以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路及方法与流程

1.本发明涉及开关故障诊断技术领域，特别涉及一种以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路及方法。


背景技术：

2.目前的开关故障诊断方法通常是以电感电流为特征量进行故障诊断。
3.若直接选取输入端电感电流i
l1
为判断故障的特征参数，将pwm信号作为判断故障的辅助参考信号，提取输入端电流i
l1
采样信号经微分电路得到电流一阶导数值d，将d经符号函数sgn(x)处理，若输入电流增大得到输出值为“ 1”，若减小得到输出值为
“‑
1”，设计出如图1所示故障诊断电路。
4.开关管发生短路故障的实质为：给与开关管关断信号却没有关断，如图2所示，取开关管信号q'＝q-0.5，当sgn(q')＜0时表示开关管理论上应当关断，输入端电感电流却异常增大，符号函数输出值为“ 1”，此种情况下，开关管控制信号与输入端电流i
l1
的一阶导数经sgn(x)处理后二者并不相同，生成故障信号e，经逻辑关系处理后，判断为短路故障，生成短路故障信号es(1)，为避免误诊断，加入计数器进行进一步确认，计数器counter计数一次，经若干周期后，计数器的计数值达到阈值则代表开关管发生短路故障。
5.与短路故障类似，如图3所示，开关管发生开路故障时，给与开关管开通信号却没有真正意义上开通，此时sgn(q')＞0，输入端电流i
l1
却因为开关管常关而不断减小，它的一阶离散导数经符号函数处理后输出为
“‑
1”，二者信号符号不同时的输出记为故障信号e，经逻辑关系处理后，判断为断路故障，生成断路故障eo(1)，经历若干周期后，计数器累积达到阈值，代表电路中开关管发生开路故障。由于采用熔断器隔离故障，当短路故障信号出现后出现开路故障信号，则说明开关管短路故障已经被隔离。
6.可以发现，当开关管信号与电流一阶导数值符号相同时表明无故障发生，故障信号输出为0，若符号不同则表明存在故障，故障信号输出为1。将故障信号再次与开关管信号相比较，二者相同则表明发生开路故障，开路故障信号eo(n)生成，计数器计数，达到阈值后可确定电路发生了开路故障，逻辑函数如式1与2所示：
[0007][0008][0009]
可以得到开关管故障诊断逻辑表，如表1所示：
[0010][0011]
表1 开关管故障诊断逻辑
[0012]
上述开关管故障诊断方法存在以下缺陷：
[0013]
上述诊断方法是在假设开关电源由理想元件组成的基础上建立的，由于真实电路采用非理想器件，功率开关管的开通与关断必然存在一定的延迟或死区时间，如图4所示，在延迟或死区时间内，电感电流的变化与开关管不同步，会产生错误的故障诊断信号，最终导致误诊断。


技术实现要素：

[0014]
本发明的主要目的在于提出一种以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路及方法，旨在通过简单的模拟电路搭建故障诊断电路，使得故障诊断延时时间与硬件延时时间一致，避免硬件延时产生的误诊断。
[0015]
为实现上述目的，本发明提供了一种以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路，所述开关故障包括短路故障和开路故障，所述开关故障诊断电路包括依次连接的特征量提取电路、特征量微分处理电路以及故障识别电路，所述特征量提取电路为峰值检测电路或谷值检测电路，所述峰值检测电路用于在发生短路故障时提取电流峰值特征量，所述谷值检测电路用于在发生开路故障时提取电流谷值特征量，所述特征量微分处理电路用于对所述电流峰值特征量或电流谷值特征量进行微分处理得到峰值电流或谷值电流的实际微分值，所述故障识别电路用于根据所述峰值电流或谷值电流的实际微分值得到电路异常信号、短路故障信号或开路故障信号。
[0016]
本发明进一步的技术方案是，所述峰值检测电路包括运放a1、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电阻r1、电阻r2、电容c1和运放a2，所述运放a1的引脚1连接电流采样电路，所述运放a1的引脚2分别与所述二极管d3的正极、所述电阻r1的一端连接，所述运放a1的引脚3分别与所述二极管d3的负极、所述二极管d2的正极连接，所述二极管d2的负极分别与所述电阻r2的一端、所述二极管d1的正极连接，所述电阻r1的另一端分别与所述电阻r2的另一端、所述运放a2的引脚2、所述运放a2的引脚3连接，所述二极管d1的负极分别与所述电容c1的一端、所述运放a2的引脚1连接，所述电容c1的另一端接地。
[0017]
本发明进一步的技术方案是，所述特征量微分处理电路包括电阻r0、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、运放a3、运放a4和运放comp；
[0018]
所述电阻r0的一端连接所述运放a2的引脚3，另一端连接所述电容c1的一端，所述电容c1的另一端分别与所述电阻r1的一端、所述运放a3的引脚2连接，所述运放a3的引脚1接地，所述电阻r1的另一端分别与所述电阻r2的一端、所述运放a3的引脚3连接，所述电阻r2的另一端分别与所述电阻r3的一端、所述运放a4的引脚2连接，所述运放a4的引脚1接地，
所述电阻r3的另一端分别与所述运放a4的引脚3、所述运放comp的引脚1连接，所述运放comp的引脚2接地。
[0019]
本发明进一步的技术方案是，所述故障识别电路包括异或门、第一与门、第二与门、第三与门、第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、第四恒流源、电阻r4、电阻r5、第一开关、第二开关、运放c1和运放c2；
[0020]
所述第一恒流源的一端接地，另一端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端分别与所述电阻r4的一端、所述运放c1的引脚1连接，所述电阻r4的另一端接地，所述运放c1的引脚2连接所述第二恒流源的一端，所述第二恒流源的另一端接地，所述运放c1的引脚3连接所述第一与门的引脚2，所述第一与门的引脚1连接异或门，所述第一与门的引脚3分别与所述第三与门的引脚1、所述第二与门的引脚2连接，所述第二与门的引脚1连接所述倒向放大器，所述第三恒流源的一端接地，另一端分别与所述第二开关的一端、所述第二与门的引脚3连接，所述第二开关的另一端分别与所述电阻r5的一端、所述运放c2的引脚1连接，所述电r5的另一端接地，所述第四恒流源的一端接地，另一端连接所述运放c2的引脚2，所述运放c2的引脚3连接所述第三与门的引脚2.
[0021]
本发明进一步的技术方案是，所述谷值检测电路包括运放a5、运放a6、二极管d1、二极管d2、电阻r2、电容c1和电容c2；
[0022]
所述运放a5的引脚1连接电流采样电路，引脚2分别与所述二极管d1的负极、所述电阻r2的一端、所述电容c2的一端连接，引脚3分别与所述二极管d1的正极、所述二极管d2的负极连接，所述电阻r2的另一端连接所述运放a6的引脚2，所述二极管d2的正极分别与所述电容c2的另一端、所述电容c1的一端、所述运放a6的引脚1连接，所述电容c1的另一端连接所述电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端接地。
[0023]
为实现上述目的，本发明还提出一种以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断方法，所述方法应用于如上所述的以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路，所述方法包括以下步骤：
[0024]
在短路故障诊断时，通过所述峰值检测电路提取电流峰值特征量，通过所述特征量微分处理电路对所述电流峰值特征量进行微分处理得到峰值电流的实际微分值，通过所述故障识别电路根据所述峰值电流的实际微分值得到电路异常信号、短路故障信号；
[0025]
在开路故障时，通过所述谷值检测电路提取电流谷值特征量，通过所述特征量微分处理电路对所述电流谷值特征量进行微分处理得到谷值电流的实际微分值，通过所述故障识别电路根据所述谷值电流的实际微分值得到电路异常信号、开路故障信号。
[0026]
本发明以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路及方法的诊断时间为电路的硬件延迟时间，不会增加额外的时间成本，可以在一个周期内实现开关管故障的精确诊断，这为容错功能的实现创造了条件。
附图说明
[0027]
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一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0028]
图1是现有技术中开关管故障诊断电路示意图；
[0029]
图2是开关管发生短路故障诊断波形图；
[0030]
图3是开关管发生开路故障诊断波形图；
[0031]
图4是硬件延时造成的误诊断示意图；
[0032]
图5是峰值检测电路的电路结构示意图；
[0033]
图6是特征量微分处理电路的电路结构示意图；
[0034]
图7是故障识别电路的电路结构示意图；
[0035]
图8是谷值检测电路的电路结构示意图；
[0036]
图9是峰值电流故障诊断波形图；
[0037]
图10是谷值电流故障诊断波形图；
[0038]
图11是短路故障诊断模拟量仿真波形示意图；
[0039]
图12是短路故障识别信号仿真波形图；
[0040]
图13是开路故障识别信号仿真波形图。
[0041]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
本发明提出一种以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路，所述开关故障包括短路故障和开路故障，所述开关故障诊断电路包括依次连接的特征量提取电路、特征量微分处理电路以及故障识别电路，所述特征量提取电路为峰值检测电路或谷值检测电路，所述峰值检测电路用于在发生短路故障时提取电流峰值特征量，所述谷值检测电路用于在发生开路故障时提取电流谷值特征量，所述特征量微分处理电路用于对所述电流峰值特征量或电流谷值特征量进行微分处理得到峰值电流或谷值电流的实际微分值，所述故障识别电路用于根据所述峰值电流或谷值电流的实际微分值得到电路异常信号、短路故障信号或开路故障信号。
[0044]
其中，所述峰值检测电路包括运放a1、二极管d1、二极管d2、二极管d3、电阻r1、电阻r2、电容c1和运放a2，所述运放a1的引脚1连接电流采样电路，所述运放a1的引脚2分别与所述二极管d3的正极、所述电阻r1的一端连接，所述运放a1的引脚3分别与所述二极管d3的负极、所述二极管d2的正极连接，所述二极管d2的负极分别与所述电阻r2的一端、所述二极管d1的正极连接，所述电阻r1的另一端分别与所述电阻r2的另一端、所述运放a2的引脚2、所述运放a2的引脚3连接，所述二极管d1的负极分别与所述电容c1的一端、所述运放a2的引脚1连接，所述电容c1的另一端接地。
[0045]
所述特征量微分处理电路包括电阻r0、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、运放a3、运放a4和运放comp。
[0046]
所述电阻r0的一端连接所述运放a2的引脚3，另一端连接所述电容c1的一端，所述电容c1的另一端分别与所述电阻r1的一端、所述运放a3的引脚2连接，所述运放a3的引脚1
接地，所述电阻r1的另一端分别与所述电阻r2的一端、所述运放a3的引脚3连接，所述电阻r2的另一端分别与所述电阻r3的一端、所述运放a4的引脚2连接，所述运放a4的引脚1接地，所述电阻r3的另一端分别与所述运放a4的引脚3、所述运放comp的引脚1连接，所述运放comp的引脚2接地。
[0047]
所述故障识别电路包括异或门、第一与门、第二与门、第三与门、第一恒流源、第二恒流源、第三恒流源、第四恒流源、电阻r4、电阻r5、第一开关、第二开关、运放c1和运放c2。
[0048]
所述第一恒流源的一端接地，另一端连接所述第一开关的一端，所述第一开关的另一端分别与所述电阻r4的一端、所述运放c1的引脚1连接，所述电阻r4的另一端接地，所述运放c1的引脚2连接所述第二恒流源的一端，所述第二恒流源的另一端接地，所述运放c1的引脚3连接所述第一与门的引脚2，所述第一与门的引脚1连接异或门，所述第一与门的引脚3分别与所述第三与门的引脚1、所述第二与门的引脚2连接，所述第二与门的引脚1连接所述倒向放大器，所述第三恒流源的一端接地，另一端分别与所述第二开关的一端、所述第二与门的引脚3连接，所述第二开关的另一端分别与所述电阻r5的一端、所述运放c2的引脚1连接，所述电r5的另一端接地，所述第四恒流源的一端接地，另一端连接所述运放c2的引脚2，所述运放c2的引脚3连接所述第三与门的引脚2。
[0049]
所述谷值检测电路包括运放a5、运放a6、二极管d1、二极管d2、电阻r2、电容c1和电容c2。
[0050]
所述运放a5的引脚1连接电流采样电路，引脚2分别与所述二极管d1的负极、所述电阻r2的一端、所述电容c2的一端连接，引脚3分别与所述二极管d1的正极、所述二极管d2的负极连接，所述电阻r2的另一端连接所述运放a6的引脚2，所述二极管d2的正极分别与所述电容c2的另一端、所述电容c1的一端、所述运放a6的引脚1连接，所述电容c1的另一端连接所述电阻r1的一端，所述电阻r1的另一端接地。
[0051]
以下对本发明以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路的电路结构和工作原理进行详细阐述。
[0052]
考虑到耦合电感superbuck电路处于稳态时，占空比保持不变，此时开关的开通与关断呈现固定的周期性规律，则输入端电感电流也相应的随着功率管的工作状态变化而产生周期性变化，所以在无故障发生的状态下，各个周期内电感电流的峰值与谷值应当不变，而当开关管故障发生后，电感电流会呈现异常增长或异常减小趋势，故障发生后随之而来的几个周期内，电感电流的峰值与谷值也会呈现与之相同的变化趋势，输入电流的峰谷值可以作为判断电路工作状态的电学量，所以可以选取电感电流的峰谷值作为判断故障的特征量，此时需要在电路中额外增加峰值检测电路与谷值电路来完成故障诊断，故障诊断的参考信号若依然选取开关管控制信号，故障诊断方法波形示意图如图9和图10所示。
[0053]
如图9和图10所示，当开关管短路故障时，电流峰值作为特征量，即使提高开关管开通信号占空比，电流峰值依然增大，导致其微分值为正，由此产生故障信号e；当开关管开路故障时，电流峰值作为特征量，及时未给开关管关断信号，电流谷值依然减小，其微分值为负，由此产生故障信号。利用电流峰谷值作为故障诊断特征量，需要在电路中额外增加电流峰谷值检测电路，故障诊断延时时间与硬件延时时间一致，从而避免硬件延时产生的误诊断，仅需简单的模拟电路即可搭建故障诊断电路，这里列出模拟电路方法下的故障诊断真值表，见表2。
[0054][0055]
表2 电流烽谷值作为特征量的故障诊断真值表
[0056]
其中d在开路故障诊断中为谷值电流微分值的数字量，当微分值大于0时取1，小于0时取0；同理，d在短路故障诊断中为峰值电流微分值的数字量，取法同前者。
[0057]
根据上述故障诊断电路的设计思路，对于短路故障的诊断，选取输入电流峰值作为故障诊断特征量，开关管pwm信号作为参考信号，完整的故障诊断电路包含特征量提取电路、特征量微分处理电路以及故障识别电路三个组成部分，为提取输入电流峰值为特征量，使用的峰值检测电路如图5所示。
[0058]
电流采样电路将输入端电流信号i
in
转换为电压信号i
in-sense
后作为峰值检测电路的输入，当输入电流采样信号增大时，所述二极管d3反向截止，所述运放a1的输出通过所述二极管d2、所述电阻r2与所述电阻r1形成反馈回路并通过所述二极管d1给所述电容c1充电，所述运放a2输出电压随之增大；当输入电流减小时，所述二极管d3导通，所述电容c1的存在使得所述二极管d2与所述二极管d1截止，所述运放a2的输出电压保持不变；另外，可以在所述电容c1两端增加放电回路实现峰值检测电路的复位功能。
[0059]
特征量微分处理电路由微分电路与反相电路构成，可见图6，在所述运放a3组成的微分电路输入端串联所述电阻r0可以避免微分电路产生自激，通常可以在所述电阻r2处并联电容来过滤高频噪声，根据理想运放的“虚短虚短”原则，可以得到微分电路的输入输出关系式为：
[0060][0061]
由式3可以发现，峰值电流经微分电路处理后得到的微分值与实际值符号相反，为得到峰值电流的实际微分值，需在微分电路后端加入由所述运放a4构成的反相器，最终得到特征量处理电路的输出信号为：
[0062][0063]
根据表2所列的开关管故障诊断逻辑关系，可以得到异常信号e、短路故障信号scf与开路故障信号ocf的逻辑函数式：
[0064]
[0065][0066]
ocf＝q
·eꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式7
[0067]
考虑到电路工作在稳态时，输入端电流峰值导数值为0，根据得到的逻辑函数式，在正常工作模式下，将开关管开关信号与峰值电流导数值经“异或”逻辑电路处理后，依然会得到异常信号从而造成误诊断。当短路故障发生后，输入端电流峰值异常增大，输入峰值电流微分值d也相应增大，所以仅在d为正时进行异常信号判断才可以得到真实的短路异常信号e，在saber中搭建故障识别电路如图7所示，虚线框图内通过信号d来进行异常信号筛选，当发生短路故障时，输入峰值电流的导数值为正值时，信号d为高电平使得与门的另一输入为高电平，真实的异常信号e生成。
[0068]
在0.05s时模拟短路故障，电路中模拟量仿真波形可见图12，自上而下分别为输入电流、输入电流峰值信号、输入电流峰值微分量，通过仿真结果可知，在短路故障发生后，输入端电感电流峰值随着输入电流增大而增大，为排除干扰信号，可在特征量处理电路中最后一级比较器中增加阈值电压，最终经过7μs后，特征量处理电路开始有输出，输入电感电流峰值导数值为正。
[0069]
输入电流峰值信号经微分处理后得到的输出信号d与开关管信号q作为故障识别电路的输入，经“异或”运算得到异常信号e'与真实异常信号e，将e与开关信号取反进行“与”运算最终得到短路故障信号scf，仿真结果如图11所示，自上而下分别为处理后的特征量信号d、开关管控制信号q、异常信号e'、真实异常信号e与短路故障信号scf。
[0070]
由图12可以发现，当开关管在50ms时发生短路故障，输出端将直接通过开关管故障支路与输入端相连，输出电压vo异常增大，由于控制回路的作用，pwm信号占空比降低，一直呈现低电平，但输入端电流峰值依然增大，由此产生异常信号在电路故障发生约7μs后，即0.7ts时间左右，故障诊断电路即可发出短路故障信号。
[0071]
对于开路故障的诊断，则需选取输入电流谷值作为特征量，谷值检测电路如图8所示，其原理与峰值检测电路相反，它是利用二极管d1与二极管d2的单向导通特性，当输入信号谷值降低时，电容c1不断放电跟踪运放a5输入信号谷值变化的趋势；当输入信号增大时，二极管d1与二极管d2截止，输出端电容电压维持不变。
[0072]
与短路故障诊断相同，在开路故障诊断中，提取输入端电流谷值导数值后需经微分电路处理，电路异常信号由式5可得，开路故障信号由式7可得，根据开路故障信号逻辑函数式，对短路故障识别电路稍加改造可得开路故障识别电路如图7所示。
[0073]
在saber软件中搭建开路故障诊断电路进行仿真实验，在50ms后对开关管施加常开通信号模拟开路故障，开路故障诊断仿真结果如图13所示。
[0074]
由仿真结果可知，当开关管支路发生开路故障后，输入电流谷值将随着输入端电流减小而减小，其微分值为负，所以信号d为0；由信号q波形图可以发现，在开关管发生开路故障后，经闭环控制器电路补偿后，pwm信号占空比提高到极限值但不能为1；由仿真结果可知在mosfet支路发生开路故障后约7μs时，故障诊断电路开始产生开路故障信号。
[0075]
可以发现，本发明所设计的开关管故障诊断电路的诊断时间为电路的硬件延迟时间，不会增加额外的时间成本，可以在一个周期内实现开关管故障的精确诊断，这为容错功能的实现创造了条件。
[0076]
本发明以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路的有益效果是：本发明通
过上述技术方案，包括依次连接的特征量提取电路、特征量微分处理电路以及故障识别电路，所述特征量提取电路为峰值检测电路或谷值检测电路，所述峰值检测电路用于在发生短路故障时提取电流峰值特征量，所述谷值检测电路用于在发生开路故障时提取电流谷值特征量，所述特征量微分处理电路用于对所述电流峰值特征量或电流谷值特征量进行微分处理得到峰值电流或谷值电流的实际微分值，所述故障识别电路用于根据所述峰值电流或谷值电流的实际微分值得到电路异常信号、短路故障信号或开路故障信号，诊断时间为电路的硬件延迟时间，不会增加额外的时间成本，可以在一个周期内实现开关管故障的精确诊断，这为容错功能的实现创造了条件。
[0077]
为实现上述目的，本发明还提出一种以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断方法，其特征在于，所述方法应用于如上实施例所述的以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断电路，所述方法包括以下步骤：
[0078]
在短路故障诊断时，通过所述峰值检测电路提取电流峰值特征量，通过所述特征量微分处理电路对所述电流峰值特征量进行微分处理得到峰值电流的实际微分值，通过所述故障识别电路根据所述峰值电流的实际微分值得到电路异常信号、短路故障信号。
[0079]
在开路故障时，通过所述谷值检测电路提取电流谷值特征量，通过所述特征量微分处理电路对所述电流谷值特征量进行微分处理得到谷值电流的实际微分值，通过所述故障识别电路根据所述谷值电流的实际微分值得到电路异常信号、开路故障信号。
[0080]
本发明以电感电流峰谷值为特征量的开关故障诊断方法的诊断时间为电路的硬件延迟时间，不会增加额外的时间成本，可以在一个周期内实现开关管故障的精确诊断，这为容错功能的实现创造了条件。
[0081]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。