一种用于励磁线圈控制场景下的MOSFET开路及短路检测装置及方法

一种用于励磁线圈控制场景下的mosfet开路及短路检测装置及方法
技术领域
1.本发明涉及发电机励磁线圈控制技术领域，特别涉及一种用于励磁线圈控制场景下的mosfet开路及短路检测装置及方法。


背景技术：

2.在发电机励磁控制系统中，微控制器(mcu)通过输出pwm控制功率mosfet开通和关断实现控制发电机励磁线圈电流大小、维持发电机输出电压稳定目的，因此功率mosfet快速且可靠的故障检测十分重要，可防止由功率mosfet损坏导致发电机输出停机或输出过高失去控制等现象。
3.目前，mosfet故障检测办法分为不带电检测和带电检测两种方式。传统的mosfet检测方式是不带电检测，其操作方法是使用数字万用表二极管档位测量mosfet各引脚间状态进行判断，这种方式需要操作人员首先将mosfet所在的板卡断电，然后再进行检测，该方法仅适用于板卡出厂检测环节，不适用于一些实时在线检测场景，且检测流程操作复杂，增加了人员工作量。专利cn106199369a：一种or-ing msofet故障在线检测的方法及系统中提出了一种or-ing场景下mosfet带电检测的方法及系统：将or-ing mosfet栅极驱动关闭，检测v
d-s
，将v
d-s
与预设故障门限电压比较，判断是否产生中断，如果产生中断，则在触发定时器开始计时，否则mcu进行mosfet失效报警，同时mosfet驱动开启；mosfet驱动关闭持续时间到时后，栅极驱动重新开启，v
d-s
小于100mv,电平翻转触发mcu外部中断，定时器结束计时；判断定时器计数时间是否大于mosfet驱动关闭持续时间的一半，若是，mcu上报mosfet正常，否则进行新一轮的检测。该方法实现了or-ing场景下mosfet器件带电检测，减小了维护人员的工作量，降低了维护成本，但是该方法比较依赖于工程师经验值来设定用于比较的故障门限电压，对于不同型号的mosfet以及mosfet后级连接的负载不同都会导致故障门限电压值不同，缺乏灵活性；并且该方法检测mosfet故障状态需要停机检测，即暂停mosfet正常工作状态，使用特殊软件程序检测，因此该方法可以带电检测，但不能实现连续检测。
4.有鉴于此，急需一种方便、可靠的mosfet开路及短路检测装置方法，克服现有mosfet故障检测方法工作量大、灵活性差、实时性不强等不足，以提高发电机励磁线圈控制系统的可靠性和安全性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种方便可靠的、用于发电机励磁线圈控制场景下的mosfet开路及短路故障检测装置及方法，克服不能带电检测、工作量大、灵活性差、不能连续检测等困难，以提高发电机励磁线圈控制的安全性和可靠性。
6.本发明的技术方案：一种励磁线圈控制场景下mosfet开路及短路检测装置，包括mcu模块、mosfet驱动模块和故障检测模块；mcu模块用于进行励磁决策输出合适占空比的pwm以及根据pwm输出反馈信号和故障检测模块输出信号进行故障分析并报警；
7.mcu模块包括3路gpio引脚、1路定时器tim2资源引脚和1路定时器tim1资源引脚；定时器tim2资源引脚配置为pwm输出模式，用于输出控制mosfet驱动模块开通和关断的pwm，本技术方案中预设pwm周期为500hz，占空比为30％；定时器tim1资源引脚配置为输入捕获模式，下降沿触发中断，用于监控故障检测模块输出的励磁信号是否触发中断，并在tim1中断函数中进行故障分析和报警；3路gpio引脚配置为输入模式，分别用于在tim1中断函数中检测pwm输出反馈信号、励磁线圈供电状态信号和mosfet驱动芯片供电状态信号；
8.mosfet驱动模块包括光耦、mosfet驱动芯片和功率mosfet；mcu模块的定时器tim2资源引脚输出的pwm经过光耦隔离进入mosfet驱动芯片，然后驱动功率mosfet导通和关断，实现控制后级励磁线圈电流大小、维持发电机输出电压稳定；mosfet驱动模块中pwm反馈输出至mcu模块的其中一路gpio引脚；mosfet驱动模块中的光耦起到隔离作用，防止后级电路影响前级电路；mosfet驱动芯片起增强驱动能力的作用，将mcu模块输出的弱pwm信号放大至能驱动功率mosfet的强pwm信号；
9.故障检测模块包括3路数字量输入电路、3个光耦和异或门逻辑电路；数字量输入电路和光耦用于检测mosfet工作时各部分状态并分别通过光耦输出至mcu模块和逻辑门电路；逻辑门电路用于信号逻辑变换并输出至mcu模块用于故障诊断；三路数字量输入电路分别实时采集励磁线圈供电信号、驱动芯片供电信号、励磁线圈两端信号；励磁线圈供电信号包括线圈供电 和线圈供电-；驱动芯片供电信号包括驱动芯片供电 和驱动芯片供电-；励磁线圈两端信号包括lc_110v和lc_out；励磁线圈供电信号和mosfet驱动芯片供电状态信号分别通过光耦输出为lc_pwrok_110v信号和lc_pwrok_12v信号，然后连接到mcu模块的另外两路gpio引脚；励磁线圈两端信号经过光耦输出为lc_on信号，然后与pwm输出信号同时进入异或逻辑门电路输出为lc_on_1信号，即
[0010][0011]
最后lc_on_1信号连接到mcu模块的定时器tim1资源引脚上。
[0012]
使用励磁线圈控制场景下mosfet开路及短路检测装置的mosfet开路及短路检测方法，具体包括以下步骤：
[0013]
s1，mcu模块初始化，配置定时器tim2为pwm输出模式；配置定时器tim1为输入捕获模式；配置3路gpio引脚为输入模式；
[0014]
s2，功率mosfet处于正常工作状态，mcu模块输出pwm经过光耦和mosfet驱动芯片控制功率mosfet周期性开通和关断；
[0015]
s3，判断定时器tim1是否触发中断，当存在tim1中断时，转步骤s4；否则转步骤s2；
[0016]
s4，判断定时器tim1触发中断是否为励磁线圈信号连接引脚输入捕获中断，判定为是的时候，转步骤s5，否则转步骤s2；
[0017]
s5，判断mcu模块中的pwm输出反馈的gpio引脚的电平是否为高电平，是高电平转步骤s6，否则转步骤s8；
[0018]
s6，判断mcu模块对应励磁线圈供电状态和驱动芯片供电状态的两个gpio引脚的电平是否均为低电平，均为低电平时转步骤s7，否则转步骤s9；
[0019]
s7，mosfet驱动模块的开路状态为开始计数，当mosfet驱动模块的开路状态持续1s后，mcu模块进行mosfet驱动模块开路报警并转步骤s9；
[0020]
s8，mosfet驱动模块的短路状态为开始计数，当mosfet驱动模块的短路状态持续
200ms后，mcu模块进行mosfet短路报警并转步骤s9；
[0021]
s9，清除定时器tim1输入捕获中断挂起位，为下一次中断做准备，转步骤s2。
[0022]
本发明的有益效果：本发明提供了一种励磁线圈控制场景下mosfet开路及短路检测装置及方法，对正常工作状态下的mosfet进行带电检测和连续检测，在不影响其正常运行的情况下，采集mosfet相关信号，实时分析故障是否发生以及发生故障类型。该方法具有带电检测和连续检测的特点，减小了现场维护人员的工作量，能够快速地对故障情况进行报警，提高发电机励磁控制系统的可靠性和安全性。
附图说明
[0023]
图1是本发明实施例的励磁线圈控制场景下mosfet开路及短路检测装置组成框图；
[0024]
图2是本发明实施例的mosfet开路及短路检测方法流程图；
[0025]
图3是本发明实施例的mosfet工作状态和故障状态时的信号波形图，(a)为功率mosfet正常工作状态下pwm输出信号、lc_on信号以及lc_on_1信号的对比波形图；(b)为功率mosfet断路情况/无励磁线圈供电情况/无驱动芯片供电情况下pwm输出信号、lc_on信号以及lc_on_1信号的对比波形图；(c)为功率mosfet短路情况下pwm输出信号、lc_on信号以及lc_on_1信号的对比波形图。
具体实施方式
[0026]
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作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
本发明实施例提供了一种励磁线圈控制场景下mosfet开路及短路检测装置，如图1所示为mosfet开路及短路检测装置详细组成框图，包括mcu模块、mosfet驱动模块、故障检测模块三部分。
[0028]
mcu模块使用的资源包括3路通用gpio引脚、1路定时器tim2资源引脚以及1路定时器tim1资源引脚。定时器tim2资源引脚配置为pwm输出模式，用于输出控制mosfet驱动模块开通和关断的pwm，周期为500hz，占空比为30％。定时器tim1资源引脚配置为输入捕获模式，下降沿触发中断，用于监控故障检测模块输出的励磁信号是否触发中断，并在tim1中断函数中进行故障分析和报警。3路gpio引脚配置为输入模式，分别用于在tim1中断函数中检测pwm输出反馈信号、励磁线圈供电状态信号和mosfet驱动芯片供电状态信号，协助故障分析。
[0029]
mosfet驱动模块包括光耦、mosfet驱动芯片和功率mosfet。mcu模块定时器tim2引脚输出的pwm经过光耦隔离进入mosfet驱动芯片，然后驱动功率mosfet导通和关断，实现控制后级励磁线圈电流大小、维持发电机输出电压稳定目的。其中光耦起到隔离作用，防止后级电路影响前级电路。驱动芯片起增强驱动能力的作用，将mcu模块输出的弱pwm信号放大至能够驱动功率mosfet的强pwm信号。
[0030]
故障检测模块包括3路数字量输入电路、3个光耦和1个异或门逻辑电路。三路数字
量输入电路分别实时采集励磁线圈供电信号，分别是线圈供电 和线圈供电-、驱动芯片供电信号包括驱动芯片供电 和驱动芯片供电-、以及励磁线圈两端信号包括lc_110v和lc_out，励磁线圈供电信号和驱动芯片供电信号分别通过光耦输出为lc_pwrok_110v信号和lc_pwrok_12v信号，然后连接到mcu模块的gpio引脚，而励磁线圈两端信号经过光耦输出为lc_on信号，然后与pwm输出信号同时进入异或逻辑门电路输出为lc_on_1信号，即
[0031][0032]
最后lc_on_1信号连接到mcu模块的定时器tim1引脚上。
[0033]
本发明实施例提供的mosfet开路及短路检测方法的实现原理是：当在励磁线圈控制系统中作为“开关”的功率mosfet处于正常工作状态下时，mcu模块不会触发中断响应。mosfet驱动模块正常工作状态是指励磁线圈供电正常、驱动芯片供电正常以及功率mosfet正常情况下，mcu模块输出一定周期和一定占空比的pwm驱动功率mosfet通断。如果当故障检测模块输出的lc_on_1信号触发了mcu模块定时器tim1引脚的输入捕获下降沿中断时，在tim1中断函数中读取励磁线圈供电信号、驱动芯片供电信号以及pwm输出反馈信号对应的mcu模块gpio引脚电平状态，分析mosfet故障信息并报警。
[0034]
如图2所示，本发明提供了一种基于上述检测装置的mosfet开路及短路检测方法的流程图，具体包括以下步骤：
[0035]
s1，mcu模块初始化；配置3路gpio引脚为输入模式，配置定时器tim2为pwm输出模式，本技术方案中预设pwm周期为500hz，占空比为30％；配置与lc_on_1信号相连的定时器tim1引脚为输入捕获模式、下降沿触发中断，并且需要配置输入模式的采样频率及数字滤波器带宽；
[0036]
其中，lc_on_1信号对应引脚为mcu模块定时器tim1的ch3通道，且定时器tim1挂载在mcu模块时钟树的apb2总线上，apb2定时器时钟频率最大为168mhz，则apb2总线不降频情况下，计算输入捕获滤波器最大滤波长度为：
[0037]
t
filter
＝1/(apb2timerclocks/tim_ckd_div/tim_icfilter)
[0038]
t
filter
＝1/(168mhz/4/(32*8))≈6.096us
[0039]
apb2timerclocks为apb2定时器时钟最大频率，tim_ckd_div为输入捕获滤波器的采样时钟与定时器时钟的分频比；tim_icfilter为输入捕获滤波器的采样频率。
[0040]
如图3中的(a)所示为功率mosfet正常工作状态下pwm输出信号、lc_on信号以及lc_on_1信号的对比波形图。由于lc_on信号的传输路径包含光耦，其波形上升沿和下降沿相对于pwm输出信号会有不同程度边沿退化，因此异或逻辑门输出表现为lc_on_1信号一个周期内存在两个下降沿且实际测量最大低电平长度为30us。为了使正常工作状态下定时器tim1不进入输入捕获中断，因此需要合理配置定时器输入滤波器。由上式可知，当apb2时钟频率为168mhz时，输入滤波器长度最大为6.096us，因此要根据实际波形情况合理增加输入捕获滤波器滤波长度，即需要对apb2总线降频，本发明实施例中将apb2总线时钟降为10.5mhz，即apb2定时器时钟为21mhz，则输入滤波器长度为48.7us》30us，且远远小于pwm死区时间，符合要求。
[0041]
如图3(b)所示为功率mosfet断路情况/无励磁线圈供电情况/无驱动芯片供电情况下pwm输出信号、lc_on信号以及lc_on_1信号的对比波形图。由图3中(b)所示可知，当功率mosfet发生断路或无励磁线圈供电或无驱动芯片供电三种情况之一时，lc_on_1信号会
出现下降沿，且低电平长度大于输入滤波器长度，因此会触发mcu模块定时器tim1输入捕获中断，在中断函数中进行故障分析诊断。
[0042]
如图3中的(c)所示为功率mosfet短路情况下pwm输出信号、lc_on信号以及lc_on_1信号的对比波形图。由图可知，当功率mosfet发生短路时，lc_on_1会出现下降沿，且低电平长度大于输入滤波器长度，因此会触发mcu模块定时器tim1输入捕获中断，在中断函数中进行故障分析诊断；
[0043]
s2，功率mosfet处于正常工作状态；在本技术方案中，mcu模块通过定时器tim2的pwm模式输出预设周期为500hz、占空比为30％的pwm至光耦，经过光耦的pwm再通过驱动芯片控制mosfet周期性开通和关断；
[0044]
s3，判断定时器tim1是否触发中断，若存在定时器tim1中断，转s4；否则转s2；
[0045]
s4，判断定时器tim1触发中断是否为lc_on_1信号连接引脚输入捕获中断，若是，转s5，否则转s2；
[0046]
s5，判断mcu模块pwm输出反馈gpio引脚的电平是否为高电平，若是转s6，否则转s8；
[0047]
s6，判断mcu模块对应励磁线圈供电状态和驱动芯片供电状态的两个gpio引脚的电平均为低电平，若是转s7，否则转s9；
[0048]
s7，mosfet开路状态位开始计数，当mosfet开路状态持续1s后，mcu模块进行mosfet开路报警，如果1s内开路状态中断，则需重新计数。使用1s作为mosfet开路状态持续检测时间是为了避免静电、电磁脉冲等干扰导致误触发情况，使得检测具有可靠性。mcu模块进行mosfet驱动模块开路报警并转s9；
[0049]
s8，mosfet短路状态为开始计数，当mosfet短路状态持续200ms后，mcu模块进行mosfet短路报警，如果200ms内短路状态中断，则需重新计数。使用200ms作为短路状态持续检测时间是为了避免扰动等情况导致误触发，相对于开路状态持续检测时间短是因为mosfet短路造成的影响比开路造成的影响要大的多，mcu模块进行mosfet短路报警并转s9；
[0050]
s9，清除定时器tim1输入捕获中断挂起位，为下一次中断做准备。转s2。
[0051]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。