CN108233685B - 一种安全转矩关断控制电路以及传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全转矩关断控制电路以及传动系统，该安全转矩关断控制电路包括：第一隔离电路、第一逻辑处理模块、第一开关管模块、上桥驱动缓冲单元、第二隔离电路、第二逻辑处理模块、第二开关管模块以及下桥驱动缓冲单元。本发明通过两路STO通路组成的安全转矩关断控制电路，提升了STO功能的冗余度，采用互反的逻辑信号，通过交错冗余方式，增加了系统的可靠性，提高安全等级；另外纯硬件的实现方式，大大减少了开发的复杂度，提高了开发效率。

Description

一种安全转矩关断控制电路以及传动系统

技术领域

本发明涉及传动技术领域，尤其涉及一种安全转矩关断控制电路以及传动系统。

背景技术

STO(safe torque off，安全转矩关断)在以驱动器(变频器、伺服驱动器等等)和电机组成的传动系统中，可靠地切断驱动器的输出，从而切断电机的转矩输出，防止意外事故的发生，提升了系统的安全性能。

在现有技术中，STO实现方式主要有两种：软件与硬件电路相结合方式、纯硬件电路方式。在软件与硬件电路的结合中，硬件电路虽然简单，但软件参与程度高，代码的运行稳定性方面难以保证，且存在认证周期长、工作量大等问题。而纯硬件电路的方式较为简单可靠，认证周期短、效率高，但是该方式增加了原有驱动电路的复杂性，灵活性较低，无法满足高安全等级的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种安全转矩关断控制电路以及传动系统，旨在解决现有技术中STO实现方式存在的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种安全转矩关断控制电路，所述安全转矩关断控制电路包括：第一隔离电路、第一逻辑处理模块、第一开关管模块、上桥驱动缓冲单元、第二隔离电路、第二逻辑处理模块、第二开关管模块以及下桥驱动缓冲单元；

所述第一隔离电路，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到隔离处理后的第一STO信号；所述第二隔离电路，用于对输入的第二STO信号进行隔离处理，得到隔离处理后的第二STO信号；所述隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号为互反的逻辑信号；

所述第一逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号进行逻辑处理，得到第一逻辑处理信号；所述第二逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号进行逻辑处理，得到第二逻辑处理信号；

所述第一开关管模块，用于对所述第一逻辑处理信号进行处理，得到第一开关信号；所述第二开关管模块，用于对所述第二逻辑处理信号进行处理，得到第二开关信号；

所述上桥驱动缓冲单元，用于根据所述第一开关信号控制上桥驱动信号的输出；所述下桥驱动缓冲单元，用于根据所述第二开关信号控制下桥驱动信号的输出。

此外，为实现上述目的，本发明实施例第二方面提供一种传动系统，所述传动系统包括上述的安全转矩关断控制电路。

本发明实施例提供的安全转矩关断控制电路以及传动系统，通过两路STO通路组成的安全转矩关断控制电路，提升了STO功能的冗余度，采用互反的逻辑信号，通过交错冗余方式，增加了系统的可靠性，提高了安全等级；另外纯硬件的实现方式，大大减少了开发的复杂度，提高了开发效率。

附图说明

图1为本发明实施例的安全转矩关断控制电路结构示意图；

图2为本发明实施例的安全转矩关断控制电路另一结构示意图；

图3a为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第一隔离电路的结构示意图；

图3b为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第二隔离电路的结构示意图；

图4为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第一逻辑处理模块和第二逻辑处理模块的结构示意图；

图5a为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第一一级开关单元和第一二级开关单元的结构示意图；

图5b为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第二一级开关单元和第二二级开关单元的结构示意图；

图6为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第一电压检测模块和第二电压检测模块的结构示意图；

图7为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中第三逻辑处理模块和第四逻辑处理模块的结构示意图；

图8为本发明实施例的安全转矩关断控制电路中上桥驱动缓冲单元和下桥驱动缓冲单元的结构示意图；

图9为本发明实施例的传动系统结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在将参考附图描述实现本发明各个实施例的。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

第一实施例

如图1所示，本发明第一实施例提供一种安全转矩关断控制电路，所述安全转矩关断控制电路包括：第一隔离电路11、第一逻辑处理模块12、第一开关管模块13、上桥驱动缓冲单元14、第二隔离电路21、第二逻辑处理模块22、第二开关管模块23以及下桥驱动缓冲单元24；

所述第一隔离电路11，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到隔离处理后的第一STO信号；所述第二隔离电路21，用于对输入的第二STO信号进行隔离处理，得到隔离处理后的第二STO信号；所述隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号为互反的逻辑信号。

在本实施例中，所述第一隔离电路11和所述第二隔离电路21分别包括限流及滤波电路、防反压电路以及光耦隔离电路；进一步地，所述第一隔离电路11和所述第二隔离电路21还分别包括防静电电路。

或者所述第一隔离电路11和所述第二隔离电路21分别包括磁耦隔离电路。

作为示例地，请参考图3a-图3b所示，图3a为所述第一隔离电路11的电路结构示意图，图3b为所述第二隔离电路21的电路结构示意图。所述第一隔离电路11和所述第二隔离电路21分别包括防静电电路、限流及滤波电路、防反压电路以及光耦隔离电路。STO1为输入的第一STO信号，STO2为输入的第二STO信号。所述第一隔离电路11的输出信号STO1_1与所述第二隔离电路21的输出信号STO2_1为高低互反的逻辑信号。防静电电路用于吸收静电电压，防止电路中的器件被电压击穿。光耦隔离电路用于隔离外部SELV等级的STO输入信号与内部ELV等级的控制电路。

所述第一逻辑处理模块12，用于对隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号进行逻辑处理，得到第一逻辑处理信号；所述第二逻辑处理模块22，用于对隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号进行逻辑处理，得到第二逻辑处理信号。

请参考图4所示，在本实施例中，所述第一逻辑处理模块12和所述第二逻辑处理模块22可通过与非门和与门组成的运算电路实现，处理来自第一隔离电路11和第二隔离电路21输出的互反的逻辑信号，并形成交叉控制，使得任一通路的输入信号都能通过逻辑处理模块控制两路STO电路的输出。需要说明的是，运算电路并不限于图4所示的结构，也可采用其他逻辑门实现。

所述第一开关管模块13，用于对所述第一逻辑处理信号进行处理，得到第一开关信号；所述第二开关管模块23，用于对所述第二逻辑处理信号进行处理，得到第二开关信号。

请参考图2所示，在一种实施方式中，所述第一开关管模块13包括第一一级开关单元131和第一二级开关单元132；所述第二开关管模块23包括第二一级开关单元231和第二二级开关单元232；

所述第一一级开关单元131，用于响应所述第一逻辑处理信号，输出第一一级开关信号；所述第一二级开关单元132，用于响应所述第一逻辑处理信号，输出第一二级开关信号；所述上桥驱动缓冲单元14，用于根据所述第一二级开关信号控制上桥驱动信号的输出；

所述第二一级开关单元231，用于响应所述第二逻辑处理信号，输出第二一级开关信号；所述第二二级开关单元232，用于响应第二逻辑处理信号，输出第二二级开关信号；所述下桥驱动缓冲单元24，用于根据所述第二二级开关信号控制下桥驱动信号的输出。

在该实施方式中，所述第一一级开关单元131、所述第一二级开关单元132、所述第二一级开关单元231以及所述第二二级开关单元232分别包括P沟道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)和NPN型三极管。

作为示例地，请参考图5a和图5b所示，图5a为所述第一一级开关单元131和所述第一二级开关单元132的电路结构示意图，图5b为所述第二一级开关单元231和所述第二二级开关单元232的电路结构示意图。

请参考图2所示，进一步地，在该实施方式中，所述安全转矩关断控制电路还包括电压检测模块(32、42)、第三逻辑处理模块33以及第四逻辑处理模块43。

所述电压检测模块，用于检测电源电压，生成检测信号。

在该实施方式中，所述电压检测模块可以采用一路电压检测，也可以为双路冗余电压检测。采用双路冗余电压检测防止因检测电路本身故障和其他电路故障同时发生时导致STO功能的失效。

当所述电压检测模块采用一路电压检测时，此时电压检测模块生成的检测信号同时输出给所述第三逻辑处理模块33和所述第四逻辑处理模块43。所述第三逻辑处理模块33，用于对隔离处理后的第一STO信号、所述检测信号以及所述第一一级开关信号进行逻辑处理，得到第三逻辑处理信号，该第三逻辑处理信号具有实时响应第一STO信号和第二STO信号的故障信号作用；所述第一二级开关单元132，用于响应第三逻辑处理信号，输出第一二级开关信号；所述第四逻辑处理模块43，用于对隔离处理后的第二STO信号、所述检测信号以及所述第二一级开关信号进行逻辑处理，得到第四逻辑处理信号，该第四逻辑处理信号具有实时响应第一STO信号和第二STO信号的故障信号作用；所述第二二级开关单元232，用于响应第四逻辑处理信号，输出第二二级开关信号。

第一一级开关单元131和第二一级开关单元231受第一STO信号或第二STO信号控制，而第一二级开关单元132、第二二级开关单元232在接收第一一级开关单元131和第二一级开关单元231输出的同时，还受来自检测通路的输出信号控制，确保任一STO通路发生故障后能及时切断上桥驱动缓冲单元14或下桥驱动缓冲单元24的供电电源或者使能信号，提升电路的可靠性，并在电路的相同功能采用不同的元器件来实现，从而降低电路中器件的共因失效率，达到安全转矩关断的要求。

当所述电压检测模块采用双路冗余电压检测时，所述电压检测模块包括第一电压检测模块32和第二电压检测模块42；所述第一电压检测模块32，用于检测电源电压，生成第一检测信号；所述第二电压检测模块42，用于检测电源电压，生成第二检测信号；所述第三逻辑处理模块33，用于对隔离处理后的第一STO信号、所述第一检测信号以及所述第一一级开关信号进行逻辑处理，得到第三逻辑处理信号；所述第四逻辑处理模块43，用于对隔离处理后的第二STO信号、所述第二检测信号以及所述第二一级开关信号进行逻辑处理，得到第四逻辑处理信号。

在该实施方式中，所述第一电压检测模块32和所述第二电压检测模块42分别包括基准电源芯片和比较电路。

作为示例地，请参考图6所示，所述第一电压检测模块32和所述第二电压检测模块42由基准电源芯片及比较电路组成，用于监视VCC的过压或者欠压，当VCC发生过压或者欠压时，OV/UV1或者OV/UV2将输出低电平。

在该实施方式中，为了便于所述第三逻辑处理模块33和所述第四逻辑处理模块43的逻辑运算，所述安全转矩关断控制电路还可包括第三隔离电路31和第四隔离电路41；

所述第三隔离电路31，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到第一STO检测信号；所述第四隔离电路41，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到第二STO检测信号；

所述第三逻辑处理模块33，用于对所述第一STO检测信号、所述检测信号以及所述第一一级开关信号进行逻辑处理，得到第三逻辑处理信号；所述第四逻辑处理模块43，用于对所述第二STO检测信号、所述检测信号以及所述第二一级开关信号进行逻辑处理，得到第四逻辑处理信号。

需要说明的是，第三隔离电路31和第四隔离电路41的电路结构，与第一隔离电路11和第二隔离电路21的电路结构类似，在此不作赘述。

作为示例地，所述第三逻辑处理模块33和所述第四逻辑处理模块43可参考图7所示。当所述电压检测模块采用一路电压检测时，OV/UV1和OV/UV2为同一信号。当设置有第三隔离电路31和第四隔离电路41时，STO1_D1为第三隔离电路31的输出信号，STO1_D2为第四隔离电路41的输出信号；当没有设置第三隔离电路31和第四隔离电路41时，STO1_D1为第一隔离电路11的输出信号，STO1_D2为第二隔离电路21的输出信号。

所述上桥驱动缓冲单元14，用于根据所述第一开关信号控制上桥驱动信号的输出；所述下桥驱动缓冲单元24，用于根据所述第二开关信号控制下桥驱动信号的输出。

作为示例地，所述上桥驱动缓冲单元14和所述下桥驱动缓冲单元24可参考图8所示，分别由上桥驱动缓冲器和下桥驱动缓冲器及其外围电路组成。上桥驱动缓冲器和下桥驱动缓冲器由非隔离型或者隔离型驱动缓冲器组成，用于接收并增强驱动信号后输出至后级上桥驱动光耦和下桥驱动光耦(图9所示)，其使能信号或者电源受第一开关管模块13和第二开关管模块23中的输出信号控制。其中STO1_OUT和STO2_OUT可控制驱动缓冲器的VCC端，也可以控制缓冲器的EN端，或者同时控制VCC和EN，这个主要有驱动缓冲器的特性决定。通过控制上桥驱动缓冲单元14和下桥驱动缓冲单元24的供电电源VCC端或者使能信号EN端(即STO电路的输出信号)，控制来自控制器(图9所示)发出的驱动PWM驱动信号。

请再参考图2所示，在一种实施方式中，所述安全转矩关断控制电路还包括第五逻辑处理模块51；

所述第五逻辑处理模块51，用于对所述第一开关信号和所述第二开关信号进行逻辑处理，得到STO反馈信号。

在该实施方式中，当电路发生故障时，所述第五逻辑处理模块51可输出STO反馈信号。

本发明实施例提供的安全转矩关断控制电路，通过两路STO通路组成的安全转矩关断控制电路，提升了STO功能的冗余度，采用互反的逻辑信号，通过交错冗余方式，增加了系统的可靠性，提高安全等级；另外纯硬件的实现方式，大大减少了开发的复杂度，提高了开发效率。

第二实施例

本发明第二实施例提供一种传动系统，所述传动系统包括第一实施例所述的安全转矩关断控制电路。安全转矩关断控制电路可参考上述内容，在此不作赘述。

为了更好地理解本实施例，以下结合图9对传动系统的工作过程进行说明：

如图9所示，传动系统包括安全转矩关断控制电路、控制器、上桥驱动光耦、下桥驱动光耦、逆变侧功率开关管以及电机。

安全转矩关断控制电路通过控制上桥驱动缓冲单元和下桥驱动缓冲单元的供电电源VCC或者使能信号EN，控制来自控制器的PWM驱动信号，进而控制上桥/下桥驱动信号的输出。上桥/下桥驱动光耦根据上桥/下桥驱动信号控制逆变侧功率开关管的导通和关断，进而控制电机。

当安全转矩关断控制电路发生故障时，将STO反馈信号发送至控制器，控制器接收到该异常信号之后将立即停止驱动信号的输出，起到提升STO电路可靠性的辅助性作用。

本发明实施例提供的传动系统，通过两路STO通路组成的安全转矩关断控制电路，提升了STO功能的冗余度，采用互反的逻辑信号，通过交错冗余方式，增加了系统的可靠性，提高安全等级；另外纯硬件的实现方式，大大减少了开发的复杂度，提高了开发效率。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述安全转矩关断控制电路包括：第一隔离电路、第一逻辑处理模块、第一开关管模块、上桥驱动缓冲单元、第二隔离电路、第二逻辑处理模块、第二开关管模块以及下桥驱动缓冲单元；

所述第一隔离电路，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到隔离处理后的第一STO信号；所述第二隔离电路，用于对输入的第二STO信号进行隔离处理，得到隔离处理后的第二STO信号；所述隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号为互反的逻辑信号；

所述第一逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号进行逻辑处理，得到第一逻辑处理信号；所述第二逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第一STO信号和第二STO信号进行逻辑处理，得到第二逻辑处理信号；

所述第一开关管模块，用于对所述第一逻辑处理信号进行处理，得到第一开关信号；所述第二开关管模块，用于对所述第二逻辑处理信号进行处理，得到第二开关信号；

所述上桥驱动缓冲单元，用于根据所述第一开关信号控制上桥驱动信号的输出；所述下桥驱动缓冲单元，用于根据所述第二开关信号控制下桥驱动信号的输出。

2.根据权利要求1所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述第一隔离电路和所述第二隔离电路分别包括限流及滤波电路、防反压电路以及光耦隔离电路；或者所述第一隔离电路和所述第二隔离电路分别包括磁耦隔离电路。

3.根据权利要求1所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述第一开关管模块包括第一一级开关单元和第一二级开关单元；所述第二开关管模块包括第二一级开关单元和第二二级开关单元；

所述第一一级开关单元，用于响应所述第一逻辑处理信号，输出第一一级开关信号；所述第一二级开关单元，用于响应所述第一逻辑处理信号，输出第一二级开关信号；所述上桥驱动缓冲单元，用于根据所述第一二级开关信号控制上桥驱动信号的输出；

所述第二一级开关单元，用于响应所述第二逻辑处理信号，输出第二一级开关信号；所述第二二级开关单元，用于响应第二逻辑处理信号，输出第二二级开关信号；所述下桥驱动缓冲单元，用于根据所述第二二级开关信号控制下桥驱动信号的输出。

4.根据权利要求3所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述第一一级开关单元、所述第一二级开关单元、所述第二一级开关单元以及所述第二二级开关单元分别包括P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和NPN型三极管。

5.根据权利要求3所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述安全转矩关断控制电路还包括电压检测模块、第三逻辑处理模块以及第四逻辑处理模块；

所述电压检测模块，用于检测电源电压，生成检测信号；

所述第三逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第一STO信号、所述检测信号以及所述第一一级开关信号进行逻辑处理，得到第三逻辑处理信号；所述第一二级开关单元，用于响应第三逻辑处理信号，输出第一二级开关信号；

所述第四逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第二STO信号、所述检测信号以及所述第二一级开关信号进行逻辑处理，得到第四逻辑处理信号；所述第二二级开关单元，用于响应第四逻辑处理信号，输出第二二级开关信号。

6.根据权利要求5所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述安全转矩关断控制电路还包括第三隔离电路和第四隔离电路；

所述第三隔离电路，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到第一STO检测信号；所述第四隔离电路，用于对输入的第一STO信号进行隔离处理，得到第二STO检测信号；

所述第三逻辑处理模块，用于对所述第一STO检测信号、所述检测信号以及所述第一一级开关信号进行逻辑处理，得到第三逻辑处理信号；所述第四逻辑处理模块，用于对所述第二STO检测信号、所述检测信号以及所述第二一级开关信号进行逻辑处理，得到第四逻辑处理信号。

7.根据权利要求5所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述电压检测模块包括第一电压检测模块和第二电压检测模块；

所述第一电压检测模块，用于检测电源电压，生成第一检测信号；所述第二电压检测模块，用于检测电源电压，生成第二检测信号；

所述第三逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第一STO信号、所述第一检测信号以及所述第一一级开关信号进行逻辑处理，得到第三逻辑处理信号；

所述第四逻辑处理模块，用于对隔离处理后的第二STO信号、所述第二检测信号以及所述第二一级开关信号进行逻辑处理，得到第四逻辑处理信号。

8.根据权利要求7所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述第一电压检测模块和所述第二电压检测模块分别包括基准电源芯片和比较电路。

9.根据权利要求1所述的一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述安全转矩关断控制电路还包括第五逻辑处理模块；

所述第五逻辑处理模块，用于对所述第一开关信号和所述第二开关信号进行逻辑处理，得到STO反馈信号。

10.一种传动系统，其特征在于，所述传动系统包括权利要求1-9任一所述的安全转矩关断控制电路。