CN111355428B - 安全转矩关断电路及其应用的电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请的安全转矩关断电路及系统，电路包括：第一通道、第二通道及第三通道；第一通道包括：连的第一输入电路、第一耦合传输电路、第一输出电路；第二通道包括：连的第四输入电路、第四耦合传输电路、及第二输出电路；第三通道包括：第二输入电路、连接第一输入电路的输出端的第二耦合传输电路、第三输入电路、连接第三输入电路的输出端的第三耦合传输电路、连接第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的处理电路；第一和第二输入电路间、第三和第四输入电路的输入端间分别相向变频器系统输出使能信号；第三输出电路的输出端引出安全转矩关断电源端以向变频器系统提供电源；三路冗余的方案更为可靠，且不同的通道设计降低共因失效的风险。
Description
技术领域
本申请涉及电路技术领域，尤其涉及安全转矩关断电路及其应用的电机控制系统。
背景技术
安全转矩关断(Safe Torque Off)简称STO，是一种专门应用于变频器安全控制的的安全功能，是利用安全输入信号的回路通过强制性地关闭变频器内部的功率晶体管的驱动信号进而将电机的输出转矩进行关闭的安全功能。防止电机的意外启动，保护人员和设备的安全。
目前STO的电路及系统采用双路冗余设计，提高系统的安全性，然而双路冗余的设计，在长时间的运行中，可能因为故障的累积导致安全功能失效，因此在特定的条件下，会导致安全功能电路的失效，危险的发生。
有些现有技术中公开了双路冗余设计加周期性检测的STO功能电路，该电路由于采取动态检测的方法保证了电路具有较高的诊断覆盖率，能够实现现场应用的安全，但由于该方案两个通道之间采用基本相同的设计，因此共因失效的概率会比较高，有一定应用风险。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供安全转矩关断电路及其应用的电机控制系统，解决现有技术中STO电路安全冗余设计仍存在失效的安全问题。
为实现上述目标及其他相关目标，本申请提供一种安全转矩关断电路，包括：第一通道、第二通道及第三通道；所述第一通道包括：第一输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第一耦合传输电路、连接所述第一耦合传输电路的输出端的第一输出电路；所述第二通道包括：第四输入电路、连接所述第四输入电路的输出端的第四耦合传输电路、连接所述第四耦合传输电路的输出端的第二输出电路；所述第三通道包括：第二输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第二耦合传输电路、第三输入电路、连接所述第三输入电路的输出端的第三耦合传输电路、连接所述第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的处理电路；其中，所述处理电路包括：分别连接第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的第一输入端和第二输入端、分别连接第一输出电路和第二输出电路的第一诊断端和第二诊断端、连接第三输出电路的第一输出端、及连接看门狗电路的第二输出端；其中，所述第一诊断端用于诊断第一通道的故障信号以控制第一输出电路的通/断，所述所述第二诊断端用于诊断第二通道的故障信号以控制第二输出电路的通/断；所述看门狗电路连接所述第三输出电路，用于检测处理电路的故障信号以控制第三控制输出电路的通/断；所述第一输入电路和第二输入电路的输入端相连并引出第一安全转矩关断输入端；所述所述第三输入电路和第四输入电路的输入端相连并引出第二安全转矩关断输入端；所述第一输出电路和第二输出电路的输出端分别引出第一安全转矩关断输出端和第二安全转矩关断输出端，所述第三输出电路的输出端引出安全转矩关断电源端；所述第一安全转矩关断输出端及第二安全转矩关断输出端连接至变频器系统，用于输出使能信号；所述安全转矩关断电源端连接至变频器系统，用于提供输出电源。
于一实施例中，所述第一安全转矩关断输入端和第二安全转矩关断输入端分别经第一开关电路和第二开关电路连接于一输入电源。
于一实施例中，在所述第一开关电路闭合时，所述输入电源令第一输入电路接收到高电平，所述第一输入电路的输出令第一耦合传输电路的输入侧产生感应电流，并经耦合传输至第一耦合传输电路的输出侧，并令第一输出电路输出高电平；或者，在所述第一开关电路断开时，令第一输出电路输出低电平；在所述第二开关电路闭合时，所述输入电源令第四输入电路接收到高电平，所述第四输入电路的输出令第四耦合传输电路的输入侧产生感应电流，并经耦合传输至第四耦合传输电路的输出侧，并令第二输出电路输出高电平；或者，在所述第二开关电路断开时，令第二输出电路输出低电平；在所述第一开关电路和第二开关电路闭合时，所述输入电源令第一输入电路和第二输入电路接收到高电平，分别令第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输入侧产生感应电流，并分别经耦合传输至第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出侧以产生高电平输出；所述处理电路在其第一输入端和第二输入端均接收到高电平时，控制第三输出电路导通以提供输出电源，在接收到至少一个低电平时，控制第三输出电路断开。
于一实施例中，所述第一耦合传输电路、第二耦合传输电路、第三耦合传输电路、及第四耦合传输电路为光耦传输电路。
于一实施例中，所述的安全转矩关断电路，还包括：电压转换电路，连接所述输出电源，用于将该输出电源的电源输出转换为预定电压值的一或多个供电电源。
于一实施例中，所述的安全转矩关断电路，还包括：检测电路，其输入端连接所述输出电源，其输出端连接至处理电路还包括的采样端；所述检测电路，用于对所述输出电源的电源输出进行采样以生成采样信号并输出至所述处理电路。
为实现上述目标及其他相关目标，本申请提供一种电机控制系统，包括：变频器系统及所述的安全转矩关断电路；所述变频器系统，包括：控制功率模块，其供连接三相电机；微处理模块，与所述控制功率模块间连接形成有上桥臂信号通道、以及下桥臂信号通道，用于传输电机控制信号；多个信号传输模块，分别连接在各所述上桥臂信号通道和下桥臂信号通道中；所述安全转矩关断电路的安全转矩关断电源端连接至各所述信号传输模块的供电端，第一安全转矩关断输出端连接至各上桥臂信号通道中的信号传输模块的使能端，第二安全转矩关断输出端连接至各下桥臂信号通道中的信号传输模块的使能端，以控制各信号传输模块的通断。
于一实施例中，所述上桥臂信号通道、以及下桥臂信号通道中分别设有至少两个串联的信号传输模块。
于一实施例中，所述信号传输模块包括：同向缓冲器、隔离芯片、及反相器中的任意一或多种。
于一实施例中，所述上桥臂信号通道和所述下桥臂信号通道分别包括多个线路，每个所述信号传输模块为多输入端和多输出端的信号传输电路实现，以同时连接各所述上桥臂信号通道的各线路，或同时连接各所述下桥臂信号通道的各线路。
如上所述，本申请的安全转矩关断电路及其应用的电机控制系统，所述安全转矩关断电路，包括：第一通道、第二通道及第三通道；所述第一通道包括：第一输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第一耦合传输电路、连接所述第一耦合传输电路的输出端的第一输出电路；所述第二通道包括：第四输入电路、连接所述第四输入电路的输出端的第四耦合传输电路、连接所述第四耦合传输电路的输出端的第二输出电路；所述第三通道包括：第二输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第二耦合传输电路、第三输入电路、连接所述第三输入电路的输出端的第三耦合传输电路、连接所述第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的处理电路；所述第一和第二输入电路间、所述第三和第四输入电路的输入端间分别相向变频器系统输出使能信号；所述第三输出电路的输出端引出安全转矩关断电源端以向变频器系统提供电源；采用三路冗余的方案比双路冗余的技术方案更为可靠，同时采用不同的通道设计方案来降低共因失效的风险。
附图说明
图1显示为本申请实施例中安全转矩关断电路的结构示意图。
图2显示为本申请实施例中电机控制系统的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
现有技术中由于双路冗余，且两路通道的电路结构对称的方案，易引发电路失效的问题，鉴于此，本申请设计更多路通道的安全转矩关断电路，且配合不同的通道电路设计方案，解决现有技术的问题。
如图1所示，展示本申请实施例中的安全转矩关断电路，其包括：第一通道、第二通道及第三通道。
所述第一通道包括：第一输入电路110、连接所述第一输入电路110的输出端的第一耦合传输电路111、连接所述第一耦合传输电路111的输出端的第一输出电路112。
所述第二通道包括：第四输入电路120、连接所述第四输入电路120的输出端的第四耦合传输电路121、连接所述第四耦合传输电路121的输出端的第二输出电路122。
所述第三通道包括：第二输入电路130、连接所述第一输入电路110的输出端的第二耦合传输电路131、第三输入电路132、连接所述第三输入电路132的输出端的第三耦合传输电路133、连接所述第二耦合传输电路131和第三耦合传输电路133的输出端的处理电路134。
其中，所述处理电路134包括：分别连接第二耦合传输电路131和第三耦合传输电路133的输出端的第一输入端和第二输入端、分别连接第一输出电路112和第二输出电路122的第一诊断端和第二诊断端、连接第三输出电路135的第一输出端、及连接看门狗136电路的第二输出端；其中，所述第一诊断端用于诊断第一通道的故障信号以控制第一输出电路112的通/断，所述所述第二诊断端用于诊断第二通道的故障信号以控制第二输出电路122的通/断；所述看门狗136电路连接所述第三输出电路135，用于检测处理电路134的故障信号以控制第三控制输出电路的通/断。
在一示例中，所述处理电路134可以是单片机、MCU、FPGA等集成电路实现，其仅需能实现图中各个端的功能即可，对其型号不作限定要求。
所述第一输入电路110和第二输入电路130的输入端相连并引出第一安全转矩关断输入端(图中表示为STO1)；所述所述第三输入电路132和第四输入电路120的输入端相连并引出第二安全转矩关断输入端(图中表示为STO1)；所述第一输出电路112和第二输出电路122的输出端分别引出第一安全转矩关断输出端和第二安全转矩关断输出端，所述第三输出电路135的输出端引出安全转矩关断电源端；所述第一安全转矩关断输出端(图中表示为STO1-EN)及第二安全转矩关断输出端(图中表示为STO2-EN)连接至变频器系统，用于输出使能信号；所述安全转矩关断电源端(图中表示为STO-VCC)连接至变频器系统，用于提供输出电源。
于一实施例中，所述第一安全转矩关断输入端和第二安全转矩关断输入端分别经第一开关电路和第二开关电路连接于一输入电源，例如24V供电电源；可选的，所述第一开关电路和第二开关电路属于一双刀双掷开关电路，也就是说，所述第一开关电路和第二开关电路可以同时开闭。
在所述第一开关电路闭合时，所述输入电源令第一输入电路110接收到高电平，所述第一输入电路110的输出令第一耦合传输电路111的输入侧产生感应电流，并经耦合传输至第一耦合传输电路111的输出侧，并令第一输出电路112输出高电平；或者，在所述第一开关电路断开时，令第一输出电路112输出低电平。
在所述第二开关电路闭合时，所述输入电源令第四输入电路120接收到高电平，所述第四输入电路120的输出令第四耦合传输电路121的输入侧产生感应电流，并经耦合传输至第四耦合传输电路121的输出侧，并令第二输出电路122输出高电平；或者，在所述第二开关电路断开时，令第二输出电路122输出低电平。
在所述第一开关电路和第二开关电路闭合时，所述输入电源令第一输入电路110和第二输入电路130接收到高电平，分别令第二耦合传输电路131和第三耦合传输电路133的输入侧产生感应电流，并分别经耦合传输至第二耦合传输电路131和第三耦合传输电路133的输出侧以产生高电平输出；所述处理电路134在其第一输入端和第二输入端均接收到高电平时，控制第三输出电路135导通以提供输出电源，在接收到至少一个低电平时，控制第三输出电路135断开。
于一实施例中，所述第一耦合传输电路111、第二耦合传输电路131、第三耦合传输电路133、及第四耦合传输电路121为光耦传输电路，当然，在其它实施例中也可以是磁耦传输电路等等。
于一实施例中，所述的安全转矩关断电路，还包括：电压转换电路137，连接所述输出电源，用于将该输出电源VCC的电源输出转换为预定电压值的一或多个供电电源，以对例如安全转矩关断电路中的各个输入电路、光耦电路等进行供电。
于一实施例中，所述的安全转矩关断电路，还包括：检测电路138，其输入端连接所述输出电源，其输出端连接至处理电路134还包括的采样端；所述检测电路138，用于对所述输出电源的电源输出进行采样以生成采样信号并输出至所述处理电路134。
如图2所示，展示本申请实施例中的电机控制系统的电路结构示意图。
所述系统包括：变频器系统及所述的安全转矩关断电路。
所述变频器系统，包括：
控制功率模块201，连接并控制三相电机200；
微处理模块202，与所述控制功率模块201间连接形成有上桥臂信号通道203、以及下桥臂信号通道204，用于传输电机控制信号。
具体的，变频器控制电机的方式是利用微处理模块202(uP)产生不同的PWM脉冲，控制功率模块201(PM)上桥3个IGBT和下桥3个IGBT的导通，起到控制三相电机的作用，本实施例中，上桥臂信号通道203和下桥臂信号通道204分别有三条线路，用于将微处理模块202(uP)产生的三路PWM脉冲传送到控制功率模块201(PM)。
多个信号传输模块205，分别连接在各所述上桥臂信号通道203和下桥臂信号通道204中；所述安全转矩关断电路的安全转矩关断电源端连接至各所述信号传输模块205的供电端(图中显示为VCC)，第一安全转矩关断输出端连接至各上桥臂信号通道203中的信号传输模块205的使能端(图中显示为EN)，第二安全转矩关断输出端连接至各下桥臂信号通道204中的信号传输模块205的使能端(图中显示为EN)，以控制各信号传输模块205的通断。
于一实施例中，所述信号传输模块205可以是同向缓冲器实现，当然，在其它实施例中也可以是隔离芯片、反相器等，目的在于可以提供一个可以关断的硬件芯片或电路。
需说明的是，在本实施例中，所述上桥臂信号通道203和所述下桥臂信号通道204分别包括多个线路，具体为3个，则每个所述信号传输模块205可以为多输入端和多输出端的信号传输电路实现，以同时连接各所述上桥臂信号通道203的各线路，或同时连接各所述下桥臂信号通道204的各线路。
可选的，在本实施例中，所述上桥臂信号通道203、以及下桥臂信号通道204中分别设有至少两个串联的信号传输模块205，采用每个通道两个信号传输模块205可以极大的降低故障发生的概率，举例来说，上桥臂信号通道203中有一个信号传输模块205出现故障，安全转矩关断电路控制另一个直接断开。当然，上述实施例中信号传输模块205的数量仅为举例，在其它实施例中可以变化，并非以此为限。
综上所述，本申请的安全转矩关断电路及其应用的电机控制系统，所述安全转矩关断电路，包括：第一通道、第二通道及第三通道；所述第一通道包括：第一输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第一耦合传输电路、连接所述第一耦合传输电路的输出端的第一输出电路；所述第二通道包括：第四输入电路、连接所述第四输入电路的输出端的第四耦合传输电路、连接所述第四耦合传输电路的输出端的第二输出电路；所述第三通道包括：第二输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第二耦合传输电路、第三输入电路、连接所述第三输入电路的输出端的第三耦合传输电路、连接所述第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的处理电路；所述第一和第二输入电路间、所述第三和第四输入电路的输入端间分别相向变频器系统输出使能信号；所述第三输出电路的输出端引出安全转矩关断电源端以向变频器系统提供电源；采用三路冗余的方案比双路冗余的技术方案更为可靠，同时采用不同的通道设计方案来降低共因失效的风险。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种安全转矩关断电路，其特征在于，包括：
第一通道、第二通道及第三通道；
所述第一通道包括：第一输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第一耦合传输电路、连接所述第一耦合传输电路的输出端的第一输出电路；
所述第二通道包括：第四输入电路、连接所述第四输入电路的输出端的第四耦合传输电路、连接所述第四耦合传输电路的输出端的第二输出电路；
所述第三通道包括：第二输入电路、连接所述第一输入电路的输出端的第二耦合传输电路、第三输入电路、连接所述第三输入电路的输出端的第三耦合传输电路、连接所述第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的处理电路；
其中，所述处理电路包括：分别连接第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出端的第一输入端和第二输入端、分别连接第一输出电路和第二输出电路的第一诊断端和第二诊断端、连接第三输出电路的第一输出端、及连接看门狗电路的第二输出端；其中，所述第一诊断端用于诊断第一通道的故障信号以控制第一输出电路的通/断，所述第二诊断端用于诊断第二通道的故障信号以控制第二输出电路的通/断；所述看门狗电路连接所述第三输出电路，用于检测处理电路的故障信号以控制第三控制输出电路的通/断；
所述第一输入电路和第二输入电路的输入端相连并引出第一安全转矩关断输入端；所述第三输入电路和第四输入电路的输入端相连并引出第二安全转矩关断输入端；所述第一输出电路和第二输出电路的输出端分别引出第一安全转矩关断输出端和第二安全转矩关断输出端，所述第三输出电路的输出端引出安全转矩关断电源端；
所述第一安全转矩关断输出端及第二安全转矩关断输出端连接至变频器系统，用于输出使能信号；所述安全转矩关断电源端连接至变频器系统，用于提供输出电源。
2.根据权利要求1所述的安全转矩关断电路，其特征在于，所述第一安全转矩关断输入端和第二安全转矩关断输入端分别经第一开关电路和第二开关电路连接于一输入电源。
3.根据权利要求2所述的安全转矩关断电路，其特征在于，在所述第一开关电路闭合时，所述输入电源令第一输入电路接收到高电平，所述第一输入电路的输出令第一耦合传输电路的输入侧产生感应电流，并经耦合传输至第一耦合传输电路的输出侧，并令第一输出电路输出高电平；或者，在所述第一开关电路断开时，令第一输出电路输出低电平；在所述第二开关电路闭合时，所述输入电源令第四输入电路接收到高电平，所述第四输入电路的输出令第四耦合传输电路的输入侧产生感应电流，并经耦合传输至第四耦合传输电路的输出侧，并令第二输出电路输出高电平；或者，在所述第二开关电路断开时，令第二输出电路输出低电平；
在所述第一开关电路和第二开关电路闭合时，所述输入电源令第一输入电路和第二输入电路接收到高电平，分别令第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输入侧产生感应电流，并分别经耦合传输至第二耦合传输电路和第三耦合传输电路的输出侧以产生高电平输出；所述处理电路在其第一输入端和第二输入端均接收到高电平时，控制第三输出电路导通以提供输出电源，在接收到至少一个低电平时，控制第三输出电路断开。
4.根据权利要求1或3所述的安全转矩关断电路，其特征在于，所述第一耦合传输电路、第二耦合传输电路、第三耦合传输电路、及第四耦合传输电路为光耦传输电路。
5.根据权利要求1所述的安全转矩关断电路，其特征在于，还包括：电压转换电路，连接所述输出电源，用于将该输出电源的电源输出转换为预定电压值的一或多个供电电源。
6.根据权利要求1所述的安全转矩关断电路，其特征在于，还包括：检测电路，其输入端连接所述输出电源，其输出端连接至处理电路还包括的采样端；所述检测电路，用于对所述输出电源的电源输出进行采样以生成采样信号并输出至所述处理电路。
7.一种电机控制系统，其特征在于，包括：变频器系统及如权利要求1至6中任一项所述的安全转矩关断电路；
所述变频器系统，包括：
控制功率模块，连接并控制三相电机；
微处理模块，与所述控制功率模块间连接形成有上桥臂信号通道、以及下桥臂信号通道，用于传输电机控制信号；
多个信号传输模块，分别连接在各所述上桥臂信号通道和下桥臂信号通道中；
所述安全转矩关断电路的安全转矩关断电源端连接至各所述信号传输模块的供电端，第一安全转矩关断输出端连接至各上桥臂信号通道中的信号传输模块的使能端，第二安全转矩关断输出端连接至各下桥臂信号通道中的信号传输模块的使能端，以控制各信号传输模块的通断。
8.根据权利要求7所述的电机控制系统，其特征在于，所述上桥臂信号通道、以及下桥臂信号通道中分别设有至少两个串联的信号传输模块。
9.根据权利要求7所述的电机控制系统，其特征在于，所述信号传输模块包括：同向缓冲器、隔离芯片、及反相器中的任意一或多种。
10.根据权利要求7所述的电机控制系统，其特征在于，所述上桥臂信号通道和所述下桥臂信号通道分别包括多个线路，每个所述信号传输模块为多输入端和多输出端的信号传输电路实现，以同时连接各所述上桥臂信号通道的各线路，或同时连接各所述下桥臂信号通道的各线路。
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