一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法，克服现有技术的无法实现对数字输出装置的有效保护以及无法在出现短路时及时断开电路进行保护的问题，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分，硬件电路部分包括MCU、报警器件、开关器件、电压比较器U2、电压比较器U3、若干电阻、误差放大电路及电流镜电路；软件控制部分包括MCU模块，MCU模块连接若干通道，每个通道包括短路检测模块、控制信号开关模块、断线检测模块和数字量输出模块。本发明专利技术对负载电流进行采样，可根据不同负载需求，配置不同的负载电流阈值，配置不同数字量输出类型。具有安全、低成本、高精度及高稳定度输出特点。度及高稳定度输出特点。度及高稳定度输出特点。

【技术实现步骤摘要】
一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法


[0001]本专利技术涉及自动化及仪器仪表
，尤其是涉及一种支持断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法。

技术介绍

[0002]在工业控制领域，数字量输出装置作为现场控制的站的输出控制的关键模块，主要用于输出对工业现场的各类执行机构的控制信号，其性能以及控制特性影响着工业现场各类设备的正常运行。作为支持大功率数字量输出装置的负载，安全可靠性尤为重要，电磁阀、功率继电器等执行机构由于工业现场环境的复杂性，可能会出现断路和短路故障，从而烧毁数字输出装置。
[0003]数字量电压输出系统常用于对生产现场及公用工程的执行机构进行驱动控制，目前被广泛使用的数字输出装置一部分缺乏对负载断路和短路的检测，无法实现对数字输出装置的有效保护，另一部分往往通过采用精密电阻或者霍尔器件进行电流采样并反馈至微处理器进行短路检测与保护，由于微处理器处理速度较慢，无法在出现短路时及时断开电路进行保护，且精密电阻温漂严重，采样精度低，功耗高；霍尔器件能检测大电流，功耗低，但是成本高，对小量程的电流测量误差大，易受外部磁场影响，对静电敏感，外围电路冗杂。
[0004]由于传统PLC、DCS等的数字输出装置一部分缺乏对负载断路和短路的检测，无法实现对数字输出装置的有效保护，另一部分往往通过电阻分压方式采集数字量输出电压，反馈至微处理器，与微处理器内部设定的电压阈值进行比较，从而达到短路检测与保护的目的，由于微处理器处理速度较慢，无法在出现短路时及时断开电路进行保护。
>[0005]例如，一种在中国专利文献上公开的“MOSFET数字量输出电路”，其公告号CN107863957B，包括MOSFET和监测电路；MOSFET分别与主控制器和负载连接，MOSFET用于根据主控制器输出的数字量输出信号控制负载的通断；监测电路分别与MOSFET和主控制器连接，监测电路用于监测MOSFET的通断信号，并根据MOSFET的通断信号向主控制器反馈数字量输出状态反馈信号。该方案采用的数字量输出方案，集成芯片与MCU相结合对数字量输出负载线路进行断/短路检测及保护，检测与保护速度慢，且数字量输出脉宽与频率固定，不可配置。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了克服现有技术的无法实现对数字输出装置的有效保护的问题，提供一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置和方法，实现数字量输出装置负载断/短路检测及保护。
[0007]本专利技术的另一个专利技术目的是为了克服现有技术无法在出现短路时及时断开电路进行保护的问题，实现数字量的大功率输出，对负载电流进行采样，被测量数字量输出负载线路不需要串联电阻进行采样，降低了采样电路对负载工作状态的影响，可根据不同负载需求，配置不同的负载电流阈值，配置不同数字量输出类型。具有安全、低成本、高精度及高
稳定度输出特点。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分；硬件电路部分包括MCU、报警器件、开关器件、电压比较器U2、电压比较器U3、若干电阻、误差放大电路及电流镜电路；MCU分别与报警器件、开关器件和比较器U2输出端连接，电压比较器U2正向输入端通过电阻连接第一参考电压，电压比较器U2负向输入端通过电阻与误差放大电路连接，开关器件还与电流镜电路和电压比较器U3输出端连接，电压比较器U3正向输入端通过电阻连接第二参考电压，电流镜电路采用MOSFET，包括功率MOSFET和采样MOSFET，误差采样电路与电流镜电路连接；软件控制部分包括MCU模块，MCU模块连接若干通道，每个通道包括短路检测模块、控制信号开关模块、断线检测模块和数字量输出模块；所述数字量输出模块用于通过软件对输出的多个通道的数字量信号进行故障安全模式、输出类型等设置项进行配置；故障安全模式包括输出保持和按照预设值输出模式；输出类型包括脉宽输出和状态输出两种模式。
[0009]作为优选，所述误差放大电路包括电压比较器U1、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；电压比较器U1输出端分别与电压比较器U2负向输入端的电阻和电阻R5一端连接，电阻R5另一端分别与电压比较器U1负向输入端和电阻R6一端连接，电阻R6另一端与采样MOSFET漏极连接，电压比较器U1正向输入端分别与电阻R7一端和电阻R8一端连接，电阻R7另一端与功率MOSFET源极连接，电阻R8另一端接地。
[0010]作为优选，所述电流镜电路包括功率MOSFET Q1、采样MOSFET Q2、负载电阻R
L
和精密采样电阻R
S
；功率MOSFET Q1栅极和采样MOSFET Q2栅极与开关器件连接用于传输控制信号，功率MOSFET Q1源极与负载电阻R
L
一端连接，功率MOSFET Q1漏极与电源+24V连接，采样MOSFET Q2源极分别与电压比较器U3负向输入端的电阻和精密采样电阻R
S
一端连接，负载电阻R
L
另一端和精密采样电阻R
S
另一端接地。
[0011]一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，采用一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，包括以下内容：通道数字量输出的控制信号由MCU产生的控制信号经过控制信号输出开关模块对MOSFET进行控制，短路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行短路检测与保护，当出现短路时控制信号输出开关模块关闭MOSFET控制信号的输出，关断数字量的输出；断路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行断线检测，当出现断路故障时候反馈至MCU，MCU控制报警器件发送断线报警信号。
[0012]作为优选，所述断线检测包括以下内容：功率MOSFET Q1控制信号分为低电平和高电平；功率MOSFET Q1控制信号默认为低电平时，输出窄脉冲，由窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1短暂导通，窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1导通期间功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行采样，功率MOSFET Q1导通后存在内阻R
ds
(on)；当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差V
DS
，并通过比较器U2设定的第一参考电压进行比
较,输出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当负载线路出现断线故障时，无电流流过功率MOSFET Q1导通内阻，功率MOSFET Q1漏极和源极的电位相同，两者之间的电压差V
DS
为0，后级的误差放大电路输出低电平，通过电压比较器U2与设定的第一参考电压进行比较,小于设定的第一参考电压，比较器U2输出高电平信号反馈至MCU，表明出现断线故障，MCU控制发出断线报警信号；功率MOSFET Q1控制信号默认为高电平时，MCU对功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行周期采样，由于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，包括硬件电路部分和用于控制电路的软件控制部分；硬件电路部分包括MCU、报警器件、开关器件、电压比较器U2、电压比较器U3、若干电阻、误差放大电路及电流镜电路；MCU分别与报警器件、开关器件和比较器U2输出端连接，电压比较器U2正向输入端通过电阻连接第一参考电压，电压比较器U2负向输入端通过电阻与误差放大电路连接，开关器件还与电流镜电路和电压比较器U3输出端连接，电压比较器U3正向输入端通过电阻连接第二参考电压，电流镜电路采用MOSFET，包括功率MOSFET和采样MOSFET，误差采样电路与电流镜电路连接；软件控制部分包括MCU模块，MCU模块连接若干通道，每个通道包括短路检测模块、控制信号开关模块、断线检测模块和数字量输出模块；所述数字量输出模块用于通过软件对输出的多个通道的数字量信号进行故障安全模式、输出类型等设置项进行配置；故障安全模式包括输出保持和按照预设值输出模式；输出类型包括脉宽输出和状态输出两种模式。2.根据权利要求1所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，所述误差放大电路包括电压比较器U1、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8；电压比较器U1输出端分别与电压比较器U2负向输入端的电阻和电阻R5一端连接，电阻R5另一端分别与电压比较器U1负向输入端和电阻R6一端连接，电阻R6另一端与采样MOSFET漏极连接，电压比较器U1正向输入端分别与电阻R7一端和电阻R8一端连接，电阻R7另一端与功率MOSFET源极连接，电阻R8另一端接地。3.根据权利要求1所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，所述电流镜电路包括功率MOSFET Q1、采样MOSFET Q2、负载电阻R
L
和精密采样电阻R
S
；功率MOSFET Q1栅极和采样MOSFET Q2栅极与开关器件连接用于传输控制信号，功率MOSFET Q1源极与负载电阻R
L
一端连接，功率MOSFET Q1漏极与电源+24V连接，采样MOSFET Q2源极分别与电压比较器U3负向输入端的电阻和精密采样电阻R
S
一端连接，负载电阻R
L
另一端和精密采样电阻R
S
另一端接地。4.一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，采用权利要求1
‑
3任意一项所述的断短路检测及保护的大功率数字量输出装置，其特征是，包括以下内容：通道数字量输出的控制信号由MCU产生的控制信号经过控制信号输出开关模块对MOSFET进行控制，短路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行短路检测与保护，当出现短路时控制信号输出开关模块关闭MOSFET控制信号的输出，关断数字量的输出；断路检测模块对数字量输出模块的负载线路进行断线检测，当出现断路故障时候反馈至MCU，MCU控制报警器件发送断线报警信号。5.根据权利要求4所述的一种断短路检测及保护的大功率数字量输出方法，其特征是，所述断线检测包括以下内容：功率MOSFET Q1控制信号分为低电平和高电平；功率MOSFET Q1控制信号默认为低电平时，输出窄脉冲，由窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1短暂导通，窄脉冲信号控制功率MOSFET Q1导通期间功率MOSFET Q1漏极和源极的电位进行采样，功率MOSFET Q1导通后存在内阻R
ds
(on)；当负载线路未出现断线故障时，电流流过功率MOSFET Q1导通内阻会产生压降，导致功率MOSFET Q1漏极和源极的电位不一致，通过误差放大电路放大两者之间的电压差V
DS
，并通过比较器U2设定的第一参考电压进行比较,输
出低电平信号反馈至MCU，表明无断线故障；当...

【专利技术属性】
技术研发人员：许祥杰，孔繁会，郭磊，孙文甜，
申请(专利权)人：浙江中控技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：