一种两相直流电机驱动系统结构和开路故障容错方法技术方案

本发明专利技术为一种两相直流电机驱动系统结构和开路故障容错方法，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；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；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。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。

A Two-Phase DC Motor Driving System Structure and Open-Circuit Fault Tolerance Method

【技术实现步骤摘要】
一种两相直流电机驱动系统结构和开路故障容错方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术有益效果在于：本专利技术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专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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；集成微处理器内部加载有确定开路故障程序。

【技术特征摘要】
1.一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；集成微处理器内部加载有确定开路故障程序。2.根据权利要求1所述的两相直流电机驱动系统结构，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的两相直流电机驱动系统结构，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：万峰，肖艳军，张鹏，彭凯，刘仁杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12