一种集成式功率组件在线监测方法与流程

本发明涉及监测技术领域，特别是涉及一种集成式功率组件在线监测方法。

背景技术：

目前，功率组件运行在工作状态或发生故障时，由于无法收集到工作状态的实时数据或复现故障时刻条件，因而无法准确分析器件的运行状态或定位故障原因。功率元件的关键参数的实时监测均由上层控制器实现，控制器对整个变流器装置的关键参数进行监视，如三相负载电流、并网功率等。集成式功率组件缺乏对自身内部参数的实时监测，如IGBT元件实时温度、元件状态，单模块电流等。目前没有实时监测和记录的方法，大多是借助上层变流器控制系统来进行试验和考核工况的监测，数据相对单一和缺失，不利于全面有效的监测功率组件，也不利于及时分析器件的运行状态或定位故障原因。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集成式功率组件在线监测方法，以实现有效对集成式功率组件进行实时监测。

为解决上述技术问题，本发明提供一种集成式功率组件在线监测方法，包括：

AD采样模块对集成式功率组件的电压信号、电流信号和温度信号进行模拟量信号调理和采样，得到电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号并将所述电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号发送至主控芯片；

状态信号采样模块对所述集成式功率组件的过流信号和过温信号进行采集，并将采集到的过流信号和过温信号发送至所述主控芯片；

所述主控芯片接收由PC上位机发送的通讯指令，若所述通讯指令为正确指令，将所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号、过温信号和所述通讯指令合成标准帧数据，并将所述标准帧数据通过SPI接口传输给CAN通讯模块；

所述CAN通讯模块通过CAN总线将所述标准帧数据传送至所述PC上位机；

所述PC上位机接收所述标准帧数据，对所述标准帧数据进行解析，得到所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。

优选的，所述主控芯片为FPGA芯片。

优选的，所述PC上位机为CAN网络主节点。

优选的，所述PC上位机接收所述标准帧数据，对所述标准帧数据进行解析，得到所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形，包括：

PC上位机中的上位机软件通过对PC上位机的接口卡的DLL库函数进行调用控制，接收CAN总线上传输的所述标准帧数据，对所述标准帧数据进行数据解析并还原数据波形，得到所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。

优选的，所述集成式功率组件包括：IGBT元件和电感。

优选的，所述集成式功率组件还包括散热器，用于对IGBT元件进行散热。

优选的，所述PC上位机接收所述标准帧数据，对所述标准帧数据进行解析，得到所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形之后，还包括：

所述PC上位机显示所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。

本发明所提供的一种集成式功率组件在线监测方法，AD采样模块对集成式功率组件的电压信号、电流信号和温度信号进行模拟量信号调理和采样，得到电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号并将所述电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号发送至主控芯片；状态信号采样模块对所述集成式功率组件的过流信号和过温信号进行采集，并将采集到的过流信号和过温信号发送至所述主控芯片；所述主控芯片接收由PC上位机发送的通讯指令，若所述通讯指令为正确指令，将所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号、过温信号和所述通讯指令合成标准帧数据，并将所述标准帧数据通过SPI接口传输给CAN通讯模块；所述CAN通讯模块通过CAN总线将所述标准帧数据传送至所述PC上位机；所述PC上位机接收所述标准帧数据，对所述标准帧数据进行解析，得到所述电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。可见，对功率组件的相关状态信号进行实时采样记录，状态信号包括过流信号和过温信号，对功率组件的相关模拟信号进行实时采样记录，模拟信号包括电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号，制芯片处理好数据后通过通讯指令向CAN总线实时发送数据，PC上位机通过接收到被监测功率组件的在线实时数据，实现CAN总线数据实时发送和接收功能，对集成式功率组件进行在线实时传输数据，及时将功率组件运行时的各项模拟数据和状态信息通过CAN总线传回到PC上位机，改善功率组件安全运行及提升可靠性，所以该方法实现有效对集成式功率组件进行实时监测，对集成式功率组件进行全面有效监测，并且及时获取功率组件的运行状态，能够为故障准确定位提供数据支持。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种集成式功率组件在线监测方法的流程图；

图2为集成式功率组件的监测原理示意图；

图3为CAN通讯模块的实时通讯控制流程。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种集成式功率组件在线监测方法，以实现有效对集成式功率组件进行实时监测。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种集成式功率组件在线监测方法的流程图，该方法包括：

S11：AD采样模块对集成式功率组件的电压信号、电流信号和温度信号进行模拟量信号调理和采样，得到电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号并将电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号发送至主控芯片；

S12：状态信号采样模块对集成式功率组件的过流信号和过温信号进行采集，并将采集到的过流信号和过温信号发送至主控芯片；

S13：主控芯片接收由PC上位机发送的通讯指令，若通讯指令为正确指令，将电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号、过温信号和通讯指令合成标准帧数据，并将标准帧数据通过SPI接口传输给CAN通讯模块；

S14：CAN通讯模块通过CAN总线将标准帧数据传送至PC上位机；

S15：PC上位机接收标准帧数据，对标准帧数据进行解析，得到电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。

可见，对功率组件的相关状态信号进行实时采样记录，状态信号包括过流信号和过温信号，对功率组件的相关模拟信号进行实时采样记录，模拟信号包括电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号，制芯片处理好数据后通过通讯指令向CAN总线实时发送数据，PC上位机通过接收到被监测功率组件的在线实时数据，实现CAN总线数据实时发送和接收功能，对集成式功率组件进行在线实时传输数据，及时将功率组件运行时的各项模拟数据和状态信息通过CAN总线传回到PC上位机，改善功率组件安全运行及提升可靠性，所以该方法实现有效对集成式功率组件进行实时监测，对集成式功率组件进行全面有效监测，并且及时获取功率组件的运行状态，能够为故障准确定位提供数据支持。

基于上述方法，具体的，主控芯片为FPGA芯片。

其中，PC上位机为CAN网络主节点。

进一步的，步骤S15的过程具体为：PC上位机中的上位机软件通过对PC上位机的接口卡的DLL库函数进行调用控制，接收CAN总线上传输的标准帧数据，对标准帧数据进行数据解析并还原数据波形，得到电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。

其中，电压模拟信号、电流模拟信号和温度模拟信号为集成式功率组件工作运行时的模拟量数据。

进一步的，主控芯片为FPGA芯片。FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑阵列)是集成电路领域一种可灵活编程实现专门电路的器件。

其中，集成式功率组件包括：IGBT元件和电感。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体)元件具体为带阻尼的二极管。

进一步的，集成式功率组件还包括散热器，用于对IGBT元件进行散热。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体)元件具体为带阻尼的二极管，能够作为功率模块使用。

其中，过流信号具体为IGBT过流信号，过温信号具体为TGBT过温信号。状态信号采集模块还能采集集成式功率组件的直流过压信号，直流过压信号即为集成式功率组件的直流电源过压信号。其中，过流信号、过温信号和直流过压信号为集成式功率组件工作运行时的实时状态信息，为数字信号。

进一步的，步骤S15之后，还包括：PC上位机显示电压模拟信号、电流模拟信号、温度模拟信号、过流信号和过温信号的数据波形。

采用ALTERA的MAX10系列芯片作为主控芯片，CAN通讯模块采用Microchip的MCP25625。主控芯片和AD采样模块完成模拟量数据和状态信息的实时采集，控制芯片处理好数据后通过控制指令向CAN总线接口实时发送数据，PC上位机通过ID地址识别并接收到被监测功率组件的在线实时数据。该方法对集成式功率组件进行在线实时传输数据，及时将功率组件运行时的各项模拟量数据和状态信息通过CAN总线传回到PC上位机，成为了改善功率组件安全运行及提升可靠性的一个重要数据依据。

本方法能够对功率组件的相关状态信号进行实时采样记录，如IGBT过温信号、过流、直流过压信号等，对功率组件的相关模拟信号进行实时采样记录，包括直流电压、电流、IGBT原件内部温度等信号，实现CAN总线数据实时发送和接收功能。本方法弥补现有功率组件的不能实时获知功率组件运行各项数据的缺点，能够实时进行数据交互和监测，准确地提取各类有效数据和故障数据。

参考图2，集成式功率组件中，S1、S2、S3、S4、S5和S6均为IGBT元件，LH1、LH2和LH3均为电感，散热器对变流器功率组件进行散热。详细的，集成式功率组件在线监测中，作为集成式功率组件的控制部分，控制部分包括了AD采样模块、状态信号采样模块、主控芯片、CAN通讯模块、PC上位机、栅极驱动和电源，控制部分主要完成信号采样调理、控制逻辑电路、接口电路。功率组件在线监测主要由AD采样模块、状态信号采样模块、主控芯片、AD采样模块、主控芯片、CAN通讯模块和PC上位机这些部分完成。集成式组件实时通讯与线监测主要由主控芯片、CAN通讯模块和其他CAN节点完成，这里将PC上位机作为CAN节点来实现。

主控芯片采用FPGA芯片，实现模拟量数据采集、脉冲信号分配、CAN通讯等功能。CAN通讯模块主要实现CAN协议，并通过CAN总线完成与PC机这个CAN节点之间的实时数据交互，也可以在PC机上位软件上对数据进行分析和研究。

整个数据通信流程如下：

(1)、信号采样。AD采样模块完成模拟量信号调理及采样功能，采集功率组件6路IGBT元件的温度信号、直流电压、电流信号，通过信号调理电路进入AD芯片，主控芯片读取AD转换后数据。

(2)指令接收和数据准备。主控芯片FPGA先要读取主节点即PC上位机发送的通讯指令，判断指令正确后，准备发送实时数据；读取AD数据后，经过一定的处理后把数据通过SPI接口传输给CAN通讯模块，CAN通讯模块选用Microchip的MCP2515。

(3)数据发送。有效数据在CAN通讯模块经过处理后，形成标准帧数据在CAN总线上以较高波特率如1M或者500K比特率进行传输。CAN通讯模块通过CAN总线将数据传送到CAN节点MASTER端即PC上位机，可以选用CAN数据卡或者其他简易CAN转USB接口产品与PC机连接形成一个CAN主节点。

(4)在线监测。PC机作为CAN主节点接收到从CAN通讯模块发送的数据后，上位机软件对数据进行校验解析；上位机软件通过对CAN网络主节点接口卡的DLL库函数进行调用控制，接收CAN总线数据，并通过上位机软件实时还原各项数据波形，进行实时监测。

另外，在多组件同时工作的场合，各组件之间也可以互相实时通讯，接收彼此的工作状态和实时数据，已达到协同工作。主控芯片也可以根据所接受的各组件实时状态，进行控制策略的调整等。这样有利于优化变流系统的工作模式以及可靠性。图3为CAN通讯模块的实时通讯控制流程，为组件实时通讯控制流程，是以组件为从模块进行说明。另外，组件也可以成为主节点进行命令发送，接收数据等。

本方法实现对集成式功率组件的实时数据通讯，完成功率组件在线监测。集成式功率组件是变流系统主要组成部分，功率组件工作时的实时数据，尤其是IGBT各项参数，对于组件的实时控制优化及改善IGBT性能有很重要的作用；同时，实时监测和研究功率组件各项数据，对于改善功率组件性能和提升可靠性也有非常重要的作用。

以上对本发明所提供的一种集成式功率组件在线监测方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。