BE1028460B1 - Technik zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe - Google Patents

Abstract

Ein Aspekt betrifft eine Vorrichtung (100) zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe (200) einer elektrischen Maschine (300). Die Vorrichtung umfasst einen ersten Eingang (102) zur Erfassung eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang (104) zur Erfassung eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals. Die Vorrichtung umfasst ferner einen oder mindestens zwei Abschaltwege (106) der Ansteuerung. Jeder Abschaltweg (106) umfasst jeweils einen Eingangskoppler (110), der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) zu übertragen; mindestens einen Ausgang (130) zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe (200); und mindestens eine Modulationslogikeinheit (120), die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal (166; 168) und das vom jeweiligen Eingangskoppler (110) übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang (130) als freischaltbares Modulationssignal (108) auszugeben.

Description

* BE2020/5507 Technik zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe Die Erfindung betrifft eine Technik zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe einer elektrischen Maschine. Insbesondere sind, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Vorrichtung zur Freischaltung einer Leistungsstufe und ein damit ausgestatteter Frequenzumrichter offenbart. Zum Antrieb eines Elektromotors existieren bereits Frequenzumrichter mit einer Funktion zur sicheren Drehmoment-Unterbrechung, die fachsprachlich als "Safe Torque Off"-Funktion (STO-Funktion) bezeichnet wird. Das Dokument DE 10 2011 003 922 A1 beschreibt einen solchen Frequenzumrichter, dessen STO-Eingangssignal dynamisiert ist, d.h. zeitabhängig ist. Eine Versorgungsspannung-Erzeugungseinheit eliminiert einen Gleichspannungsanteil. Nur wenn ein zeitabhängiges Signal vorliegt wird eine Versorgungsspannung für Übertragungsmittel und Treiber zur Ansteuerung einer Leistungsstufe erzeugt. Beim Ausfall der Dynamisierung wird gemäß dem Prinzip der Ausfallsicherheit (fachsprachlich auch: fail-safe) automatisch die Versorgungsspannung unterbrochen.

Jedoch muss für dieses Prinzip das dynamische Signal erzeugt werden. Dies kann z.B. durch einen Mikrocontroller geschehen oder durch einen andersartigen Taktgenerator. Zusätzlich muss das dynamische Signal durch eine Verarbeitungseinheit ausgewertet werden.

Während eine solche Konstruktion mit vertretbarem Mehraufwand realisierbar ist für Frequenzumrichter, die für weitere Funktionen einen Mikrocontroller benötigen, ist der Einsatz eines Mikrocontrollers oder anderer aufwendiger Schaltungen ausschließlich zur Dynamisierung unverhältnismäBig, beispielsweise bei einfachen Drehzahlstartern. Insbesondere ist noch keine STO-Funktion bei einfachen Drehzahlstartern bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik zur sicheren Freischaltung der Steuerung einer Leistungsstufe, insbesondere einer STO-

? BE2020/5507 Funktion, anzugeben, die ohne aufwändige Dynamisierung des Eingangssignals auskommt, vorzugsweise die auch in einen einfachen Drehzahlstarter integrierbar ist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäfige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Ein erster Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe einer elektrischen Maschine. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Eingang zur Erfassung oder zum Anschluss eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang zur Erfassung oder zum Anschluss eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals. Ferner umfasst die Vorrichtung einen oder mindestens zwei Abschaltwege der Ansteuerung. Jeder Abschaltweg umfasst jeweils: - einen Eingangskoppler, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen zu übertragen; - mindestens einen Ausgang zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe; und - mindestens eine Modulationslogikeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal und das vom jeweiligen Eingangskoppler übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang als freischaltbares Modulationssignal auszugeben.

Das freischaltbare Modulationssignal kann auch als sicheres Modulationssignal bezeichnet werden.

Die Modulationslogikeinheit kann ein logischer Operator sein. Alternativ oder ergänzend kann die Modulationslogikeinheit eine Logikeinheit sein, die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal, das von einem Modulator erzeugt ist, und das vom jeweiligen Eingangskoppler übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang als das freischaltbare Modulationssignal auszugeben. Der Schalter einer Halbbrücke kann ein Halbleiterschalter sein.

Die Vorrichtung kann ein Schaltungsteil der funktionalen Sicherheit für oder in einem Frequenzumrichter sein.

Die elektrischen Maschine kann ein Elektromotor sein.

Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können die Ansteuerung der Leistungsstufe mittels der Modulationslogikeinheit unter die Bedingung stellen, dass das Sicherheitsfunktionssignal am ersten Eingang und/oder am zweiten Eingang anliegt. Entfällt das Sicherheitsfunktionssignal am ersten Eingang und/oder am zweiten Eingang, gibt die oder jede Modulationslogikeinheit das dem jeweiligen Schalter einer Halbbrücke zugeordnete Modulationssignal nicht an die Leistungsstufe aus, da das übertragene Sicherheitsfunktionssignal entfallen ist (d.h. nicht anliegt oder logisch gleich Null ist), d.h. die Ansteuerung der Leistungsstufe unterbleibt.

In denselben Ausführungsbeispielen oder weiteren Ausführungsbeispielen kann der oder jeder Abschaltweg jeweils (beispielsweise unabhängig von dem oder den anderen Abschaltwegen) dazu ausgebildet sein, das Sicherheitsfunktionssignal zwischen den Eingängen zu überwachen (beispielsweise mittels des jeweiligen Eingangskopplers zu erfassen) und in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals die Ansteuerung der Leistungsstufe zu beenden (beispielsweise mittels der Modulationslogikeinheit).

Das Sicherheitsfunktionssignal kann an den Eingängen entfallen sein, falls der erste Eingang oder der zweite Eingang unterbrochen oder potentialfrei ist. Das Sicherheitsfunktionssignal kann anliegen (beispielsweise nur dann anliegen), falls ein Strom vom ersten Eingang zum zweiten Eingang fließt. Ein das Sicherheitsfunktionssignal repräsentierender Strom kann vom ersten Eingang durch den oder jeden Eingangskoppler zum zweiten Eingang fließen. Der Eingangskoppler kann dazu ausgebildet sein, das durch einen zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang fließenden Strom oder durch eine zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang anliegende Spannung repräsentierte Sicherheitsfunktionssignal zu übertragen. Die logische Verknüpfung kann eine logische Und-Verknüpfung (oder Konjunktion) zwischen dem zugeordneten Modulationssignal und dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal sein. Aufgrund der Und-Verknüpfung kann ein (vorzugsweise positives) übertragenes Sicherheitsfunktionssignal Voraussetzung für eine Weiterleitung oder eine Übertragung oder eine Ausgabe des zugeordneten Modulationssignals an die Leistungsstufe sein. Die Vorrichtung kann zur Freischaltung der Ansteuerung von N Halbbrücken (beispielsweise für N Phasen) der Leistungsstufe ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann mindestens 2N Ausgänge umfassen. Jeder Halbbrücke kann Jeweils ein Paar der Ausgänge zugeordnet sein. Jedes Paar der Ausgänge kann dazu ausgebildet sein, der jeweiligen Halbbrücke zugeordnete Schalter (vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise einen high-side- Halbleiterschalter und einen low-side-Halbleiterschalter) der Leistungsstufe anzusteuern.

Die Vorrichtung kann mindestens zwei Abschaltwege umfassen, deren Eingangskoppler zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang in Reihe geschaltet sind.

> BE2020/5507 Das Sicherheitsfunktionssignal kann ein Signal zur sicheren Drehmoment- Unterbrechung (kurz: STO-Signal) der elektrischen Maschine sein.

Das STO- Signal und/oder die Vorrichtung können gemäß der Europäischen Norm IEC 61800-5-2:2007 und/oder der Stoppkategorie 0 oder 1 der Europäischen Norm

60204 ausgebildet sein.

Die elektrische Maschine kann als Motor und/oder als Generator eingesetzt oder einsetzbar sein.

Die Freischaltung kann (beispielsweise beim Motor) ein

Antriebsdrehmoment unterbrechen und/oder (beispielsweise beim Generator) ein Bremsmoment unterbrechen.

Die elektrische Maschine kann ein Elektromotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor sein.

Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Maschine eine Drehstrommaschine sein.

Die Vorrichtung kann ferner einen Transformator umfassen, der dazu ausgebildet ist, eine von einer Steuereinheit zur Überwachung der Freischaltung und/oder einem Modulator zum Erzeugen des Modulationssignals galvanisch entkoppelte Versorgungspannung an den Eingangskopplers und/oder an die Modulationslogikeinheit und/oder an den Ausgangs (beispielsweise den Optokoppler des Ausgangs) auszugeben oder bereitzustellen.

Eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers oder jedes Eingangskopplers und/oder eine Versorgungsspannung der Modulationslogikeinheit oder jeder Modulationslogikeinheit kann unabhängig vom Sicherheitsfunktionssignal (beispielsweise unabhängig vom Anliegen oder Fehlen des Sicherheitsfunktionssignals) ausgegeben oder bereitgestellt sein.

Alternativ oder ergänzend kann eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers oder jedes

Eingangskopplers und/oder eine Versorgungsspannung der Modulationslogikeinheit oder jeder Modulationslogikeinheit galvanisch entkoppelt sein von einer Betriebsspannung eines das Modulationssignal erzeugenden

° BE2020/5507 Modulators und/oder eines das freischaltbare Modulationssignal am Ausgang ausgebenden Ausgangskopplers (beispielsweise eines Optokopplers). Der oder jeder Abschaltweg kann ferner einen Filter umfassen. Der Filter kann zwischen den Eingangskoppler und die Modulationslogikeinheit geschaltet sein. Der Filter kann einen Verstärker umfassen. Der Verstärker kann das galvanisch getrennt übertragene Sicherheitsfunktionssignal verstärken, beispielsweise auf eine Spannung zur Ansteuerung der Leistungsstufe und/oder auf eine Spannung von mehr als 100 V oder mehr als 200 V. Alternativ oder ergänzend kann der Filter einen Tiefpass umfassen. Der Tiefpass kann das verstärkte Sicherheitsfunktionssignal filtern. Alternativ oder ergänzend kann der Filter einen Schmitt-Trigger umfassen. Der Schmitt-Trigger kann das verstärkte und/oder gefilterte Sicherheitsfunktionssignal mit einem hysteretischen Signalverlauf ausgeben, beispielsweise an die Modulationslogikeinheit.

Eine Zeitkonstante (beispielsweise eine Zeitcharakteristik oder Filterlänge) des Tiefpass kann unabhängig von einer Spannung des Sicherheitsfunktionssignals sein.

Der oder jeder Abschaltweg kann ferner eine Testlogikeinheit umfassen. Die Testlogikeinheit kann zwischen den Eingangskoppler und der Modulationslogikeinheit geschaltet sein. Die Testlogikeinheit kann eingangsseitig das übertragene Sicherheitsfunktionssignal und ein Testsignal logisch verknüpft (beispielsweise gemäß einer Und-Verknüpfung).

Die Vorrichtung kann ferner eine Steuereinheit (140) umfassen, die dazu ausgebildet ist, das Testsignal zur Unterbrechung des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals (beispielsweise eine logische Null) zu erzeugen und in Reaktion auf das Testsignal an einem Signalabgriff an der Modulationslogikeinheit oder am Ausgang einen Signalverlauf zu überwachen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Anweisung zum Abschalten des Modulationssignals an einen das Modulationssignal erzeugenden Modulator auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster der Freischaltung der Ansteuerung entspricht. Die Vorrichtung kann ferner einen Modulator-Abschaltweg umfassen. Der Modulator-Abschaltweg oder die Vorrichtung kann einen das Modulationssignal erzeugenden Modulator umfassen. Der Modulator-Abschaltweg kann ferner einen Eingangskoppler umfassen, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen als (beispielsweise logisch invertierte) Abschaltanweisung an den Modulator zu übertragen. Die Modulator kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals das Modulationssignal abzuschalten.

Die Vorrichtung kann ferner ein Modulator umfassen, der dazu ausgebildet ist, das mindestens eine Modulationssignal zu erzeugen. Der Modulator kann in einem eigenen Abschaltweg (dem Modulator-Abschaltweg) mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal beauflagt sein. Der Modulator kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Entfallen (d.h. das Fehlen) des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals die Erzeugung des mindestens einen Modulationssignals zu unterbrechen (d.h. abzuschalten).

Die Vorrichtung kann ferner einen Steuereinheit-Abschaltweg umfassen. Der Steuereinheit-Abschaltweg oder die Vorrichtung kann eine Steuereinheit umfassen. Der Steuereinheit-Abschaltweg kann ferner einen Eingangskoppler umfassen, der eingangsseitig beispielsweise zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen an die Steuereinheit zu übertragen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals einen Signalverlauf an einem Signalabgriff an der Modulationslogikeinheit oder am Ausgang zu überwachen. Beispielsweise kann die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet sein, eine Anweisung zum Abschalten des Modulationssignals an einen das Modulationssignal erzeugenden Modulator auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster der Freischaltung der Ansteuerung entspricht.

5 Die Vorrichtung kann ferner einen Halte-Abschaltweg (auch: Brems- Abschaltweg) umfassen. Der Halte-Abschaltweg kann eine elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung und einen Eingangskoppler umfassen, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang und vom zweiten Eingang an die elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung zu übertragen. Die elektromechanische Bremse kann dazu ausgebildete sein, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Bremsmoment an einer Welle der elektrischen Maschine zu erzeugen, oder die elektromechanische Drehverriegelung kann dazu ausgebildet sein, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Haltemoment an einer Welle der elektrischen Maschine zu erzeugen.

Ein zweiter Aspekt betrifft einen Frequenzumrichter zum Antrieb eines Elektromotors. Der Frequenzumrichter umfasst eine Leistungsstufe, die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe mindestens eines freischaltbaren Modulationssignals mindestens eine Phase des Elektromotors (beispielsweise Schalter einer Halbbrücke der Leistungsstufe) zu schalten oder zu erzeugen. Ferner umfasst der Frequenzumrichter einen Modulator, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Modulationssignal zur Ansteuerung der Leistungsstufe zu erzeugen. Ferner umfasst der Frequenzumrichter eine Vorrichtung zur Freischaltung der Ansteuerung der Leistungsstufe gemäB dem ersten Aspekt. Gemäß dem ersten Aspekt kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, das mindestens eine Modulationssignal des Modulators jeweils mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal logisch verknüpft zur Ausgabe des freischaltbaren Modulationssignals.

Hierin umfasst der Begriff Frequenzumrichter auch einen Wechselrichter mit (beispielsweise nach Maßgabe des mindestens einen Modulationssignals) veränderlicher Frequenz. Dabei kann der Wechselrichter je nach Anzahl der von der Leistungsstufe geschalteten Phasen ein einphasiger, zweiphasiger, dreiphasiger oder mehrphasiger Wechselrichter sein.

Der Frequenzumrichter kann mit Gleichspannung oder Wechselspannung betrieben sein. Beispielsweise kann die Leistungsstufe eingangsseitig mit einer Gleichspannung als Versorgungspannung beaufschlagt oder beaufschlagbar sein. Alternativ oder ergänzend kann der Frequenzumrichter einen Gleichrichter (beispielsweise einen Zwischenkreis mit Gleichrichter) umfassen, der eingangsseitig mit einer Wechselspannung als Versorgungspannung beaufschlagt oder beaufschlagbar ist. Ausgangsseitig kann der Gleichrichter (oder der Zwischenkreis) mit dem Eingang der Leistungsstufe elektrisch verbunden sein.

Die Frequenzumrichter kann ein Drehzahlstarter sein oder in einen Drehzahlstarter integrierbar sein. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den Modulator zu gemäß einem Anlassverfahren des Elektromotors zu steuern und/oder den Modulator zum Reversieren des Elektromotors zu steuern. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer allgemein mit Bezugszeichen 200 bezeichneten Leistungsstufe. Die Leistungsstufe 200 kann zum Antrieb oder zur Stromabnahme einer allgemein mit Bezugszeichen 300 bezeichneten elektrischen Maschine, d.h. eine Elektromotors bzw. eines Elektrogenerators, ausgebildet oder einsetzbar sein.

Das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 umfasst einen ersten Eingang 102 zur Erfassung eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang 104 zur Erfassung eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 im Fall des ersten Ausführungsbeispiels einen Abschaltweg 106 der Ansteuerung. Andere Ausführungsbeispiele können zwei oder mehr Abschaltwege 106 umfassen. Jeder Abschaltweg 106 umfasst jeweils einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet. Der Eingangskoppler 110 ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 zu übertragen.

Ferner umfasst jeder Abschaltweg 106 jeweils mindestens einen Ausgang 130 zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe 200 (beispielsweise einer Phase der Leistungsstufe 200), vorzugsweise jeweils zur Ansteuerung eines positiven oder negativen Abschnitts der Phase und/oder eines Halbleiterschalters (beispielsweise eines IGBTs) am high-side-Zweig oder am low-side Zweig der Leistungsstufe 200. Ferner umfasst jeder Abschaltweg 106 jeweils eine Modulationslogikeinheit 120, die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter (beispielsweise dem positiven oder negativen Abschnitt der Phase) zugeordnetes Modulationssignal 166 und das vom jeweiligen Eingangskoppler 110 übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang als freischaltbares Modulationssignal 108 auszugeben. Vorzugsweise weist das Modulationssignal zwei Logikpegel auf und/oder entspricht einer Puls-Weiten- Modulation (PWM).

Entfällt das Sicherheitsfunktionssignal wird eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers 110 und/oder der Modulationslogikeinheit 120 vorzugsweise nicht gesteuert oder nicht unterbrochen. Alternativ oder ergänzend kann der Ausfall der Versorgungsspannung in jedem Abschaltweg 106 wirkungsgleich sein zum Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals, d.h. die Ansteuerung wird beim Ausfall der Versorgungsspannung Freigeschalten.

In jedem Ausführungsbeispiel kann der eine oder die mindestens zwei Abschaltwege 106 eine sichere Drehmoment-Unterbrechung (d.h. eine "Safe Torque Off" oder STO-Funktion) realisieren.

In jedem Ausführungsbeispiel kann der Ausgang 130 einen Ausgangskoppler zur galvanisch getrennten Übertragung des freischaltbaren Modulationssignals 108 an die Leistungsstufe 200 umfassen. Der Ausgangskoppler kann einen Optokoppler umfassen.

Während das erste Ausführungsbeispiel einen Abschaltweg 106 umfasst können weitere Ausführungsbeispiele, beispielsweise in Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels, zwei oder mehr Abschaltwege 106 aufweisen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung 100 zur Ansteuerung einer Leistungsstufe 300 für einphasigen Wechselstrom zwei Abschaltwege 106 für den oberen (fachsprachlich auch: "high-side") bzw. unteren (fachsprachlich auch: "low-side") Zweig einer Halbbrücke umfassen. Optional kann ein dritter Abschaltweg für einen die Vorrichtung überwachenden oder prüfenden Mikrocontroller vorgesehen sein. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung 100 zur Ansteuerung einer Leistungsstufe 300 für Drehstrom sechs Abschaltwege 106 für den oberen (fachsprachlich auch: "high-side") bzw. unteren (fachsprachlich auch: "low-side") Zweig von jeweils drei Halbbrücke (fachsprachlich auch: B6- Brücke) umfassen. Optional kann ein siebter Abschaltweg für einen die Vorrichtung überwachenden oder prüfenden Mikrocontroller vorgesehen sein.

In jedem Ausführungsbeispiel können zur Realisierung einer STO-Funktion, beispielsweise in einem Drehzahlstarter des Elektromotors 300, ein oder mindestens zwei getrennte Abschaltwege 106 vorgesehen sein. Am ersten Eingang 102 kann ein "STO+"-Signal (beispielsweise mit einer Nennspannung von 24 V) erfasst und/oder angeschlossen werden. Am zweiten Eingang 104 kann ein dazugehörenden Referenzpotentials oder Bezugspotenzials, d.h. ein "STO-"-Signals, (beispielsweise mit einer Nennspannung von 0 V) erfasst und/oder angeschlossen werden. Fällt eines der beiden Signale weg (beispielsweise indem der entsprechende Eingang potentialfrei wird oder eine elektrische Verbindung des entsprechenden Eingangs hochohmig wird), so fällt in jedem Abschaltweg das übertragene Sicherheitsfunktionssignal weg, d.h. es wird die Sicherheitsfunktion ausgelöst. Im Eingangskopplers 110 sind diese beiden Signale, STO+ und STO-, jeweils mittels eines Optokopplers 110 von dem jeweiligen Abschaltweg 106 galvanisch getrennt. Der oder die Abschaltwege 106 können auch als Kanal bzw. Kanäle bezeichnet werden.

Die Leistungsstufe 200 wird von einem positiven Anschluss 202 (DC+) und einem negativen Anschluss 204 (DC-) einer Gleichspannung (beispielsweise eines Gleichspannungsnetzes oder einer gleichgerichteten Spannung) gespeist sein. Die Leistungsstufe schaltet die Gleichspannung nach Maßgabe des Modulationssignals 166 zur Erzeugung der entsprechenden (d.h. dem Modulationssignal 166 zugeordneten) Phase für die elektrische Maschine 300. Die Vorrichtung 100 kann als ein Schaltungsteil der funktionalen Sicherheit, vorzugsweise als ein Schaltungsteil der Sicherheitsfunktion STO, realisiert sein.

Ferner zeigt die Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines allgemein mit Bezugszeichen 400 bezeichneten Frequenzumrichters zum Antrieb eines Elektromotors 300.

Das erste Ausführungsbeispiel des Frequenzumrichters 400 umfasst eine Leistungsstufe 200, die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe mindestens eines freischaltbaren Modulationssignals 108 mindestens eine Phase des Elektromotors 300 zu schalten oder zu erzeugen. Hierzu kann die Leistungsstufe 200 je Phase eine Halbleiterbrücke mit jeweils zwei Schaltern (beispielsweise Halbleiterschalter) umfassen. Ferner umfasst der Frequenzumrichters 400 einen Modulator 160, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Modulationssignal 166 zur Ansteuerung der mindestens einen Halbleiterbrücke (beispielsweise der jeweiligen Schalter der Halbleiterbrücke) der Leistungsstufe 200 zu erzeugen. Der Frequenzumrichters 400 umfasst ferner eine Vorrichtung 100 zur Freischaltung der Ansteuerung der Leistungsstufe 200 gemäß einem der hierin beschrieben Ausführungsbeispiele, wobei die Vorrichtung 100 das mindestens eine Modulationssignal 166 des Modulators 160 jeweils mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal logisch verknüpft zur Ausgabe des freischaltbaren Modulationssignals 108 der jeweiligen Phase (beispielsweise der jeweiligen Schalter der Halbleiterbrücke der Leistungsstufe 200).

Jedes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 und/oder des Frequenzumrichters 400 kann einen Transformator 150 (beispielsweise einen

Gleichspannungswandler) mit galvanischer Trennung umfassen. Beispielsweise weist der Transformator 150 einen ersten galvanisch entkoppelten Ausgang 152 auf, an dem der Transformator 150 eine Versorgungsspannung für die Vorrichtung 100 bereitstellt, vorzugsweise für den Eingangskoppler 110 und/oder für die Modulationslogikeinheit 120 und/oder den Ausgang 130. Ein optionaler zweiter entkoppelter Ausgang 154 des Transformators 150 stellt die Versorgungsspannung des Ausgangs 130 und/oder eine Betriebsspannung an den Eingängen 162 und 164 des Modulators 160 und/oder eine Betriebsspannung einer Steuereinheit (beispielsweise eines Mikrocontrollers) der Vorrichtung 100 bereit.

Vorzugsweise erfolgt die Freischaltung der Ansteuerung ausschließlich über den oder die Abschaltwege 106 (oder einen der weiteren Abschaltwege 107A und/oder 107B), während die Versorgungs- und Betriebsspannungen der anderen Komponenten der Vorrichtung 100 und/oder des Frequenzumrichters 400 nicht gesteuert, beispielsweise nicht unterbrochen, werden wenn das Sicherheitsfunktionssignal entfällt.

Elektrische Antriebe müssen Sicherheitsfunktionen erfüllen. Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 oder des Frequenzumrichters 400 können eine Sicherheitsfunktion zur Drehmoment-Unterbrechung (fachsprachlich auch als "Safe Torque Off" oder STO bezeichnet) realisieren, indem die Leistungsstufe durch das freischaltbare Modulationssignal 108 (beispielsweise mit einer Spannung von 0 V) angesteuert wird, eine Stromversorgung des Elektromotors 300 als Antrieb sofort zu unterbrechen. Die Sicherheitsfunktion "STO" des den Antrieb 300 ansteuernden Frequenzumrichters 400 kann den Strom und damit das Drehmoment des Antriebs unterbrechen.

Der Antrieb 300 kann nach der STO-Abschaltung mittels der Vorrichtung 100 bzw. des Frequenzumrichters 400 kein Drehmoment mehr erzeugen. Mit der Unterbrechung des Stroms kann ein Drehmoment des Antriebs 300 mit sofortiger Wirkung entfallen und der Antrieb 300 ungesteuert stillgesetzt werden.

Die Sicherheitsfunktion STO kann der Stoppkategorie 0 der Europäischen Norm EN 60204 entsprechen.

Da der Antrieb 300 bei der STO-Abschaltung kein Bremsmoment mehr elektrisch erzeugen kann, sind zur Bremsung des Antriebs 300 gesonderte Maßnahmen wie eine mechanische Bremse vorteilhaft, beispielsweise damit kein unerwünschter Nachlauf oder kein Überschreiten von Endlagen erfolgt. Bei Einwirken äußerer Kräfte (wie beispielsweise einer angehobenen Masse oder von Federkräfte) kann eine mechanische Bremse oder eine mechanische Sperre dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals ein Bremsmoment oder ein Haltemoment für eine Welle des Elektromotors 300 zu erzeugen, vorzugsweise um die bei einem momentenfreien Antrieb 300 mögliche Lageveränderung zu verhindern.

Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 einen Halte-Abschaltweg umfassen. Der Halte-Abschaltweg umfasst einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet. Der Eingangskoppler 110 ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 an eine elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung zu übertragen. Entfällt das übertragene Sicherheitsfunktionssignal, erzeugt die Bremse das Bremsmoment oder die Drehverriegelung das Haltemoment an einer Welle der elektrischen Maschine

300.

In jedem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Maschine 300 ein Elektromotor sein. Der Elektromotor 300 kann ein dreiphasiger Asynchronmotor sein, beispielsweise mit einer Leistungsaufnahme von 50 W bis 3 kW.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel kann für sich oder als

Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten Ausführungsbeispiels, realisierbar sein. Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst mindestens zwei Abschaltwege 106, beispielsweise zwei Abschaltwege für jeweils eine von der Leistungsstufe 200 erzeugte Phase zum Antrieb des Elektromotors 300 oder zwei Abschaltwege für alle (beispielsweise drei) von der Leistungsstufe 200 erzeugten Phasen zum Antrieb des Elektromotors 300. Als Modulationssignal 166 für die mindestens eine Modulationslogikeinheit 120 des ersten Abschaltwegs 106 (beispielsweise je Phase) erzeugt der Modulator 160 ein pulsweiten-moduliertes Signal 166 zur Erzeugung des Phasenabschnitts positiver Spannung (beispielsweise positiv bezüglich einer zeitlich gemittelten Spannung der jeweiligen Phase) oder zur Ansteuerung eines oberen (auch: high-side) Zweigs einer Halbbrücke zur Erzeugung der jeweiligen Phase in der Leistungsstufe 200. Ferner erzeugt der Modulator 160 als das Modulationssignal 168 der mindestens einen Modulationslogikeinheit 120 des zweiten Abschaltwegs 106 (beispielsweise je Phase) ein pulsweiten-moduliertes Signal 168 zur Erzeugung des Phasenabschnitts negativer Spannung (beispielsweise bezüglich einer zeitlich gemittelten Spannung der jeweiligen Phase) oder zur Ansteuerung eines unteren (auch: low-side) Zweigs der Halbbrücke zur Erzeugung der jeweiligen Phase in der Leistungsstufe 200.

In jedem Ausführungsbeispiel können die Eingänge 102 und/oder 104 kompatibel zu Testimpulsen von Sicherheitsschaltgeräten sein. Beispielsweise werden die Testimpulse herausgefiltert, vorzugsweise in jedem Abschaltweg 106 (und ggf. in jedem der weiteren Abschaltwege 107A und/oder 107B). Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 und/oder des Frequenzumrichters 400 können sowohl für positive als auch negative Testimpulse ausgebildet sein. Vorzugsweise ist eine Filterzeit zum Herausfiltern der Testimpulse unabhängig von einer Spannungshöhe an den Eingängen 102 und/oder 104.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 100 mindestens einen Modulator- Abschaltweg 107A. Jeder Modulator-Abschaltweg 107A umfasst jeweils einen

Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet, beispielsweise in Reihe mit den Eingangskopplern 110 der Abschaltwege 106. Der Eingangskoppler 110 des Modulator-Abschaltwegs 107A ist dazu ausgebildet,

das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 als (beispielsweise logisch invertierte) Abschaltanweisung 142 zum Abschalten der Modulationssignale 166 und 168 an den Modulator 160 zu übertragen.

Die Vorrichtung 100, beispielsweise der Modulator-Abschaltweg 107A, kann den von dem übertragenen

Sicherheitsfunktionssignal gesteuerten Modulator 160 umfassen.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters 400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Das dritte Ausführungsbeispiel kann für sich oder als

Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels, realisierbar sein.

Vorzugsweise umfasst jeder Abschaltweg 106 einen Filter 122, beispielsweise einen Tiefpass-Filter 122. Innerhalb des jeweiligen Abschaltwegs 106 kann der

Filter 122 zwischen dem Eingangskoppler 110 und der Modulationslogikeinheit 120, beispielsweise zwischen einer Testlogikeinheit 121 und der Modulationslogikeinheit 120 geschaltet sein.

Durch die galvanische Trennung mittels des jeweiligen Eingangskopplers 110 ist es möglich, den oder die Abschaltwege 106 auf dem berührgefährlichen Potenzial der Ansteuerung der Leistungsstufe 200 zu realisieren.

Dadurch kann die Vorrichtung 100 einen sich auf diesem Potenzial befindlichen Mikrocontroller 140 für Diagnosezwecke und/oder in einem Mikrocontroller-Abschaltweg 107B (beispielsweise in einem dritten Abschaltweg oder in einem weiteren

Abschaltweg) nutzen.

Beispielsweise kann das übertragene Sicherheitsfunktionssignal innerhalb des Abschaltwegs 106 durch eine Spannung von mehr als 100 V repräsentiert sein.

Der Filter 122 kann einen Verstärker 124 umfassen, der dazu ausgebildet ist, das übertragene Sicherheitsfunktionssignal auf das Potenzial der Ansteuerung der Leistungsstufe 200 zu verstärken.

Alternativ oder ergänzend kann der Filter 122 einen Tiefpass 126 und/oder einen Schmitt-Trigger 128, vorzugsweise invertierender Schmitt-Trigger 128 umfassen. Entfällt das Sicherheitsfunktionssignal beim in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel leitet ein erster Abschaltweg 106 ein erstes PWM-Signal (als erstes Modulationssignal 166) des Modulators 160 (als High-Side-Treiber) nicht weiter. Ein zweiter Abschaltweg 106 leitet ein zweites PWM-Signale (als zweites Modulationssignal 168) des Modulators 160 (als Low-Side-Treiber) nicht weiter.

Jedes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 kann ferner einen Mikrocontroller-Abschaltweg 107B umfassen, beispielsweise als ein dritter Abschaltweg und/oder wie schematisch in Fig. 3 gezeigt. Der Mikrocontroller- Abschaltweg 107B umfasst einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet, beispielsweise in Reihe mit den Eingangskopplern 110 der Abschaltwege 106 und/oder dem Eingangskoppler 110 des Abschaltwegs 107A.

Der Eingangskoppler 110 des Mikrocontroller-Abschaltwegs 107B ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 an einen Mikrocontroller 140 des Abschaltwegs 107B der Vorrichtung 100 zu übertragen.

Der Mikrocontroller 140 kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals an einem Signalabgriff am Ausgang 130 jedes Abschaltwegs 106 zu überprüfen, ob das freischaltbare Modulationssignal tatsächlich ausgeschaltet ist, beispielsweise auf 0 V oder DC- gesetzt ist.

Alternativ oder ergänzend ist der Mikrocontroller 140 dazu ausgebildet, in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals eine Abschaltanweisung 142 zum Abschalten des Modulationssignals an den Modulator 160 auszugeben, beispielsweise eine Abschaltanweisung 142 zum Abschalten der Modulationssignale 166 und 168, an den Modulator 160 zu übertragen. Beispielsweise schaltet der Mikrocontroller 140 die PWM-Signale 166 und 168 ab.

Die Vorrichtung 100, beispielsweise der Modulator-Abschaltweg 107A, kann den von dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal gesteuerten Modulator 160 umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Modulator 160 im Frequenzumrichter 400 außerhalb der Vorrichtung 100 angeordnet sein.

In jedem Ausführungsbeispiel können, um die Rückwirkungsfreiheit der betrieblichen Funktionen zur funktionalen Sicherheit (beispielsweise der Funktionen der Vorrichtung 100) zu gewährleisten, sämtliche Signale (beispielsweise das übertragene Sicherheitsfunktionssignal und/oder das Modulationssignal 166 oder 168 des Modulators 160 und/oder das freischaltbare Modulationssignal 108) und/oder und die Versorgungsspannung des ersten Ausgang 152 des Transformators 150 und/oder die Betriebsspannung des zweiten Ausgang 154 des Transformators 150 voneinander entkoppelt sein.

In jedem Ausführungsbeispiel kann zur Überprüfung der Schaltfähigkeit (beispielsweise der Modulationslogikeinheit 120 und/oder des Schmitt-Triggers 128) und/oder des zeitlichen Verhaltens der einzelnen Abschaltwege 106 (beispielsweise einer Zeitkonstante des Filters 122, vorzugsweise des Tiefpasses 124) in einem oder jedem Abschaltweg 106 eine Testlogikeinheit 121 als Testschalter eingebaut sein.

In jedem Abschaltweg 106 kann eine Testlogikeinheit 121 zwischen den Eingangskoppler 110 und der Modulationslogikeinheit 120, beispielsweise zwischen den Eingangskoppler 110 und den Filter 122, geschaltet sein. Die

Testlogikeinheit 121 kann dazu ausgebildet sein, das vom Eingangskoppler 110 übertragene Modulationssignal und ein Testsignal 144 logisch zu verknüpfen, beispielsweise gemäß einer Und-Verknüpfung und dieses im Abschaltwegs 106 auszugeben, beispielsweise an den Filter 122 oder an die Modulationsiogikeinheit 120.

Die Vorrichtung 100 kann eine Steuereinheit 140, beispielsweise den vorgenannten Mikrocontroller 140, zur Überprüfung der Schaltfähigkeit und/oder des zeitlichen Verhaltens umfassen.

Die Steuereinheit 140 kann dazu ausgebildet sein, mittels eines Testsignals 144 (beispielsweise einer logischen Null) das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals im jeweiligen Abschaltweg 106 zu simulieren. Die Steuereinheit 140 kann ferner dazu ausgebildet sein, einen Spannungsverlauf des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals an einem Signalabgriff 129 im jeweiligen Abschaltweg 106 zwischen der Testlogikeinheit 121 und der Modulationslogikeinheit 120 zu erfassen (beispielsweise abzutasten). Entfällt das übertragene Sicherheitsfunktionssignals am Signalabgriff 129 innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters nach der Ausgabe Testsignals 144 zur Simulation des entfallenen Sicherheitsfunktionssignals, ist ein Ergebnis der Überprüfung ein Betriebszustand der Vorrichtung 100. Andernfalls ist ein Ergebnis der Überprüfung ein Fehlerzustand. Im Fehlerzustand kann die Steuereinheit 140 den Fehlerzustand ausgeben (beispielsweise optisch und/oder akustisch ausgeben) und/oder die Abschaltanweisung 142 zum Abschalten des Modulationssignals 166 und/oder 168 an den Modulator 160 ausgeben (vorzugsweise unabhängig davon, ob das Sicherheitsfunktionssignal an den Eingängen 102 und 104 anliegt oder entfallen ist). Alterativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 140 (beispielsweise der vorgenannte Mikrocontroller 140) der Vorrichtung 100 dazu ausgebildet sein, mindestens eine der folgenden Steuerfunktionen auszuführen. Eine erste Steuerfunktion ist das Starten des Motors 300, vorzugsweise als Sanftanlauf

(fachsprachlich auch: Softstart) mit Leistungsbegrenzung beim Einschalten des Motors 300. Eine zweite Steuerfunktion ist das Reversieren des Motors 300. In jedem Ausführungsbeispiel kann die Modulationslogikeinheit 120 und/oder die Testlogikeinheit 121 mindestens ein Logikgatter (vorzugsweise ein UND-Glied) umfassen zur Realisierung der jeweiligen logischen Verknüpfung (beispielsweise einer entsprechenden booleschen Operation). In der Darstellung der Fig. 3 sind zur besseren Übersichtlichkeit nur die Abschaltwege 106 zu zwei Schaltern einer Halbbrücke der Leistungsstufe 200 eingezeichnet. Pro Schalter wird jeweils ein Ausgangskoppler 130 (beispielsweise ein Optokoppler) benötigt. Beispielsweise benötigt man im Fall einer Drehstrom-Asynchronmaschine als elektrische Maschine 300 (d.h. drei Phasen, die jeweils von einer Halbbrücke mit zwei Schaltern angesteuert sind) Insgesamt sechs Ausgangskoppler 130 (beispielsweise Optokoppler) und sechs Modulationslogikeinheiten 120. An den sechs Modulationslogikeinheiten 120 liegt jeweils ein Modulationssignal von drei Modulationssignalen 166 und drei Modulationssignalen 168 an. Die sechs Ausgangskoppler 130 geben sechs freischaltbare Modulationssignale 108 aus.

In einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels können die UND-Glieder 120 (und darüber die Ausgangskoppler 130) für verschiedene Schalter der Halbbrücken an demselben Eingangskoppler 110 oder an derselben Testlogikeinheit 121 oder an demselben Filter 122 angeschlossen sein. D.h.

einer oder jeder der Abschaltwege 106 kann mehr als einen Ausgangskoppler 130 umfassen. In einer zweiten Variante jedes Ausführungsbeispiels, die für verschiedene Abschaltwege 106 mit der ersten Variante kombinierbar sein kann, können verschiedene Schalter der Halbbrücken an jeweils eigenen Abschaltwegen 106 angeschlossen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 mehr als zwei Abschaltwege 106 umfassen.

Die Vorrichtung 100 kann als Sicherheitsfunktion des Frequenzumrichters 400 vorgesehen oder einsetzbar sein. Alternativ oder ergänzend kann die

Vorrichtung 100 eine Stromunterbrechung der Ansteuerung des Frequenzumrichters 400 bewirken.

Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene

Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können.

Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen.

Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten

Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.

Bezugszeichenliste Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe 100 Erste Eingang eines Sicherheitsfunktionssignals,

vorzugsweise eines STO-Signals 102 Zweiter Eingang eines Referenzpotentials zum Sicherheitsfunktionssignal 104 Abschaltweg 106 Modulator-Abschaltweg 107A Steuereinheit-Abschaltweg, vorzugsweise Mikrocontroller-Abschaltweg 107B

Freischaltbares Modulationssignal 108 Galvanisch trennender Eingangskoppler des Sicherheitsfunktionssignals, beispielsweise Optokoppler 110 Modulationslogikeinheit, beispielsweise UND-Glied 120 Testlogikeinheit, beispielsweise UND-Glied 121 Filter, beispielsweise Tiefpass-Filter 122 Verstärker 124 Tiefpass 126 Schmitt-Trigger, vorzugsweise invertierender Schmitt-Trigger 128 Signalabgriff zur Diagnose 129 Ausgang des freischaltbaren Modulationssignals, vorzugsweise galvanisch trennender Ausgangskoppler, beispielsweise Optokoppler 130 Steuereinheit, beispielsweise Überwachung der Sicherheitsfunktion 140 Anweisung zum Abschalten der Modulationssignale 142 — Testsignal 144 Entkoppelnder Transformator, beispielsweise galvanisch getrennter DC/DC-Wandler 150 Erster entkoppelter Ausgang des Transformators 152 Zweiter entkoppelter Ausgang des Transformators 154 Modulator, beispielsweise Mikrocontroller oder Taktgeber für PWM-Signal 160 Eingang des Betriebssignals 162 Eingang des Referenzpotentials zum Betriebssignal 164 Erstes Modulationssignal,

beispielsweise PWM-Signal für positiven Phasenabschnitt und/oder für Halbleiterschalter eines high-side-Zweigs 166 Zweites Modulationssignal, beispielsweise PWM-Signal für negativen Phasenabschnitt und/oder für Halbleiterschalter eines low-side-Zweigs 168 Leistungsstufe, beispielsweise Halbbrücke, H-Brücke oder B6-Brücke 200 Erster Netzanschluss, beispielsweise positiver Anschluss zum Gleichspannungsnetz 202 Zweiter Netzanschluss, beispielsweise negativer Anschluss zum Gleichspannungsnetz 204 Elektrische Maschine, vorzugsweise Drehstrom-Asynchronmaschine 300

Claims (15)

Ansprüche

1. Vorrichtung (100) zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe (200) einer elektrischen Maschine (300), umfassend: einen ersten Eingang (102) zur Erfassung eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang (104) zur Erfassung eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals; und einen oder mindestens zwei Abschaltwege (106) der Ansteuerung, wobei jeder Abschaltweg (106) jeweils umfasst - einen Eingangskoppler (110), der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) zu übertragen; - mindestens einen Ausgang (130) zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe (200); und - mindestens eine Modulationslogikeinheit (120), die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal (166; 168) und das vom jeweiligen Eingangskoppler (110) übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang (130) als freischaltbares Modulationssignal (108) auszugeben.

2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die logische Verknüpfung eine logische Und-Verknüpfung zwischen dem zugeordneten Modulationssignal (166; 168) und dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal ist.

3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (100) zur Freischaltung der Ansteuerung von N Halbbrücken der Leistungsstufe (200) ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (100) mindestens 2.N Ausgänge (130)umfasst, und wobei jeder Halbbrücke der Leistungsstufe (200) jeweils ein Paar der Ausgänge (130) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Abschaltwege (106; 107A; 107B) umfasst, deren

Eingangskoppler (110) zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) in Reihe geschaltet sind.

5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sicherheitsfunktionssignal ein Signal zur sicheren Drehmoment-Unterbrechung, STO-Signal, der elektrischen Maschine (300) ist, vorzugsweise gemäß der Europäischen Norm IEC 61800-5-2:2007 und/oder der Stoppkategorie 0 oder 1 der Europäischen Norm 60204.

6. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrische Maschine (300) ein Elektromotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor ist.

7. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: einen Transformator (150), der dazu ausgebildet ist, eine von einer Steuereinheit (140) zur Überwachung der Freischaltung oder einem Modulator (160) zum Erzeugen des Modulationssignals (166; 168) galvanisch entkoppelte Versorgungspannung (152) an den Eingangskopplers (110) und/oder an die Modulationslogikeinheit (120) und/oder an den Ausgangs (130) auszugeben.

8. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Versorgungsspannung (152) des Eingangskopplers (110) oder der Eingangskoppler (110) und/oder eine Versorgungsspannung (152) der Modulationslogikeinheit (120) oder der Modulationslogikeinheiten (120) unabhängig vom Sicherheitsfunktionssignal ausgegeben ist, und/oder wobei ein Versorgungsspannung (152) des Eingangskopplers (110) oder der Eingangskoppler (110) und/oder eine Versorgungsspannung (152) der Modulationslogikeinheit (120) oder der Modulationslogikeinheiten (120) galvanisch entkoppelt ist von einer Betriebsspannung (154) eines das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulators (160) und/oder eines das freischaltbare Modulationssignal (108) am Ausgang (130) ausgebenden Ausgangskopplers.

9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der oder jeder Abschaltweg (106) ferner einen Filter (122) umfasst, der zwischen den Eingangskoppler (110) und die Modulationslogikeinheit (120) geschaltet ist.

10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei der Filter (122) umfasst: einen Verstärker (124); und/oder einen Tiefpass (126); und/oder einen Schmitt-Trigger (128).

11. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der oder jeder Abschaltweg (106) ferner eine Testlogikeinheit (121) umfasst, die zwischen den Eingangskoppler (110) und der Modulationslogikeinheit (120) geschaltet ist und eingangsseitig das übertragene Sicherheitsfunktionssignal und ein Testsignal (144) logisch verknüpft, und wobei die Vorrichtung (100) ferner eine Steuereinheit (140) umfasst, die dazu ausgebildet ist, das Testsignal (144) zur Unterbrechung des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals zu erzeugen und in Reaktion auf das Testsignal (144) an einem Signalabgriff (129) an der Modulationslogikeinheit (120) oder am Ausgang (130) einen Signalverlauf zu überwachen, vorzugsweise wobei die Steuereinheit (140) ferner dazu ausgebildet ist, eine Anweisung (142) zum Abschalten des Modulationssignals (166; 168) an einen das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulator (160) auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster einer Freischaltung der Ansteuerung entspricht.

12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner einen Modulator-Abschaltweg (107A) umfassend, wobei der Modulator-Abschaltweg (107A) einen das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulator (160) und einen Eingangskoppler (110) umfasst, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) als Abschaltanweisung (142) an den Modulator (160) zu übertragen,

wobei der Modulator (160) dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals das Modulationssignal (166; 168) abzuschalten.

13. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner einen Steuereinheit-Abschaltweg (107B) umfassend, wobei der Steuereinheit-Abschaltweg (107B) eine Steuereinheit (140) und einen Eingangskoppler (110) umfasst, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) an die Steuereinheit (140) zu übertragen, wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals einen Signalverlauf an einem Signalabgriff (129) an der Modulationslogikeinheit (120) oder am Ausgang (130) zu überwachen, vorzugsweise wobei die Steuereinheit (140) ferner dazu ausgebildet ist, eine Anweisung (142) zum Abschalten des Modulationssignals (166; 168) an einen das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulator (160) auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster einer Freischaltung der Ansteuerung entspricht.

14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner einen Halte- Abschaltweg umfassend, wobei der Halte-Abschaltweg eine elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung und einen Eingangskoppler (110) umfasst, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang (102) und vom zweiten Eingang (104) an die elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung zu übertragen, wobei die elektromechanische Bremse dazu ausgebildete ist, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Bremsmoment an einer Welle der elektrischen Maschine (300) zu erzeugen, oder die elektromechanische Drehverriegelung dazu ausgebildet ist, beim Entfallen des übertragene

Sicherheitsfunktionssignals ein Haltemoment an einer Welle der elektrischen Maschine (300) zu erzeugen.

15. Frequenzumrichter (400) zum Antrieb eines Elektromotors (300), umfassend: eine Leistungsstufe (200), die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe mindestens eines freischaltbaren Modulationssignals (108) mindestens eine Phase des Elektromotors (300) zu schalten; einen Modulator (160), der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Modulationssignal (166; 168) zur Ansteuerung der Leistungsstufe (200) zu erzeugen; und eine Vorrichtung (100) zur Freischaltung der Ansteuerung der Leistungsstufe (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Vorrichtung (100) das mindestens eine Modulationssignal (166; 168) des Modulators (160) jeweils mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal logisch verknüpft zur Ausgabe des freischaltbaren Modulationssignals (108).