CN101120504A - 用于永磁电动机驱动的安全联锁和保护电路 - Google Patents

Abstract

一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供用于控制通过DC总线供电的直流至交流变频器并驱动永磁电动机的控制信号，所述电路包括第一电路，所述第一电路用于监视DC总线电压，并在DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情况下，用于产生发送给控制器的信号，以便为变频器提供开关状态，从而使所述反电动势在永磁电动机的电动机电路电阻中由变频器开关状态提供的短路情况而被充分地耗尽，由此，防止变频器的DC总线电压超过第一阈值，并使得永磁电动机的转速降低。

Description

用于永磁电动机驱动的安全联锁和保护电路

相关申请

本申请要求于2005年2月14日提交的名为SAFETY DOOR LOCK ANDPROTECTION CIRCUIT FOR PM MOTOR BASED WASHER APPLICATION的美国临时申请60/652,861的优先权和利益，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于在DC-AC(直流-交流)变频器电动机控制器中驱动永磁电动机的安全联锁和保护电路，例如，驱动洗衣机的滚筒。根据本发明的电路执行门锁功能，并且在当永磁电动机仍然运转时主电动机控制器发生故障以及失控的情况下提供过压保护和电动机制动。

背景技术

永磁电动机较感应电动机具有更高的功率密度和每安培转矩。感应电动机过去通常用于洗衣机。永磁电动机用于更现代的洗衣机，并且已经成为如洗衣机、以及包括空调和冰箱在内的节能电器的重要能源。

永磁电动机通常通过以AC电源供电的DC-AC变频器电路驱动，即首先将AC主电源转换为DC电压，该DC电压保持在DC总线中，且DC总线电压之后被提供给变频器以转换为用于永磁电动机的每个相位的AC信号，所述永磁电动机通常为三相。不同于感应电动机，永磁电动机需要额外的安全电路和机械装置，特别在应用于具有以旋转模式运行的高速滚筒的洗衣机时更是如此。

微控制器和/或DSP(数字信号处理器)是用于控制变频器电源开关(通常为IGBT或者FET)，以便向永磁电动机提供期望电压的常见的控制器组件。当控制器发生故障或失控时，传统的用于解决失控的电动机的问题的方法是通过用于安全门锁和制动机械装置的独立的机械方法来实现的。此方法由分立继电器、计时器和具有用于过压保护的功率晶体管的撬杆开关组成，所述过压保护与机械制动协作运转。虽然此机械方法是可行的，但相当昂贵和复杂，并且同样容易出现机械故障。

如果发生控制器故障，永磁电动机会出现两种潜在的危险情况。一种情况为永磁电动机在惰行减速时高速旋转。在此情况下，如果洗衣机的门或盖子被打开，若人体试图接近旋转的滚筒，将会产生导致人身伤害的安全危险。因此，必要的是，在电动机运转时，门或盖子必须被锁住，且如果发生控制器故障，那么优选地，旋转速度必须尽快降至停止状态(制动)。

另一种情况为，当控制器因为控制器故障而停止供给电动机电能时，永磁电动机会在DC总线上产生过电压。这是由于电动机在顺畅运转时产生了反电动势。当电动机在弱磁控制下工作以达到很高旋转运行时，所述电压可以非常高。如果这时候发生故障，所产生的电压会相当高。所述电压与电动机转速(ω)和永磁体通过相对于线圈的运动产生的通量(Φ)的乘积成比例关系。在弱磁模式下，如果控制器发生故障且无法控制电动机，那么当电动机转速达到其运转模式转速决定的额定运转速度的三至四倍时，由于通量弱化的损失，弱化的通量变为满额通量。如果在弱磁运行中发生这种控制器故障的情况下不采取任何行动，那么对230伏AC均方根输入主电压，额定值约为310伏DC的DC总线电压，将会达到大约1000伏(为额定DC总线电压的三或四倍)。这样会导致系统中的电力设备和高压集成电路的损坏，因为对于230伏AC均方根主输入，所述电力设备和高压集成电路的电压值通常为600伏。DC总线电容器也会被损坏。一旦在电力系统中发生损坏，由于电路板上的任何电路也将可能被损坏或失效，从而将可能无法再提供安全门锁/制动机械装置。因此，有必要1)在控制器出现故障的情况下防止这种过压情况发生，2)迅速降低电动机和滚筒转速，以及3)提供安全联锁以防止人体伤害。

发明内容

本发明不需要任何用于制动的机械组件或额外的电力设备来移除或耗尽存储于旋转状态的电动机中的多余的动能。本发明提供一种通过单一或多个集成电路，或通过分立或整体组件来实现的简单电路，该简单电路可以实现上述所有目的。

根据本发明，提供一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供控制信号，该控制信号用于控制通过DC总线供电的直流到交流变频器并驱动永磁电动机，所述电路包含第一电路，所述第一电路用于监视DC总线电压，并在DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情况下，用于产生信号至控制器，以便为变频器提供开关状态，从而使所述反电动势在永磁电动机的电动机电路电阻中由变频器的开关状态提供的短路情况而被充分地耗尽，由此，防止变频器的DC总线电压超过第一阈值，并导致永磁电动机转速降低。

根据本发明另外的方面，当所述DC总线电压被降低至第二阈值以下时，产生短路情况的所述开关状态被移除。如果所述DC总线电压再次升高到超过第一阈值，那么产生短路情况的开关状态将再次被恢复，并重复多次直至将电动机转速降低至基本值。所述第一电路还产生联锁信号，例如，门锁信号，以防止接近所述电动机驱动组件。监视反电动势电动机相电压的第二电路用以防止联锁信号在达到停止状态前被移除。

本发明的其他目的、特点和优点将从以下的详细描述中变得显而易见。

附图说明

下面将参考附图对本发明做更加详细的描述，其中：

图1显示了在控制器故障期间的波形；

图2显示了在弱磁运行下的转矩速度的曲线示意图；

图3显示了本发明的过压保护、自动制动和安全门锁电路的结构/示意图；

图4显示了如何通过使用零向量达到永磁电动机制动和短路保护；

图5显示了用于基于洗衣机的永磁电动机的安全门锁的电路的具体情况；

图6显示了惰行减速时永磁电动机的相电压；以及

图7显示了在图5中点A处的永磁电动机的线电压求和后的电压。

具体实施方式

现在参考附图，图1显示了如果控制器在旋转模式下的电动机的弱磁运行期间发生故障所出现的最危险情况的状态。所示的运行模式处于具有永磁电动机深弱磁运行状态的高速旋转模式。在所示情况下，当进行到旋转模式的最后时刻，转速达到旋转模式的最高值，并且弱磁运行处于最深区域时，所述控制器发生故障。所述故障由图1的顶部图(图1A)中的星形显示。图2显示了电动机扭矩转速曲线图。如图2所示，故障点靠近高速旋转运行的末端，如示例所示，接近每分钟8800转。

图3显示了驱动变频器I的控制器C电路的一部分，众所周知，所述变频器包括含有绝缘栅双极晶体管(IGBT)的三个半桥。施加到控制器C的控制信号通过微处理器或数字信号处理器(DSP)提供，提供信号HIN1、LIN1、HIN2、LIN2和HIN3、LIN3，在图中未示出。所述信号被提供给驱动器级D、停滞时间电路DT(以确保高边和低边开关不同时导通)，并且之后所述信号被提供给零向量插入电路24。高边控制信号被水平移动(25)，并被提供给高边驱动器HS。所述低边信号被提供给低边控制器LS。来自驱动器HS和LS的信号被提供给栅极驱动电路10，且之后到达各自的IGBT栅极。

如所示，处理器可以经由栅极G提供制动请求信号。然而，如下所述，如果处理器发生故障，那么制动请求信号22同样可以通过包括比较器20的电路被命令。

当控制器发生故障时，通常所有用于栅极驱动电路10，如高压栅极驱动器IC10的栅极信号均不出现。电动机基本上惰行。如果处于运行的弱磁模式下，那么所述电动机和滚筒高速旋转，例如，转速为每分钟6000至9000转。DC总线电压V立即开始显现比额定电压更高的电压，例如，在末端的前期，当采用230伏AC均方根主输入和二极管整流电路时，DC总线电压升至310伏。这是由于电动机产生了反电动势。根据本发明，所述DC总线电压一旦达到最高允许电压，例如此例中为430伏，那么所述栅极驱动电路10就自动地将开关状态提供给IGBT变频器，所述开关状态将使电动机线圈、即零向量短路。这是通过具有跨接于DC总线的感测电路的第一电路完成的，例如，配置为跨接于DC总线的电阻分压器RA。当DC总线电压超过由参考21确定的阈值时，比较器20进行感测，并在线路22上提供信号给维持零向量的零向量注入电路24。所述零向量电压插入可以为当所有高边IGBT关闭时响应于图3中的所有低电平引脚IGBT的导通状态的000状态，或为当所有低边IGBT关闭时响应于所有高边IGBT的导通状态的111状态，或者在预定的周期循环内的000和111向量的结合。作为选择地，可以只导通部分的IGBT，但优选为导通所有顶部或所有底部的开关，从而使所有电动机相位均被短路。此时，信号22也启动图3中的RS触发器闭锁30以设置如图3中示为“安全锁”的门联锁信号，从而将门锁住并且防止接近旋转滚筒。

如实施例所示，零向量保护由控制器故障(所有栅极驱动器输入等于零)和DC总线上的过压的结合来触发。在这种情况下，所有输入到栅极G的输入都将是低的，从而触发制动请求信号。仅当发生控制器故障时，DC总线上的过压不能通过控制器自身进行处理。因此在这种情况下，所有输入到栅极G的输入都是低的，从而触发制动请求信号。

一旦零向量栅极信号模式被提供给IGBT变频器，那么永磁电动机通过IGBT被短路，并且短路电流在如图4所示的短路定子线圈内流动。由电动机产生的反电动势在图4中由ωΦ表示。因此，储存于电动机中的动能主要通过定子电阻R_s消耗，因此，对于额定总线电压来说，DC总线电压减小，在此例中所述DC总线电压大约为310伏DC。当DC总线电压达到所述的360伏的第二阈值电压时，所述第二阈值电压可以通过比较器20中的迟滞现象来设置，那么之后零向量的注入停止，并且提供给每一个IGBT的所有的栅极驱动信号被关闭。一旦关闭所有的IGBT，仍然在低速旋转的永磁电动机开始再次增大DC总线电压，并且如果DC总线电压再次达到第一阈值，例如430伏，那么此时电路将再次插入零向量。这种零向量的插入和脱离将不断重复，直至电动机转速低于基本转速，在此例中为低于每分钟3100转。

所述电动机转速由第二电路40监视，所述第二电路40在电动机惰行减速时监视电动机相电压。当处于基本转速时，由于反电动势电压低于额定DC总线电压，所述电动机不再在DC总线上产生过压。因此，零向量的注入将不再必需低于基本转速，并且将不再执行零电压的注入。所述电动机将通过依惯性转动至零转速而惰行减速。在此减速期间，如图3和图5中所示的第二电路40监视所述三相电动机电压，并且检测电动机仍然旋转的情况。图5显示了图3中的电路40的细节，所述电路40包括电压移位器/衰减电路41(三个电阻分压器电路)和电压加法器43，以及图3中的低通滤波器45和比较器50。所述比较器50被提供与滤波相电压相比较的参考51。一旦电动机停止，所述比较器50在图5中的比较器输出端产生由高到低的转变，所述转变将触发RS触发器的重置以移除安全锁信号，从而使门或盖子能够被打开。

如图5所示，检测依惯性转动的电动机转速的第二电路通过一个比较器50、具有电容器和电阻器的运算放大器46以及电压分压器/衰减器电路41来实现。

在图5中，比较器50输入信号是代表依惯性转动的电动机速度的线性信号。由于输入信号因为在比较时三相电压波形的总和而只具有少量的纹波电压，因此，使用相对较小的RC滤波器网络45，例如，如图6所示，单个相电压波形。提供三相的相电压波形的总和，所述相电压波形允许如图7所示的顺畅运转的电动机的转速的可靠描述得以再现。

图1B显示了通过应用零向量以相应制动被减小的DC总线电压。图1C显示了联锁信号。

本发明提供了许多益处和潜在的应用，特别是，本发明消除了在现有技术中洗涤器系统中庞大、昂贵并且可能不可靠的分立继电器电路及机械组件，例如，机械制动器。所述电路可以在分立组件中或使用分立集成电路或如高压IC的整体式集成电路中得以实现。

应用可以扩展至洗涤器以外并且不仅限于洗涤器的应用。例如，本发明可用于制动高速主轴驱动器和/或任何其他永磁电动机驱动器的应用，当永磁电动机旋转时，所述应用需要安全联锁信号和/或制动和/或过压保护。

尽管本发明是参考特定实施例进行描述的，但是许多其它改变和修改以及其它应用对本领域技术人员将变得显而易见。因此，本发明不应局限于此处公开的特定内容，而仅由所附权利要求限定。

Claims (24)

1.一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供用于控制通过DC总线供电的直流至交流变频器和驱动永磁电动机的控制信号，所述电路包括：

第一电路，用于监视DC总线电压，并在所述DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情况下，用于产生发送给所述控制器的信号，以便为所述变频器提供开关状态，从而使所述反电动势在所述永磁电动机的电动机电路电阻中由所述变频器开关状态导致的短路情况而被充分地耗尽，由此，防止所述变频器的DC总线电压超过所述第一阈值，并使得所述永磁电动机转速降低。

2.根据权利要求1所述的电路，进一步地，其中所述第一电路发出联锁信号，所述联锁信号在所述电动机旋转的情况下保持收容所述永磁电动机或由锁定的电动机驱动的设备的围护。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述永磁电动机驱动洗衣机的滚筒，并且安全联锁信号防止门被敞开，所述门提供进入所述永磁电动机驱动的转动着的滚筒的通路。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述第一电路包括与DC总线耦合的第一感测电路，用于监视所述DC总线电压；以及比较器，用于将感测到的电压和参考电压相比较并且用于产生第一信号以使得所述控制器提供引起短路情况的开关状态。

5.根据权利要求4所述的电路，其中所述联锁信号从所述第一信号中产生。

6.根据权利要求4所述的电路，其中所述开关状态包括零向量。

7.根据权利要求6所述的电路，其中所述零向量为开关状态111或000。

8.根据权利要求1所述的电路，其中当所述DC总线电压被降低至第二阈值以下时，产生所述短路情况的开关状态被移除。

9.根据权利要求8所述的电路，其中所述第二阈值在额定DC总线电压之上。

10.根据权利要求8所述的电路，其中，如果所述DC总线电压再次升高至超过所述第一阈值，那么所述产生短路情况的开关状态通过所述第一电路被再次恢复，并重复多次直至所述电动机转速降低至基本值。

11.根据权利要求2所述的电路，所述电路还包括第二电路，用于监视由所述电动机产生的反电动势。

12.根据权利要求11所述的电路，其中所述第二电路包括用于所述永磁电动机的每个相位的第二感测电路，每一个所述第二感测电路向电压总和电路提供输出，所述电压总和电路用以将所述输出求和，以便将求和后的输出提供给下一个比较器的输入，所述下一个比较器用于将所述求和后的输出与另一个阈值进行比较，以便确定何时将所述电动机的转速降至停止状态。

13.根据权利要求10所述的电路，其中所述求和后的输出在被提供给所述下一个比较器之前被低通滤波。

14.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关状态包括应用于离散时间周期中的000或111向量或者所述000和111向量的结合。

15.根据权利要求4所述的电路，其中所述第一感测电路包括电阻分压器。

16.根据权利要求12所述的电路，其中所述第二感测电路中的每一个包括电阻分压器电路。

17.根据权利要求12所述的电路，其中所述电压总和电路包括运算放大器电路。

18.根据权利要求11所述的电路，其中所述第二电路防止所述联锁信号在所述电动机转速实质为零前被移除。

19.根据权利要求2所述的电路，其中所述第一电路将信号提供给用于发出所述联锁信号的锁存电路。

20.根据权利要求1所述的电路，其中所述永磁电动机包括三相永磁电动机。

21.根据权利要求1所述的电路，其中所述电动机电路电阻包括所述电动机的定子的电阻。

22.根据权利要求19所述的电路，其中所述第一电路产生提供至所述锁存电路的一个输入的第一信号，并且所述第二电路产生提供至所述锁存电路的第二输入的第二信号。

23.根据权利要求22所述的电路，其中所述第一信号设置所述锁存电路以提供所述联锁信号，且所述第二电路重置所述锁存电路以移除所述联锁信号。

24.根据权利要求1所述的电路，其中所述电动机以弱磁运行。

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