BLDC電機故障診斷系統的製作方法

2023-10-09 19:46:19

本發明涉及汽車領域，特別是涉及一種BLDC電機(無刷直流電機)故障診斷系統。

背景技術：

當代BLDC電機控制系統主要由BLDC電機、BLDC電機驅動晶片和控制器組成，各部件的狀況直接影響BLDC電機控制的效果和工作性能，為了提高BLDC電機控制的安全性，對BLDC電機控制系統各部件狀態進行及時檢測和故障診斷具有極其重要的意義。

現有的BLDC電機控制系統的故障診斷技術中存在以下幾個問題：

1)軟體診斷策略不夠完善，存在漏報風險；

2)當次駕駛循環無法修復，影響BLDC電機控制功能；

3)電流限流值和短路限制值設置不合理。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種能避免故障漏報並能實現當次駕駛循環故障修復的BLDC電機故障診斷系統。

為解決上述技術問題本發明提供的BLDC電機故障診斷系統，包括：MCU和故障診斷保護模塊；

MCU能利用中斷響應和周期任務結合故障診斷保護模塊發出的BLDC電機故障標誌位狀態診斷BLDC電機故障類型，能接收BLDC電機三相短路狀態，能通過BLDC電機故障修復標誌位以及開關BLDC電機驅動實現對BLDC電機故障修復；

故障診斷保護模塊對BLDC電機進行電流採樣，能根據BLDC電機電流採樣和BLDC電機三相短路狀態觸發故障標誌位；

其中，故障診斷保護模塊設置的BLDC電機電流限制值大於對地短路保護閾值。

其中，故障診斷保護模塊包括，控制晶片、第一～第六場效應管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、低邊採樣電阻RSENSE、第一、第二電容C1、C2電流限制埠的第一、第二分壓電阻R1、R2以及對地短路電流設置埠的第三、第四分壓電阻R3、R4；

第一～第六場效應管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的第一端分別連接控制晶片功能引腳，第一～第三場效應管Q1、Q2、Q3的第二端連接蓄電池正電源VBAT，第一～第三場效應管 Q1、Q2、Q3的第三端分別與第四～第六場效應管Q4、Q5、Q6的第二端一一對應相連並分別連接控制晶片功能引腳，第四～第六場效應管Q4、Q5、Q6的第三端通過低邊採樣電阻RSENSE接地，採樣電阻RSENSE兩端分別連接控制晶片功能引腳；

第一、第二分壓電阻R1、R2串聯，第一分壓電阻R1一端連工作電壓VCC另一端連接控制晶片功能引腳並通過第二分壓電阻R2接地，第一電容C1並聯第二分壓電阻R2兩端；

第三、第四分壓電阻R3、R4串聯，第三分壓電阻R3一端連工作電壓VCC另一端連接控制晶片功能引腳並通過第四分壓電阻R4接地，第二電容C2並聯第四分壓電阻R4兩端。

其中，故障診斷保護模塊能輸出故障標誌位1和故障標誌位2，利用故障標誌位1和故障標誌位2的組合將BLDC電機的故障劃分為：正常狀態、低負載狀態、短路狀態和邏輯過溫欠壓狀態。

其中，MUC通過故障診斷保護模塊的故障標誌位1和故障標誌位2採用以下組合識別故障：

故障標誌位1為0，故障標誌位2為0，標誌為欠壓故障；

故障標誌位1為0，故障標誌位2為0，標誌為過溫故障；

故障標誌位1為0，故障標誌位2為0，標誌為邏輯故障；

故障標誌位1為1，故障標誌位2為0，標誌為對地短路故障；

故障標誌位1為1，故障標誌位2為0，標誌為對電源短路故障；

故障標誌位1為0，故障標誌位2為1，標誌為低負載故障；

故障標誌位1為1，故障標誌位2為1，標誌為無故障。

其中，正常狀態、短路狀態、低負載狀態和邏輯過溫欠壓狀態之間的切換採用以下方式：

上電或初始化後，處於正常狀態，當故障標誌位2產生下降沿且BLDC電機三相AD值全為蓄電池電壓或對地電壓，狀態切換到短路狀態；

在短路狀態下，每隔第一預設時長驅動電機轉動第二預設時長，在預設時長內故障標誌位2沒有出現下降沿且三相電壓未發生對地短路，狀態切換到正常狀態；

在正常狀態下若故障標誌位1、故障標誌位2同時出現下降沿則切換到邏輯過溫欠 壓狀態；在邏輯過溫欠壓狀態中，故障標誌位1、故障標誌位2任意一個出現上升沿，則換到正常狀態；

在正常狀態下，故障標誌位1出現下降沿則切換為低負載狀態，故障診斷保護模塊對該狀態不進行處理和切換。

其中，MCU通過周期任務執行以下BLDC電機故障修複流程；

診斷BLDC電機當前是否有故障，若無故障，打開BLDC電機驅動級，將BLDC電機故障未修復標誌位置1，否則每隔第一預設時長檢測BLDC電機是否發生故障；

診斷BLDC電機故障未修復標誌位是否被置1即電機驅動第二預設時長是否完成，若完成將該標誌位清零，BLDC電機故障未修復標誌位被置1，關閉BLDC電機驅動級，計數器清零；

上述診斷BLDC電機故障未修復標誌位是否被置1的步驟每循環一次，計數器加1，通過計數器判斷是否累加到第一預設時長的時間，若達到第一預設時長打開BLDC電機驅動級，獲取電機當前的位置或轉向，確定修復時電機的轉向；若當前位置與正轉止點夾角小於等於102°，驅動電機反方向轉動，否則驅動電機正方向轉動；

若此時累加的時間不等於第一預設時長，直接判斷當前累加時間是否等於第三預設時長，當前累加時間等於第三預設時長則將故障未修復標誌位置1，否則結束否則結束該次BLDC電機故障修復循環；

第三預設時長＝第一預設時長+第二預設時長。

其中，第一預設時長為2秒～300秒，第二預設時長為10毫秒～40毫秒。

優選，第一預設時長為2秒，第二預設時長為30毫秒。

本發明對BLDC電機控制的安全性能做了雙重設計保護：

1、當發生了過流或短路時，首先是硬體電路會啟動保護功能，觸發並設置故障信號標誌位，由硬體關閉驅動級，保護整個控制系統；

2、其次，軟體再進行故障診斷，並且再次由軟體關閉驅動級，利用中斷響應獲取有故障產生的信息；在周期任務中分析故障類型並報出，兩方面進行BLDC故障處理，降低漏報和誤報概率，以定位到故障的具體原因並保存數據，為後續開發積累數據，為售後維護提供便利；

3、發生故障後，當次駕駛循環中每隔預設時長檢測一次故障是否有修復，若已修 復，整個控制系統恢復正常控制，不會因產生一次故障而放棄當次駕駛循環的控制，以提高整個控制器的優越性和經濟性。

附圖說明

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明：

圖1是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖一。

圖2是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖二。

圖3是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖三。

圖4是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖四。

圖5是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖五。

圖6是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖六。

圖7是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖七。

圖8是本發明BLDC電機故障診斷系統示意圖八。

具體實施方式

如圖1結合圖2所示，本發明提供一種BLDC電機故障診斷系統，包括：MCU和故障診斷保護模塊；MCU能利用中斷響應和周期任務結合故障診斷保護模塊發出的BLDC電機故障標誌位狀態診斷BLDC電機故障類型，能接收BLDC電機三相短路狀態，能通過BLDC電機故障修復標誌位以及開關BLDC電機驅動實現對BLDC電機故障修復；

故障診斷保護模塊對BLDC電機進行電流採樣，能根據BLDC電機電流採樣和BLDC電機三相短路狀態觸發故障標誌位；故障診斷保護模塊設置的BLDC電機電流限制值大於對地短路保護閾值。

故障診斷保護模塊包括，控制晶片(本實施例採用AllegroA3930K)、第一～第六場效應管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、低邊採樣電阻RSENSE、第一、第二電容C1、C2電流限制埠的第一、第二分壓電阻R1、R2以及對地短路電流設置埠的第三、第四分壓電阻R3、R4；

第一～第六場效應管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的第一端1分別連接控制晶片SC相高邊場效應管柵極驅動端(引腳32)、SB相高邊場效應管柵極驅動端(引腳29)、SA相高邊場效應管柵極驅動端(引腳26)、SA相低邊場效應管柵極驅動端(引腳36)、SB相低邊場效應管柵極驅動端(引腳35)、SC相低邊場效應管柵極驅動端(引腳34)；

第一～第三場效應管Q1、Q2、Q3的第二端2連接蓄電池正電源VBAT，第一～第三場效應管Q1、Q2、Q3的第三端3分別與第四～第六場效應管Q4、Q5、Q6的第二端2一一對應相連並分別連接控制晶片SA相(引腳31)、SB相(引腳28)、SC相(引腳25)，第四～第六場效應管Q4、Q5、Q6的第三端3通過低邊採樣電阻RSENSE接地，採樣電阻RSENSE兩端分別連接控制晶片低邊電流採樣電阻端(引腳22)、低邊電流採樣電阻對地參考端(引腳21)；第一、第二分壓電阻R1、R2串聯，第一分壓電阻R1一端連工作電壓VCC另一端連接控制晶片電流限制值設置埠(引腳20)並通過第二分壓電阻R2接地，第一電容C1並聯第二分壓電阻R2兩端；

第三、第四分壓電阻R3、R4串聯，第三分壓電阻R3一端連工作電壓VCC另一端連接控制晶片對地短路電流設置埠(引腳23)並通過第四分壓電阻R4接地，第二電容C2並聯第四分壓電阻R4兩端。

其中，障診斷保護模塊設置的BLDC電機電流限制值大於對地短路保護閾值，本申請舉一實施例，用於說明其原理：三相對地短路的電流值Ishort＝V/R＝9v/30.67mΩ＝293A

其中，V為BLDC電機驅動的最小電壓，R為BLDC電機的繞阻阻值。

由於290A的電流值太大，一方面做了電流限制的處理，一方面做了短路保護的處理。

當VDS的值大於VDSTH的值時，VDS為場效應管的導通兩端的壓差，控制晶片A3930K晶片即會啟動短路保護功能，關閉驅動級。

VDSTH為圖1中對地短路電流設置埠的電壓值

VDS電壓計算公式為：VDS＝I PROTECT*RDSON 公式1

其中，IPROTECT為保護電流，RDSON為場效應管導通阻抗，為2mΩ。

通過實測發現在本發明中電機啟動電流或所需的最大電流為90A，因此將短路保護的電流值IPROTECT設為100A。

由公式1得出：VDS＝100A*2mΩ＝0.2V；

因此VDSTH的電壓值應設置為小於0.2V。

電流限制值的計算公式：Itrip＝(VREF–VOOS)/(AV*RSENSE)＝(VREF-0.32V)/(19*1.5m)

其中，VREF為電流限制值設置埠的電壓；VOOS為A3930K晶片的偏置電壓320mV；

AV為A3930K晶片的放大倍數，值為19；RSENSE為採樣電阻阻值，為1.5mΩ。

由此得出：Itrip＝(VREF-0.32V)/(19*1.5mΩ) 公式2

通過上面的計算可知短路電流保護閾值為100A，並且限制的電流值需大於短路保護閾值否則無法報出短路故障，因此將限制的電流值設為110A。

則由公式2得出：Itrip＝(VREF-0.32V)/(19*1.5mΩ)＝110A

計算得到：VREF＝3.46V。

由此可知，為了不影響對地短路保護及故障診斷功能，VREF電壓值必須大於等於3.46V

如圖1結合圖3所示，故障診斷保護模塊能輸出故障標誌位1和故障標誌位2，利用故障標誌位1和故障標誌位2的組合將BLDC電機的故障劃分為：正常狀態、低負載狀態、短路狀態和邏輯過溫欠壓狀態。

控制晶片A3930K的故障標誌位1(FF1)埠與MCU的IRQ13埠連接，故障標誌位2(FF2)埠與MCU的IRQ12埠連接，RSENSE電流採樣埠與MCU的AD21埠連接，MCU的AD23、AD24、AD25連接到A3930K晶片的三相引腳，輔助診斷三相短路故障。MUC通過故障診斷保護模塊的故障標誌位1(FF1)和故障標誌位2(FF2)採用以下組合識別故障：

故障標誌位1為0，故障標誌位2為0，標誌為欠壓故障；

故障標誌位1為0，故障標誌位2為0，標誌為過溫故障；

故障標誌位1為0，故障標誌位2為0，標誌為邏輯故障；

故障標誌位1為1，故障標誌位2為0，標誌為對地短路故障；

故障標誌位1為1，故障標誌位2為0，標誌為對電源短路故障；

故障標誌位1為0，故障標誌位2為1，標誌為低負載故障；

故障標誌位1為1，故障標誌位2為1，標誌為無故障。

正常狀態、短路狀態、低負載狀態和邏輯過溫欠壓狀態之間的切換採用以下方式：

上電或初始化後，處於正常狀態，當故障標誌位2產生下降沿且三相且BLDC電機三相AD值全為蓄電池電壓或對地電壓，狀態切換到短路狀態；

在短路狀態下，每隔第一預設時長(2秒)驅動電機轉動第二預設時長(30毫秒)，在預設時長內故障標誌位2沒有出現下降沿且三相電壓未發生對地短路，狀態切換到正 常狀態；

第一預設時長為2秒～300秒，第二預設時長為10毫秒～40毫秒；本實施例以第一預設時長為2秒，第二預設時長為30毫秒為例。

在正常狀態下若故障標誌位1、故障標誌位2同時出現下降沿則切換到邏輯過溫欠壓狀態；在邏輯過溫欠壓狀態中，故障標誌位1、故障標誌位2任意一個出現上升沿，則換到正常狀態；

在正常狀態下，故障標誌位1出現下降沿則切換為低負載狀態，故障診斷保護模塊對該狀態不進行處理和切換。

如圖4所示，圖4是FF1、FF2同時發生下降沿的故障時序示意圖。以溫欠壓故障為例說明FF1、FF2同時出現下降沿時的故障診斷。

FF1、FF2為控制晶片故障輸出引腳狀態即故障標誌位1、故障標誌位2，H1、H2、H3為三個霍爾信號，Logic Flag:為邏輯故障標誌位，Over Temp/Under voltage Flag為過溫/欠壓標誌位，Fault status為故障狀態

故障確認：因霍爾邏輯故障不需要FF1、FF2支持即可診斷，若FF1、FF2同時出現下降沿且沒有邏輯故障則確認產生了過溫/欠壓故障。

故障修復：FF1、FF2隻要有一個發生了上升沿即認為故障修復，狀態遷移到正常狀態，具體過程如下：

假設在T1時刻H1發生了開路，因有上拉，H1保持常高；

在T2時刻發生了邏輯故障，FF1、FF2同時產生下降沿，同時Logic Flag置1，故障狀態由「正常狀態」遷移到「邏輯過溫欠壓」狀態，在下一次換相時，FF1、FF2被清除；

在T3時刻發生了邏輯故障故障修復，Logic Flag被置0，但故障狀態需到下一個周期任務中處理，即T4時刻；

在T4時刻周期任務中，檢測到沒有霍爾故障且沒有過溫/欠壓故障，將狀態遷移到「正常狀態」

T5時刻，在沒有邏輯故障的狀態下FF1、FF2同時發生了下降沿，確認產生了過溫/欠壓狀態，將Over Temp/Under voltage Flag置1，同時將故障狀態遷移到「邏輯過溫欠壓狀態」

T6時刻，FF1、FF2產生上升沿，過溫/欠壓故障修復，將Over Temp/Under voltage Flag置0，同時將故障狀態遷移到「正常狀態」

如圖5、圖6和圖7所示，以短路故障為例說明FF2出現下降沿時的故障診斷及修復。

故障確認：FF2發生下降沿且獲取UA、UB、UC當前埠電壓。

若三相都小於0.15v，確認三相對地短路；

若三相都大於等於當前供電電壓，確認三相對電源短路；

若連續檢測三次均未檢測到以上兩種狀態，則認為沒有故障；

若三次中任意一次檢測到以上其中一種狀態，故障確認完成，並結束本次診斷；

若檢測到短路故障，狀態由「正常狀態」遷移到「短路狀態」。

故障修復：每2s驅動一次電機運轉30ms，在驅動過程中FF2沒有產生下降沿且三相電壓正常，則故障修復。若故障修復，故障狀態遷移到「正常狀態」

圖5為三相對地短路故障診斷失敗時序示意圖，診斷步驟如下：

UA、UB、UC為三相輸出電壓，Enable Diag Flag為啟動短路診斷使能標誌位，Diag Count為短路診斷計數器，AD Detect為獲取三相UA、UB、UC的電壓值，Short GND Flag為對地短路故障標誌位，Fault Status故障狀態，Period Task為10ms的周期任務。

a、假設在T1時刻三相發生了對地短路，FF2產生下降沿，將Enable Diag Flag置1；

b、T2時刻，Diag Count加1，周期任務中獲取UA、UB、UC三相埠電壓，若電壓值不全都小於等於0.15v，Short GND Flag值不變；

c、T3時刻與T2時刻處理一致；

d、T4時刻與T2時刻處理一致；

e、T5時刻，檢測到Diag Count值為3且電壓值不全都小於等於0.15v，則本次診斷結束且沒有故障，將Enable Diag Flag置0。

如圖6所示為三相對地故障診斷成功時序示意圖。UA、UB、UC為三相輸出電壓，Enable Diag Flag為啟動短路診斷使能標誌位，Diag Count為短路診斷計數器，AD Detect為獲取三相UA、UB、UC的電壓值，Short GND Flag為對地短路故障標誌位，Fault Status故障狀態，COAST：coast引腳狀態,Period Task為10ms的周期任務。

a1、假設在T1時刻三相發生了對地短路，FF2產生下降沿，將Enable Diag Flag置1；

b1、T2時刻，Diag Count加1，周期任務中獲取UA、UB、UC三相埠電壓；

c1、T3時刻，若電壓值全都小於等於0.15v，將Short GND Flag值置1，故障狀態由「正常狀態」遷移到「短路狀態」，同時將COAST引腳拉低

圖7所示為對地短路故障修復時序示意圖。

a3、T1時刻，將COAST引腳拉高，同時將Interrupt Flag置1，此時故障未清除，FF2產生下降沿；

b2、T2時刻，Interrupt Flag被置0，說明FF2有上升沿產生；

c2、T3時刻，將COAST拉低，等待下次修復；

d2、T4時刻，將COAST引腳拉高，同時將Interrupt Flag置1，此時故障清除，FF2沒有跳變沿；

e2、T5時刻，將Short GND Flag置0，故障狀態由「短路狀態」遷移到「正常狀態」。

如圖8所示，MCU通過周期任務執行以下BLDC電機故障修複流程，故障修復原理請參考圖7說明。

診斷BLDC電機當前是否有故障，若無故障，打開BLDC電機驅動級，將BLDC電機故障未修復標誌位置1，否則每隔第一預設時長檢測BLDC電機是否發生故障；

診斷BLDC電機故障未修復標誌位是否被置1即電機驅動30毫秒是否完成，若完成將該標誌位清零，BLDC電機故障未修復標誌位被置1，關閉BLDC電機驅動級，計數器清零；

上述診斷BLDC電機故障未修復標誌位是否被置1的步驟每循環一次，計數器加1，通過計數器判斷是否累加到第一預設時長的時間，若達到第一預設時長打開BLDC電機驅動級，獲取電機當前的位置或轉向，確定修復時電機的轉向；若當前位置與正轉止點夾角小於等於102°，驅動電機反方向轉動，否則驅動電機正方向轉動；

若此時累加的時間不等於第一預設時長，直接判斷當前累加時間是否等於第三預設時長，當前累加時間等於第三預設時長則將故障未修復標誌位置1，否則結束否則結束該次BLDC電機故障修復循環；

第三預設時長＝第一預設時長+第二預設時長。

以上通過具體實施方式和實施例對本發明進行了詳細的說明，但這些並非構成對本發明的限制。在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發明的保護範圍。