H-мост: Load Detect (или как выявлять вандализм)

В этом тексте я написал как диагностировать и тестировать такую электрическую схему как H-мост. Запрограммировать H-мост это просто. Куда сложнее в Run-Time (е) определять Fault (ы) в этом пресловутом H-мосте, чтобы вовремя отключить ключи и перевести всю цепь в безопасное состояние тем самым спасти дорогое оборудование от сгорания.

Немного теории

В электронике существует классическая электрическая цепочка, которая называется H-мост.

рис 1рис 1

Эта схема позволяет пропускать ток через нагрузку в 2х направлениях: вдоль или поперек нагрузки. Если в эту цепь подключить DC-мотор, то он будет крутиться либо по часовой стрелке (СW) либо против часовой стрелки (CCW). Также можно модулировать величину тока, если переключать ключи по PWM сигналу

H-мосты активно применяют в устройствах, которые крутят шаговые двигатели в CNC станках в контроллерах управления стекло-подьемниками (прошивки спинеры), для управления фарами автомобиля и прочее.

Есть проблема. Вернее есть 31 проблема. То есть в H-мостах может быть 31 тип сбоев, которые приведут к тому, что H-мост просто больше не будет работать. А 14 кейсов приведут к тому, что из H-моста просто посыплются искры. Вот список этих сбоев.

рис 2рис 2

Как же определить аварии в H-мосте во время исполнения? Надо разработать механизм который можно назвать Load Detect.

Понятное дело что за H-мостом надо как-то наблюдать. В электронике есть только 2 способа наблюдать за чем либо: GPIO работающие на вход и ADC. Вот возможная схемотехника, которая позволит диагностировать состояние H-моста. Тут на каждое плечо H-моста подключен аналого-цифровой преобразователь (ADC) и тут же ключ, который управляет подтяжкой напряжения к питанию.

pbc 3. Схема наблюдения за H-мостом

pbc 3. Схема наблюдения за H-мостом

У каждого микроконтроллера, есть аналоговые пины, которые подключены к внутреннему ADC преобразователю. Подтяжками же напряжения к питанию можно управлять по GPIO или при помощи ключа и высоко-омного резистора или при помощи специальных микросхем- источников смачивающего тока.

рис 4рис 4

Очевидно, что нужен кокой-то алгоритм или высокоуровневый программный конечный автомат, который будет сообщать, когда в H-мосте возникли ошибки. В идеале хотелось бы чтобы этим занимался отдельный ASIC. Но можно и накропать чисто программное решение.

Разработка конечного автомата это просто механические действия. Как известно, любые конечные автоматы проектируются за 7 фаз:

Фаза

Этап разработки конечного автомата

1--

определить выходы

2--

определить состояния

3--

определить действия

4--

определить входы

5--

составить таблицу переходов

6--

нарисовать граф переходов

7--

воплотить конечный автомат в коде

1-- Вот выходы конечного автомата диагностика H-моста. Это как раз те высокоуровневые события которые хочет услышать пользователь (схемотехник, программист, техник, интегратор, водитель)

FSM Output

1

left shoulder short GND

2

left shoulder short Vbat

3

right shoulder short GND

4

right shoulder short Vbat

5

open load

2-- Состояния конечного автомата может определяться состоянием подтяжек к питанию. Важно устанавливать подтяжки именно в коде Грея. Это уменьшит время переходного процесса установки подтяжек и уменьшит энергопотребление устройства, да и отлаживаться на осциллографе так проще.

Left shoulder

Right shoulder

1

Pull none

Pull none

2

Pull none

Pull up

3

Pull up

Pull up

4

Pull up

Pull none

3-- Что будет делать этот конечный автомат на низком (аппаратном) уровне? Или какие он будет делать системные действия?

Действие

плечо H-моста

1

Установить подтяжку к питанию на левом плече

левое

2

Установить подтяжку к питанию на правом плече

правое

3

Отключить подтяжку к питанию на левом плече

левое

4

Отключить подтяжку к питанию на правом плече

правое

5

Изменить показание напряжения на левом плече

левое

6

Изменить показание напряжения на правом плече

правое

7

Рассчитать аналитику

--

4--Входом конечного автомата будет являться прерывание по таймеру. Конечный автомат будет переключаться в очередное состояние и просто ждать, пока пройдет переходной процесс в установке подтяжке напряжения. Это порядка 100ms. Для определенности можно считать что это время равно 500ms. Это основной параметр данного конечного автомата. Этот параметр зависит от величины смачивающего тока. Чем больше ток подтяжки тем быстрее переходной процесс. Значение таймаута перехода в другое состояние стоит хранить в NVRAM.

Входное воздействие

1

Сработало прерывание по переполнению аппаратного таймера

2

На H-мост подали PWM сигнал со скважностью более 0%

Аналитику надо запускать именно пройдя полный цикл в конечном автомате. Только так будет накоплена необходимая статистика для принятия решения о здоровье H-моста.

5--Таблица переходов

начальное

состояние

Inputs

TimeOut

0%

LN_RN

LN_RU

LN_RN

LN_RU

LU_RU

LN_RN

LU_RU

LU_RN

LN_RN

LU_RN

LN_RN

LN_RN

6--Граф переходов получился такой. За один оборот конечный автомат накапливает все нужные исходные данные для принятия решения о состоянии H-моста

рис 5рис 5

На рисунке 6 представлена таблица принятия решения. На основе измерений напряжений на плечах H-моста можно судить о таких высокоуровневых событиях как отвалившаяся мотор или короткое замыкание в цепи. Таблицу можно хранить в ROM (on-chip Nor Flash) памяти микроконтроллера-спинера H-моста.

рис 6рис 6

Вывод

За работой H-моста надо внимательно наблюдать. Благодаря программному компоненту Load Detect, например, если злоумышленник выкрутит лампочку в автомобиле, то водителю на смартфон придет push-уведомление.

Как видите для разработки алгоритмов для программирования микроконтроллеров надо уметь активно пользоваться электронными таблицами (коллективное редактирование, сортировка по категориям, двигание столбцов, раскраска).

Надеюсь этот текст поможет другим инженерам тоже делать надежные драйверы H-мостов с диагностикой во время исполнения.

Акроним

Расшифровка

ADC

Analog-to-Digital Converter

PWM

Pulse-Width Modulation

ASIC

Application-Specific Integrated Circuit

FSM

Finite-State Machine

NVRAM

Non-volatile random-access memory

CW

ClockWise

LU_RN

Left shoulder pull up, Right shoulder pull none

LU

Left shoulder pull Up

RN

Right shoulder pull none

CCW

CounterClockWise

Links

https://habr.com/ru/post/697388/
https://habr.com/ru/company/vk/blog/373397/

© Habrahabr.ru