一种两相直流电机驱动系统结构和开路故障容错方法与流程

本发明涉及一种新型的两相直流电机驱动系统结构和开路故障容错方法。

背景技术：

两相直流电机作为一种常用的电器元件，在舰船、航空航天、汽车、机器人等领域应用的越来越广泛。两相直流电机就相当于两个绕组线圈，驱动电路是两个h桥式电路，每个h桥式电路对应一个绕组线圈，其结构如图1所示，其中包括功率场效应管q1、q2、q3、q4，直流稳压电源1、绕组线圈2、微处理器3。

直流稳压电源1提供驱动电压和功率，当打开q1和q2(即通过微处理器3的引脚给两个功率场效应管的相应引脚高电平)，同时关闭q3和q4(即通过微处理器3的引脚给两个功率场效应管的相应引脚低电平)即给绕组线圈2通某一个方向的电流，该电流首先流过q1，然后流过绕组线圈2，最后通过q2流入地；当打开q3和q4同时关闭q1和q2则给绕组通另一个方向的电流，该电流首先流过q4，然后流过线圈绕组2，最后通过q2流入地；两次通过绕组线圈2的电流方向相反，即实现了对电机的控制。在行业中，简称q1和q3构成一个“臂”，q2和q4构成一个“臂”，与中间的线圈绕组2构成一个类似h型，简称h桥式驱动电路。实际工作中，q1、绕组线圈2、q2构成一个“回”路；q4、绕组线圈2、q3构成另外一个“回”路。

传统的两相直流电机的驱动系统如图2所示，图中包括：直流稳压电源4、功率场效应管q5、q6、q7、q8、q9、q10、q11、q12、绕组线圈5、绕组线圈6、集成微处理器7。其中直流稳压电源4为系统提供所需的电压和功率，q5、q6、q9、q10、绕组线圈5构成一个h桥；q7、q8、q11、q12、绕组线圈6构成另外一个h桥。

可见电机的驱动系统中功率场效应管具有核心的作用，根据以往的经验，使用过程中可能造成功率场效应管的开路故障(即功率场效应管完全断开)，从而造成电机的工作异常；因此，电机驱动系统的可靠性也得到越来越多的重视。研制一种能够自动发现开路故障、确定失效元件的位置并快速容错的驱动系统是问题的关键所在。

公知的h桥式电机驱动系统的故障检测方法有以下几种：基于电流的检测方法、基于电压的检测方法、基于知识(专家库)的方法。容错方法主要指冗余法，即另外准备一套完全相同的系统，当正在使用的系统出现故障时，用另外一套系统替代现有系统。

该方法的缺点十分明显：

首先，电流和电压的检测需要外部匹配很多的传感器，使系统的结构复杂，另外需要非常复杂的算法进行配合，因此需要高性能的微处理器进行运算，很难做到实时处理。

其次，容错的冗余法也需要一套完全一致的驱动系统与当前系统配合使用，整个系统非常臃肿。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种新型的两相直流电机驱动系统结构和开路故障容错方法，该结构仅添加两个冗余臂，通过双向晶闸管实现选择两个冗余臂中某个功率场效应管的接入，配合采样电阻监测驱动系统工作状况。

该方法能够自动发现开路故障，确定开路故障元件的位置，并进行自动容错，保证系统的正常运行。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，

一种两相直流电机驱动系统结构，包括直流稳压电源、集成微处理器、两个h桥，每个h桥上有四个功率场效应管和一个绕组线圈；其特征在于，在每个h桥上接有一条冗余臂，每条冗余臂上都有两个功率场效应管，在每条冗余臂的两个功率场效应管的连接处均连接两个双向晶闸管，每个双向晶闸管的另一端连接一个线圈绕组的一端，所有功率场效应管、双向晶闸管分别与集成微处理器的一个引脚相连；该结构共有六条臂，每条臂的一端接直流稳压电源，另一端接一个采样电阻，采样电阻同时接地，在采样电阻和相邻功率场效应管连接处连接集成微处理器的一个引脚；集成微处理器具有ad模块，用于将模拟信号转化为数字信号，集成微处理器内部加载有确定开路故障程序。

所述的功率场效应管、双向晶闸管、采样电阻和集成微处理器均位于一块电路板上，绕组线圈位于两相直流电机的内部。

所述确定开路故障程序的程序流程是：首先两个冗余臂不工作，导通相应的“回”路，然后由集成微处理器的内部ad模块采集相应“回”路上的采样电阻上的电压值，将采集的数值与电路噪声阈值比较，如果采集的数值大于电路噪声阈值则认为该“回”路是正常工作；如果采集的数值小于电路噪声阈值，则认为该“回”路上的两个功率场效应管中的一个或者两个出现开路故障。

一种两相直流电机驱动系统开路故障容错方法，该方法使用上述的驱动系统结构，方法的工作过程是：

1)当驱动电路正常时，则相应的“回”路中有电流流过，则该“回”路中的采样电阻上的电压不为零；通过集成微处理器7内部的ad模块对正在导通的“回”路中的采样电阻上的电压进行采集，将采集到的电压与一个电路噪声阈值相比较，大于这个电路噪声阈值则认为该“回”路工作正常，即该“回”路上的两个功率场效应管正常工作；小于这个电路噪声阈值则认为该桥路工作异常，即该“回”路上的两个功率场效应管一个或两个发生了开路故障；

2)然后将一个冗余臂上的功率场效应管接入该故障回路中，冗余臂上的功率场效应管认为是能正常工作的，将其替代故障回路中的一个功率场效应管，若替代后，系统能正常工作，则认为被替代的功率场效应管发生开路故障，若替代后，系统仍不能正常工作；则认为未被替代的功率场效应管发生开路故障，被替代的功率场效应管有可能发生开路故障，然后选择将另一个冗余臂上的相应功率场效应管与之前被替代的功率场效应管构成回路，若系统正常工作，则之前被替代的功率场效应管没有发生开路故障，若系统不能正常工作，则之前被替代的功率场效应管发生开路故障，即实现容错。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

本发明在原有驱动电路的基础上只添加了较少的原件，比传统的冗余系统少一个驱动电路。同时该电路可以通过集成微处理器时刻判断回路电压自动感知故障的发生，通过控制两个冗余臂上不同功率场效应管的接入情况，自动确定故障的位置，自动进行故障的容错，能在很短的时间内就能完成容错过程，保证电机的正常工作。

附图说明

图1为一个绕组线圈的h桥驱动电路。

图2为传统两相直流电机h桥驱动电路原理图。

图3为基于容错技术的两相直流电机h桥驱动电路原理图。

图1中，1.直流稳压电源，2.绕组线圈，3.微处理器，功率场效应管q1、q2、q3、q4；

图2中，4.直流稳压电源，5.绕组线圈，6.绕组线圈，7.集成微处理器，功率场效应管q5、q6、q7、q8、q9、q10、q11、q12

图3中，4.直流稳压电源，5.绕组线圈，6.绕组线圈，7.集成微处理器，功率场效应管q5、q6、q7、q8、q9、q10、q11、q12；功率场效应管q13、q14、q15、q16；双向晶闸管d1、d2、d3、d4；采样电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

本发明直流电机驱动系统结构，包括：

直流稳压电源4；功率场效应管q5、q6、q7、q8、q9、q10、q11、q12、q13、q14、q15、q16；采样电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6；绕组线圈5和绕组线圈6；双向晶闸管d1、d2、d3、d4；集成微处理器7。

其中，双向晶闸管d1、d2、d3、d4；采样电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6；功率场效应管q13、q14、q15、q16，是新添加的少量原件。其中功率场效应管q13、q14构成1号冗余臂，功率场效应管q15和q16构成2号冗余臂。

所述的功率场效应管、双向晶闸管、采样电阻和集成微处理器均位于一块电路板上，绕组线圈位于两相直流电机的内部。

所述功率场效应管q5的漏极与直流稳压电源4的一端相连，功率场效应管q5的栅极与微处理器7的一个引脚相连，功率场效应管q5的源极和功率场效应管q6的漏极连接，且二者连接端与一个绕组线圈5的一端相连，功率场效应管q6的源极与采样电阻r1的一端相连，功率场效应管q6的栅极与微处理器7的一个引脚相连，采样电阻r1的另一端与地相连，采样电阻r1与功率场效应管q6连接端与微处理器7的一个引脚相连；

所述功率场效应管q13的漏极与直流稳压电源4的一端相连，功率场效应管q13的栅极与微处理器7的一个引脚相连，功率场效应管q13的源极和功率场效应管q14的漏极连接，q13和q14的连接端与双向晶闸管d1和d3的一端相连，功率场效应管q14的源极与采样电阻r5的一端相连，功率场效应管q14的栅极与微处理器7的一个引脚相连，采样电阻r5的另一端与地相连，采样电阻r5与功率场效应管q14连接端与微处理器7的一个引脚相连；

所述功率场效应管q9的漏极与直流稳压电源4的一端相连，功率场效应管q9的栅极与微处理器7的一个引脚相连，功率场效应管q9的源极和功率场效应管q10的漏极连接，且二者连接端与一个绕组线圈5的一端相连，功率场效应管q10的源极与采样电阻r3的一端相连，功率场效应管q10的栅极与微处理器7的一个引脚相连，采样电阻r3的另一端与地相连，采样电阻r3与功率场效应管q10连接端与微处理器7的一个引脚相连；

上述q5、q6、q9、q10、绕组线圈5构成一个h桥；

所述功率场效应管q7的漏极与直流稳压电源4的一端相连，功率场效应管q7的栅极与微处理器7的一个引脚相连，功率场效应管q7的源极和功率场效应管q8的漏极连接，且二者连接端与一个绕组线圈6的一端相连，功率场效应管q8的源极与采样电阻r2的一端相连，功率场效应管q8的栅极与微处理器7的一个引脚相连，采样电阻r2的另一端与地相连，采样电阻r2与功率场效应管q8连接端与微处理器7的一个引脚相连；

所述功率场效应管q15的漏极与直流稳压电源4的一端相连，功率场效应管q15的栅极与微处理器7的一个引脚相连，功率场效应管q15的源极和功率场效应管q16的漏极连接，q15和q16的连接端与双向晶闸管d2和d4的一端相连，功率场效应管q16的源极与采样电阻r6的一端相连，功率场效应管q16的栅极与微处理器7的一个引脚相连，采样电阻r6的另一端与地相连，采样电阻r6与功率场效应管q16连接端与微处理器7的一个引脚相连；

所述功率场效应管q11的漏极与直流稳压电源4的一端相连，功率场效应管q11的栅极与微处理器7的一个引脚相连，功率场效应管q11的源极和功率场效应管q12的漏极连接，且二者连接端与一个绕组线圈6的一端相连，功率场效应管q12的源极与采样电阻r4的一端相连，功率场效应管q12的栅极与微处理器7的一个引脚相连，采样电阻r4的另一端与地相连，采样电阻r4与功率场效应管q12连接端与微处理器7的一个引脚相连；

双向晶闸管d1的一端与q13和q14的连接点相连，另一端与绕组线圈5的一端相连，第三端与集成微处理器的一个引脚相连。

双向晶闸管d2的一端与q15和q16的连接点相连，另一端与绕组线圈5的另一端相连，同时与q9和q10的连接点相连，第三端与集成微处理器的一端相连。

双向晶闸管d3的一端与q13和q14的连接点相连，另一端与绕组线圈6的一端相连，同时与q7和q8的连接点相连，第三端与集成微处理器的一端相连。

双向晶闸管d4的一端与q15和q16的连接点相连，另一端与绕组线圈6的一端相连，同时与q11和q12的连接点相连，第三端与集成微处理器的一端相连。

确定开路故障程序的工作流程是：首先两个冗余臂不工作，导通相应的“回”路，然后由集成微处理器的内部ad模块采集相应“回”路上的采样电阻上的电压值(即导通哪一个“回”路，即对该“回”路中采样电阻进行电压采集)，将采集的数值与电路噪声阈值比较，电路噪声阈值可以设置为150毫伏(这个电路噪声阈值需要现场的实际测定，本实例中所有采样电阻的阻值均为0.06欧姆，流过的电流为4安培，因此电压为240mv，实测噪声电压为50mv左右，电路噪声阈值的设置小于采样电阻上的电压，且大于实测噪声电压，电路噪声阈值对于不同的两相直流电机，在使用前都要进行噪声电压测试)，如果大于电路噪声阈值则认为该“回”路是正常；如果采集的电压小于电路噪声阈值，则认为该“回”路上的两个功率场效应管中的一个或者两个出现开路故障。

下面以功率场效应管q5、绕组线圈5、功率场效应管q10、采样电阻r3所构成的“回”路为例，判断到底是哪一个功率场效应管发生了开路故障或者是两个都发生开路故障：先使功率场效应管q5和功率场效应管q10导通，然后用集成微处理器7的内部ad模块采集采样电阻r3上的电压，如果小于电路噪声阈值，则功率场效应管q5和功率场效应管q10必然有一个开路或者两个同时开路。到底是哪一个功率场效应管发生开路故障了呢？还是两个都发生开路故障了呢？具体方法如下，

第一步，停止所有的驱动信号，即集成微处理器的所有引脚均输出低电平。直流电机此时不工作，在短时间内解决找到所发生故障的功率场效应管，实现容错，从而保证影响最小，接通双向晶闸管d1(集成微处理器与d1连接的引脚置高电平)，使图3中功率场效应管q13、双向晶闸管d1、绕组线圈5、功率场效应管q10、采样电阻r3构成一个新的“回”路，使q13和q10导通(集成微处理器相应的引脚置高电平)，然后通过集成微处理器7的内部ad转换去采集r3上的电压，如果电压小于电路噪声阈值，则认为这个回路断开，因此q10开路故障(认为新接入的功率场效应管q13是完好的)；如果采集到的电压大于电路噪声阈值，则认为q10正常，而q5开路故障。

第二步，停止所有的驱动信号(即集成微处理器的所有引脚均输出低电平)，然后接通双向晶闸管d2(集成微处理器与d2连接的引脚置高电平)，使图3的功率场效应管q5、绕组线圈5、双向晶闸管d2、功率场效应管q16、采样电阻r6构成一个新的“回”路(新接入的功率场效应管q16是完好无损的)，使q5和q16导通(集成微处理器相应的引脚置高电平)，然后通过集成微处理器7的内部ad转换去采集r6上的电压，如果电压小于电路噪声阈值，则认为这个回路断开，q5开路故障(因为新接入的功率场效应管q16是完好的)。如果电压大于电路噪声阈值，则这个回路导通，q5没有问题，q10开路故障。

在确定开路故障的元件后，进行如下的操作：

当q10开路故障时(q5正常)，使双向晶闸管d2导通，将q16接入回路，代替已经有开路故障的q10。

当q5开路故障时(q10正常)，使双向晶闸管d1导通，将q13接入回路，代替已经有开路故障的q5。

当q5和q10均开路故障时，使双向晶闸管d1和d2均导通，将q13和q16均接入回路，代替已经有开路故障的q5和q10。

所述采样电阻的阻值均为0.06欧姆，所述功率场效应管的型号均为irf540，集成微处理器7为tms320f28335dsp控制器，集成微处理器具有ad模块，ad模块用于将模拟信号转化为数字信号，要求所选择集成微处理器的通用输入输出引脚数不少于21个，所述双向晶闸管的型号均为ks200a。在使用不同规格的两相直流电机时，需要对导通时采样电阻上的电压和断开时的噪声电压进行测量，从而确定电路噪声阈值。上述采样电阻、功率场效应管、双向晶闸管的型号和规格都一样。

本发明结构和方法的工作原理是：当相应的“回”路导通时，相应的采样电阻上流过电流，从而使采样电阻上有电压；当功率场效应管发生开路故障，则接通相应的“回”路上没有电流流过，相应的采样电阻上没有电压。通过集成微处理器的内部ad去采集采样电阻上的电压，考虑到噪声因素，设定一个电路噪声阈值，采集的电压值与这个电路噪声阈值相比较，当大于电路噪声阈值则证明有电流流过，则没有功率场效应管开路；当小于电路噪声阈值时则证明没有电流流过，则必然有功率场效应管发生开路故障。对于到底是哪一个功率场效应管发生开路故障呢？以功率场效应管q5、绕组线圈5、功率场效应管q10、采样电阻r3所构成的“回”路为例进行说明，具体过程如下，

首先停止所有的驱动信号(即单片机所有的引脚均输出低电平)，接通双向晶闸管d1，使图3中功率场效应管q13、双向晶闸管d1、功率场效应管q10、绕组线圈5、采样电阻r3构成一个新的“回”路(新接入的功率场效应管q13和采样电阻r3是完好无损的)，使q13和q10导通，然后通过集成微处理器7的内部ad转换去采集r3上的电压，如果电压小于电路噪声阈值，则认为这个回路断开，因此q10开路故障(因为新接入的功率场效应管q13是完好的)；如果采集到的电压大于电路噪声阈值，则认为q10正常，而功率场效应管5开路故障。

然后停止所有的驱动信号(即单片机所有的引脚均输出低电平)，接通双向晶闸管d2，使图3的功率场效应管q5、绕组线圈5、双向晶闸管d2、功率场效应管q16、采样电阻r6构成一个新的“回”路(新接入的功率场效应管q16和采样电阻r6是完好无损的)，使q5和q16导通，然后通过集成微处理器7的内部ad转换去采集r6上的电压，如果电压小于电路噪声阈值，则认为这个“回”路断开，功率场效应管q5开路故障(因为新接入的功率场效应管q16是完好的)。如果电压大于电路噪声阈值，则这个“回”路导通，功率场效应管5没有问题，功率场效应管10开路故障。

在确定完毕存在开路故障的元件后，进行如下的操作：

当q10开路故障时(q5正常)，使双向晶闸管d2导通，将q16接入“回”路，代替已经有开路故障的q10，完成容错。

当q5开路故障时(q10正常)，使双向晶闸管d1导通，将q13接入“回”路，代替已经有开路故障的q5，完成容错。

当q5和q10均开路故障时，使双向晶闸管d1和d2均导通，将q13和q16均接入“回”路，代替已经有开路故障的q5和q10，完成容错。

该驱动系统结构和方法，能够在第一时间发现开路故障，在1ms内确定故障的具体位置(因为集成微处理器的内部ad模块一次电阻采样的时间为500微秒)，约2ms(0.5ms用来ad转换，然后确定故障元件，最后替换，2ms内能够完成)内实现容错，保证电机的正常运行，从而使电机工作在异常状态的时间非常短。

本系统采用硬件配合简单软件算法进行故障的诊断和容错；免除了复杂的软件算法，提高了系统的工作效率；本系统在传统两相直流电机驱动系统的基础上添加了少量的冗余元件，完成了从故障定位到容错的全部工作。

本发明未述及之处适用于现有技术。