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保护软件论文范文

摘要：根据标准GB 4706.1-2005 分析软件评估的要求,并针对空调产品结构、元件等进行分析,同时,通过模拟实验,对控制器和软件做各种非正常实验.研究结果表明,在控制器和软件失效的情况下,IPM 智能模块自身能起到最后保护的作用,并符合标准GB 4706.1-2005 第19.13 的要求,笔者认为家用分体变频空调不需要做软件评估.

关键词：软件评估；家用分体变频空调；IPM

Abstract：According to the standard GB 4706.1-2005, the requirements of software evaluation was analyzed. Andthe structure and components, etc. of air conditioners were analyzed. Meanwhile, through simulation test, variousnon-normal experiments were done. The results show that on the failure condition of controller and software, the IPMintelligent module itself can play the protection role at last, it meets the requirements of the item 19.13 in standardGB 4706.1-2005. Therefore, we suggest that it is unnecessary to do the software evaluation for household split airconditioner.

Key words：software evaluation, household split inverter air conditioner, IPM (intelligent power module)

2013年5月1日空调执行的CCC认证标准GB 4706.1-2005,GB 4706.32-2012增加了软件评估的要求,要求空调使用的电子控制器应进行安全软件评估.

空调是否涉及到软件评估,应该从标准的要求和实验情况来判断,根据标准GB 4706.1-2005附录Q的适用性判断来验证,根据空调的保护功能实现的方式来分析判断,最后通过实验进行验证.如果空调的保护依赖的是电子线路,并且电子线路的最终保护是由软件控制的,那么需要做软件评估,否则就不需要软件评估.本文通过一些理论与实验来判断空调是否需要做软件评估,以供大家参考.

1.概述

1.1 标准要求

空调器CCC软件评估是根据标准GB 4706.1-2005第22.26,其要求如下：在保护电子电路中使用的软件,应为B级或C级软件.

（注1：在器具存在其他故障的情况下B级软件失灵,或单独C级软件失灵,可能导致危险性功能失效、电击、火灾、机械或其他危险的发生.）

依据附录R通过评估软件确定其是否合格.

（注2：如果软件程序被修改,且修改影响到了保护电子电路的试验结果,则评估与相关试验应重新进行.）

关于该标准需要注意的是在B级或C级软件失灵的情况下,不会导致危险性功能失效、电击、火灾、机械或其他危险的发生.

1.2 编程电子系统

空调采用了嵌入式设计软件,控制器除了具有使用功率/性能调节外,同时还有控制安全的功能,例如控制非正常工作时的过热、过流、过压等现象.

将使用软件的电子控制器称为编程电子系统（PES）,将可编程电子元件与其它电气、电子元件结合起来构成的系统,称作为电气/电子/可编程电子系统（E/E/PES）,如图1.因此,需要注意的是,对于家用电器软件评估,并不是仅仅针对“软件”的评估,而是结合整个电气/电子/可编程电子系统（E/E/PES）来考核可编程电子系统（PES）[1].

关于该编程电子系统需要注意的是结合整个电气/电子/可编程电子系统进行评估,不是单纯地考核MCU含有软件就要做软件评估.

1.3 判断依据

软件评估存在一个适用性判断,在家电安全通用标准GB4706.1-2005的附录Q已详细列出；附录R是对软件控制器进行“白盒测试”,关注的是软件在控制器本身的故障情况,防止该故障情况导致家电整机非正常保护功能失效.

一般来说,对于家电产品,有以下几种情况：

第一,家电产品没有保护性电子电路.在这种情况下,则不需要进行软件评估.换句话说,家电产品非正常工作情况下的保护依赖,如热断路器、管状熔断器等保护装置的动作,即便家电产品中使用了带有软件的控制器,也不需要评估,因为在这种情况下,软件控制器仅是正常工作条件下起作用的,不具有安全保护功能,软件控制器的失效与否不会造成危害[1].

第二,家电产品带有保护性电子电路,但是对保护性电子电路施加GB 4706.1-2005中的19.11.3规定的双重故障情况下,家电产品防止危害发生依赖,如热断路器、管状熔断器等保护装置的动作而不是保护性电子电路动作.在这种情况下也不需要进行软件评估.换句话说,双重故障下的终极保护不依赖于保护性电子电路工作与否,即终极保护是依赖传统的机电式保护装置并且没有危险发生,即便保护性电子电路中使用了软件,也不需要评估,因为在这种情况下,软件控制器仅是正常工作条件下起作用的,不具有安全保护功能,软件控制器的失效与否不会造成危害[1].

第三,家电产品带有保护性电子电路,并且对保护性电子电路施加GB 4706.1-2005中的19.11.3规定的双重故障情况下,保护性电子电路动作从而起到进一步保护,防止危害发生.在这种情况下要进一步判断,保护是由软件起作用还是由硬件电路起作用,如果是软件起作用,那么需要进行附录R的软件评估；如果是硬件电路起作用,就不需要进行软件评估[1].

第四,家电产品带有保护性电子电路,并且对保护性电子电路施加GB 4706.1-2005中的19.11.3规定的双重故障情况下,保护性电子电路和其他,如热断路、管状熔断器等保护装置均未动作,但是并没有发生进一步的危害,这种情况下如果保护性电子电路使用了软件,也需要进行软件评估.原因是存在进一步发生危险的可能性,如果保护性电子电路中的软件不能正常工作,则可能无法通过前面提到的双重故障[1].

通过上面的分析,无论是制造商还是认证机构不能简单的认定某个家电产品一定需要进行软件评估,要通过结构分析以及非正常试验来确定是否需要进行软件评估[1].

2.空调产品

2.1 空调器结构和工作原理分析

空调器的结构,一般由以下四部分组成：制冷系统、风路系统、电气系统、箱体与面板等,系统原理如图2.

制冷系统是空调器制冷降温部分,由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器、电磁换向阀、过滤器和制冷剂等组成一个密封的制冷循环.制冷系统是一个完整的密封循环系统,各个部件之间用管道连接起来,形成一个封闭的循环系统,在系统中加入一定量的制冷剂来实现制冷降温.

风路系统：是空调器内促使房间空气加快热交换部分,由离心风机、轴流风机等设备组成.

电气系统：是空调器内促使压缩机、风机安全运行和温度控制部分,由电动机、温控器、继电器、电容器和加热器等组成.

箱体与面板：是空调器的框架、各组成部件的支承座和气流的导向部分,由箱体、面板和百叶栅等组成.

那么可以认为,家用变频空调由室内机和室外机组成,通过连接管连接以便冷媒的压力流通,通过连接线传递电源和控制.该控制是靠室内主板和室外主板构成电源传递和控制.

2.2 电路图输入和输出分析

从变频电路图（图3变频内机电路图、图4变频外机电路图）看输入与输出部分.

空调内机主板输入有：内机环境感温包、内机管温感温包等.

空调内机主板输出有：电机、输出信号到外机、电加热等.

空调外机主板输入有：外机环境感温包、外机管温感温包、外机排气感温包、外机压缩机过载等.

空调外机主板输出有：压缩机、电机、四通阀,电子膨胀阀等.

显然,空调的输入通过MCU分析后,才输出控制信号给负载.假若输入有误,就会影响输出.

那么我们分析一下各输入元器件的作用：

①内机环境感温包：是采集内机环境温度,来做功能调节.

②内机管温感温包：是采集蒸发器上的温度,以防止非正常的发生.

③外机环境感温包：是采集外机环境温度,来做功能调节.

④外机管温感温包：是采集冷凝器上的温度,以防止非正常的发生.

⑤外机排气感温包：是采集压缩机上的排气温度和冷媒压力温度,以防止非正常的发生.

⑥外机压缩机过载：压缩机上放置了一个温度传感器,通过采集压缩机表面的温度,以防止非正常的发生.

从以上元器件的作用可以知道,对于非正常保护的元器件有：内机管温感温包、外机管温感温包、外机排气感温包、外机压缩机过载.

2.3 室外机控制器的工作原理

通信：接收室内通信,综合分析室内环境温度、室内设定温度、室外环境温度等因素,对压缩机变频调速控制.

负载控制：根据系统需要,控制室外风扇、四通阀、压缩机等负载.

异常控制：采集排气、管温、电压、电流、压缩机状态等系统参数,判断系统是否在允许的工作条件内,是否出现异常.

关于该控制器需要留意的核心部件是IPM.

3.IPM智能功率模块

IPM（智能功率模块）是先进的混合集成功率器件,由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的栅极驱动电路及多种保护电路集成在同一模块内.与普通IGBT相比,IPM在系统性能和可靠性上均有进一步提高,而且IPM的通态损耗和开关损耗都比较低.

IPM内部集成了逻辑、控制、监测和保护电路,大大增强了系统的可靠性,适应了当今功率器件模块化、复合化的功率集成电路.

3.1 IPM性能特点

IPM 内部含有栅极驱动控制、故障检测和多种保护电路.保护电路分别检测过流、短路、过热、电源欠压等故障,当任一故障出现时,内部电路会封锁驱动信号并向外送出故障信号,以便外部的控制单元及时对故障信号进行处理,避免功率器件受到进一步的损坏.

由于采用了电流传感功能的IGBT 芯片,能连续监测功率器件的电流,从而实现高速的过流保护和短路保护.也正是由于IPM 的这些结构及性能特点,使其构成的系统可靠性得到了进一步的提高.

3.2 IPM模块内部构成和功能

某厂家的IPM模块的内部电路由功率电路（三相AC输出的逆变电路）和控制用HVIC、LVIC构成.见图5.1）功率电路部分IGBT（6单元）和FWD（6单元）

组成的三相AC输出的逆变电路.

2）控制IC 部分①HVIC（1 单元）：内置了P 侧IGBT驱动电路,高压电平转换电路,控制电源欠压保护电路（UV,但是没有故障输出）.采用自举电路供电方式,只需单一15V电源驱动；②LVIC（1 单元）：内置了N 侧IGBT 驱动电路,控制电源欠压保护电路（UV）和短路电流保护电路（SC）.短路电流保护通过检测流过外接shunt 电阻的过电流,反馈到LVIC 关断IGBT.UV 和SC 动作时输出故障信号[2].

3.3 IPM失效分析

IPM 集功率变换、驱动与保护电路于一体,具有过流、短路、欠压和过热等保护功能.

当IPM发生任一故障时,其故障输出信号持续时间为1.8ms,此时间内IPM会封锁门极驱动,关断IPM,故障输出信号持续时间结束后,IPM内部自动复位,门极驱动通道开放.

IPM自身产生的故障信号是非保持性的,如果保护结束后故障源仍旧没有排除,IPM就会重复自动保护的过程,反复动作[3].

在任何运行状态下,功率模块都需要受到保护,以避免其承受不允许的电流应力,也就是说,避免功率模块的运行区超出所给定的安全工作区.超出安全工作区运行将导致功率模块受损伤,其寿命会由此而缩短,情况严重时还会立刻导致功率模块的损坏[4].

4.实验的方法、结果与分析

4.1 实验的标准依据

对于保护性电子电路施加GB 4706.1-2005中的19.11.3规定的双重故障,分析保护是由软件起作用,还是由硬件电路起作用,且试验期间符合19.13的规定：在试验期间,器具不应喷射了火焰、熔融金属、达到危险量的有毒性或可点燃的气体,且其温升不应超过规定值.

4.2 实验要求

1）因管温感温包开路或短路,控制器马上检测到异常就会停机,那么,我们将管温感温包调整到正常的数值,或屏蔽该输入信号.

2）将压缩机过载失效,或屏蔽该输入信号.

3）将控制器MCU内所有保护功能的软件屏蔽,还有IPM输出给MCU的保护信号也要屏蔽,即做成一个“裸机”状态,去做非正常的实验.

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4）通过“监测软件”去确认软件哪部分作出保护,若软件没有保护,需进一步确认哪里保护.

4.3 实验现象

1）制冷,强制升频,测试情况如图6,整机出现周期性的保护,没有异常.通过“监测软件”观察,软件没有输出保护信号；温度和压力在可控范围内.

分析：当空调频率不断升高,整机电流不断增大,当达到IPM的保护电流时,IPM作出保护,整机就跳开,如此周期性保护.

2）制冷,空调自由频率（外机外接电机）,测试情况如图7,整机出现周期性的保护,没有异常.通过“监测软件”观察,软件没有输出保护信号；温度和压力在可控范围内.

分析：当外接电机后,开机运行,冷凝器换热异常,系统压力和电流不断增大,当达到IPM的保护电流时,IPM作出保护,整机就跳开,如此周期性保护.

3）制冷,空调自由频率,外电机电容短路,测试情况如图8,整机出现周期性的保护,没有异常.通过“监测软件”观察,软件没有输出保护信号；温度和压力在可控范围内.

分析：该电机为交流电机,当运行过程中,将室外机风机电容短路后整机马上跳开,由于瞬间电流达到IPM的保护电流时,IPM作出保护,整机就跳开,如此周期性保护.

4）制冷,空调自由频率,外电机电容开路,测试情况如图9,整机出现周期性的保护,没有异常.通过“监测软件”观察,软件没有输出保护信号；温度和压力在可控范围内.

分析：该电机为交流电机,当运行过程中,将室外机风机电容开路后,电机转速下降,冷凝器换热效果降低,系统压力和电流随之增大,当达到IPM的保护电流时,IPM作出保护,整机就跳开,如此周期性保护.

5）制冷,空调自由频率,压缩机缺相,测试情况如图10,整机跳开,过一段时间尝试启动,但启动没有成功,再进入保护状态,如此周期性的保护,没有异常.

通过“监测软件”观察,软件没有输出保护信号；温度和压力在可控范围内.

分析：运行过程中断开压缩机某一相,压缩机失步,另外两相电流迅速增大,触发IPM马上跳开保护.

此后一段时间内,直流母线电压持续过高,IPM锁定保护,当直流母线电压降低到能启动时,由于只有两相供电,压缩机启动失败,如此周期性保护.

6）制冷,空调自由频率,将IPM模块与散热片配合不紧密,测试情况如图11,整机运行一段时间就跳开,没有起来,没有出现异常.通过“监测软件”观察,软件没有输出保护信号；温度和压力在可控范围内.

分析：运行过程中由于IPM模块与散热片配合不紧密,IPM模块温度逐渐升高,超过IPM承受温度时,IPM就烧毁,空调就不能运行.经拆机检查,确实IPM已烧毁.

7）实验小结：在对空调所有保护都取消（“裸机”状态）的情况下,最终由IPM进行保护.由于IPM智能模块自身产生的故障信号是非保持性的,如果保护结束后故障源仍旧没有排除,IPM就会重复自动保护的过程,反复动作.当达到IPM保护的极限时,IPM自身为烧毁,不会影响空调整机产生危险.通过以上的实验情况分析,在符合3C标准19.13的情况下,空调整机具备保护能力,以防危险的发生.