊断短路发生的同时限制短路电流。
附图说明
图1为本发明功率故障特征数据识别及处理方法原理示意图。
图2为本发明功率故障诊断与处理流程图。
图3为本发明三相过电流特征数据识别功率故障示意图
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。
本发明提供了如图1-图3所示的一种功率故障特征数据识别及处理方法，提出了通过预驱芯片内嵌的电压诊断数据，结合三相过电流数据，和母线过电流数据这三种特征数据进行融合验证的识别机制，快速判断EPS系统功率故障的短路故障，其原理如下：
本发明包含硬件实现电路，包括MCU、预驱、防反GU及高边开关GV、母线电阻RM、采样电阻RA、RB、RC、运放UA、6路MOSFET、电机模块，其中6路MOSFET包含A相高桥MOSFET、A相低桥MOSFET、B相高桥MOSFET、B相低桥MOSFET、C相高桥MOSFET、C相低桥MOSFET，如附图1所示。MCU进行预驱诊断电压、三相电机电流、母线电流功率故障特征数据采集计算；控制预驱泵升高电平使能；与预驱的SPI通讯设定阈值和读取预驱的诊断结果，MCU输出的PWM驱动MOSFET开断和启动预驱的电压诊断功能。防反GU及高边开关GV MOSFET用于进行电源反接保护和电源的开关控制。预驱内置电压诊断模块，用于进行MOSFET漏源电压/>的采集、识别、处理，通过SPI向MCU输出诊断结果；内置3路运放模块，用于电机3相电流信号的采集、转换、输出。运放UA用于采集流过母线电阻RM电流信号。母线电阻RM还用于连接整车电源和功率电源。在GV未导通时，通过RM给预驱进行预供电；并给予GV参考电位，在泵升输出一路高边控制电压时，控制GU和GV的导通。在GU和GV导通时，RM不工作。在高低桥MOSFET同时短路时，RM两端压降等于整车电源电压，通过RM能够避免高低桥MOSFET短路产生的短路电流。
(1)对预驱电压特征数据识别判定功率故障
根据检测到的MOSFET的数据，识别判定功率故障。预驱实时采集高桥MOSFET和低桥MOSFET漏源电压/>，设定高桥MOSFET发生短路，无论HA为何种电平，在低桥MOSFET导通，LA为高电平时，存在瞬时大电流/>流过低桥MOSFET，则低桥MOSFET的漏源电压，其中/>为设定的短路电压，/>为MOSFET导通电阻以此可判定高桥MOSFET发生短路；同理可判定其他MOSFET短路故障时的情况。预驱电压诊断与功率故障关系如表1所示。
表1预驱电压诊断与功率故障关系
(2)三相过电流特征数据识别功率故障
根据采集的三相电机电流数据，识别判定功率故障。
预驱进行6路MOSFET开断控制，产生的PWM驱动信号分别是HA、LA、HB、LB、HC、LC。如附图3，以HA和LA为例，无短路故障，在HA为高电平，LA为低电平时，电流I1流入电机，流过RA两端电流为0A，RA两端产生的电压为0V；HA为低电平，LA为高电平时，续流电流I2流入电机，流过RA两端电流方向为AN→AP，RA两端产生的电压为负值。
在A相高桥MOSFET发生短路，A相高桥MOSFET始终导通，LA为低电平时，电流流入电机，无短路电流，RA两端无电流流过，RA两端的电压为0V；LA为高电平时，有短路电流自Q→A相高桥MOSFET→A相低桥MOSFET→RA，流过RA两端电流方向为AP→AN，RA两端的电压为正值。
在A相低桥MOSFET发生短路，A相低桥MOSFET始终导通，HA为高电平时，有短路电流自Q→A相高桥MOSFET→A相低桥MOSFET→RA，流过RA两端电流方向为AP→AN，RA两端的电压为正值；HA为低电平时，电流从A相低桥MOSFET反向流入电机，流过RA两端电流方向为AN→AP，RA两端的电压为正值，AP端与采样电阻RA连接，AN端接地。
MCU在HA为高电平，通过采集流过采样电阻RA的电流，计算得到相电流，如果/>大于设定的阈值/>，且电流方向与理论值不同，则判定A相低桥MOSFET出现短路故障；同理可判定其他MOSFET出现短路故障。
(3)母线过电流特征数据识别功率故障
根据采集的母线电流数据，识别判定功率故障。MCU通过采集运放分压后的电压计算得到母线电流，其值为/>，如果/>大于设定的过电路阈值/>，则识别为出现功率故障。
（4）多种特征数据融合的识别方法
以上三种方式每一种都可以根据检测到的数据进行识别，独立诊断出功率故障，独立诊断出功率故障采用单项预警两项确认的处理方法，但是都存在复杂工况下受扰动导致误诊断的情况，为了在不降低故障检出率的情况下能排除扰动的影响，所以采用单项预警两项确认的处理方法，如表2所示：
表2 短路确认表
本发明硬件实现基于MCU UM为280049C，预驱为DRV8343S，运放UA为TLE2141，母线电阻RM为510Ω，MOSFET型号JMSL0401B。EPS工作在12V电压系统下，EPS系统功率故障特征数据识别及处理方法，附图2所示为软件实现过程：
(1)EPS上电，预驱通过RM进行供电，泵升输入低电平不使能，GU和GV关断；
(2)MCU设定三相电流过电流阈值=180A，母线过电流阈值/>=60A；通过SPI通讯，配置预驱的/>为1V，泵升输入高电平使能，使GU和GV导通，EPS正常工作；
(3)预驱电压诊断模块采集MOSFET的漏源电压特征数据，按照功率故障诊断处理表进行功率短路预诊断；
(4)MCU采集并计算流经采样电阻RA、RB、RC和RM电流，分别通过三相电机电流和母线电流特征数据识别处理方法进行功率短路的预诊断；
(5)根据单项短路预诊断结果，参照短路确认表进行功率短路故障的确认；
(6)确认无短路故障，则EPS继续正常工作；
(7)确认为误诊断，清除相应预警标志，EPS继续正常工作；
(8)确认为短路，通过关断泵升使能，关断GU和GV，并关断预驱输入PWM，确保切除EPS助力功能。
Claims (3)
1.一种功率故障特征数据识别及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：硬件设备包括MCU、预驱、防反GU及高边开关GV、母线电阻RM、采样电阻RA、RB、RC、运放UA、6路MOSFET、电机模块，其中6路MOSFET包含A相高桥MOSFET、A相低桥MOSFET、B相高桥MOSFET、B相低桥MOSFET、C相高桥MOSFET、C相低桥MOSFET；对预驱电压特征数据识别判定功率短路故障，预驱实时采集MOSFET的源漏极电压进行检测，根据检测到的/>数据，识别判定功率短路故障，设定A相高桥MOSFET发生短路，在A相低桥MOSFET导通时，存在瞬时大电流/>流过A相低桥，则A相低桥MOSFET的源漏电压/>，其中/>为MOSFET导通时的内阻，/>为设定的短路电压，以此可判定A相高桥MOSFET发生短路，同理可判定其他相MOSFET的短路；
S2：三相电流特征数据识别功率短路故障，采集通过MOSFET的三相电流，根据采集的三相电流/>数据，识别判定功率短路故障；
所述S2中预驱进行6个MOSFET开断控制，预驱产生的PWM驱动信号分别是HA、LA、HB、LB、HC、LC，以HA和LA为例，无短路故障，在HA为高电平，LA为低电平时，电流I1流入电机，流过采样电阻RA两端电流为0A，RA两端产生的电压为0V；HA为低电平，LA为高电平时，续流电流I2流入电机，流过RA两端电流方向为AN→AP，RA两端产生的电压为负值；AP端是MOSFET与采样电阻RA的连接点，AN端是采样电阻RA与接地端的连接点；
所述MCU控制预驱的泵升，向预驱输出PWM信号，与预驱进行SPI通讯，采集电机3相电流、母线电流；运放UA用于采集流过母线电阻RM电流信号；母线电阻RM还用于连接整车电源和功率电源，通过母线电阻RM给预驱进行供电，给予GV参考电位，该电位位置为Q；预驱对PWM输出进行电压放大，控制6路MOSFET的开断控制从而控制电机转动；A相高桥MOSFET和A相低桥MOSFET下端连接有采样电阻RA，B相高桥MOSFET和B相低桥MOSFET下端连接有采样电阻RB，C相高桥MOSFET和C相低桥MOSFET下端连接有采样电阻RC；预驱采集采样电阻RA、RB、RC两端的电压，进行放大，输出电机三相电流信号给MCU；
在A相高桥MOSFET发生短路，A相高桥MOSFET始终导通，LA为低电平时，电流流入电机，无短路电流，RA两端无电流流过，RA两端的电压为0V；LA为高电平时，有短路电流自Q→A相高桥MOSFET→A相低桥MOSFET→RA，流过RA两端电流方向为AP→AN，RA两端的电压为正值；同理可判定其他MOSFET短路故障；
S3：母线过电流特征数据识别功率短路故障，MCU通过采集运放分压后的电压计算得到整车电源线上的母线电流，其值为，根据采集的母线电流/>数据，识别判定功率短路故障，如果/>大于设定的过电流阈值/>，则识别为出现功率故障的短路故障；
S4：多种特征数据融合的识别方法，以上S1、S2、S3中三种方式的每一种都能根据检测到的数据进行识别，独立诊断出功率故障，独立诊断出功率故障采用单项预警两项确认的处理方法；
所述S4中单项预警两项确认的处理方法为：
步骤一：系统上电，预驱通过RM进行供电，泵升输入低电平不使能，GU和GV关断；
步骤二：MCU设定三相电流过电流阈值=180A，母线过电流阈值/>=60A；MCU与预驱之间通过SPI通讯，配置预驱的/>为1V，泵升输入高电平进行使能，使GU和GV导通，EPS正常工作；
步骤三：预驱上设置有电压诊断模块，电压诊断模块采集特征数据，按照/>≥/>进行功率短路预诊断；
步骤四：MCU采集并计算流经采样电阻RA、RB、RC和RM电流，分别通过三相电流和母线电流特征数据识别处理方法进行功率短路的预诊断；
步骤五：根据单项短路预诊断结果，参照短路确认对照数据进行功率短路故障的确认；
步骤六：确认无短路故障，则系统继续正常工作；
步骤七：确认为误诊断，清除相应预警标志，系统继续正常工作；
步骤八：确认为短路，通过关断泵升使能，关断GU和GV，并关断预驱输入PWM，确保切除系统助力功能。
2.根据权利要求1所述的一种功率故障特征数据识别及处理方法，其特征在于：在A相低桥MOSFET发生短路，A相低桥MOSFET始终导通，HA为高电平时，有短路电流，短路电流方向为Q→A相高桥MOSFET→A相低桥MOSFET→RA，流过RA两端电流方向为AP→AN，RA两端的电压为正值；HA为低电平时，电流从A相低桥MOSFET反向流入电机，流过RA两端电流方向为AN→AP，RA两端的电压为正值，AP端与采样电阻RA连接，AN端接地。
3.根据权利要求1所述的一种功率故障特征数据识别及处理方法，其特征在于：所述MCU在HA为高电平时，通过采集流过采样电阻RA的电流，计算得到相电流，如果/>大于设定的过电流阈值/>，且电流方向与理论值不同，则判定A相低桥MOSFET出现短路故障。
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