CN115777175A - 用于激活对功率级的控制的技术 - Google Patents

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CN115777175A
CN115777175A CN202180048190.2A CN202180048190A CN115777175A CN 115777175 A CN115777175 A CN 115777175A CN 202180048190 A CN202180048190 A CN 202180048190A CN 115777175 A CN115777175 A CN 115777175A
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Abstract

本发明涉及一种用于激活对电机(300)的功率级(200)的控制的装置(100)。所述装置包括用于检测安全功能信号的第一输入端(102)和用于检测所述安全功能信号的基准电位的第二输入端(104)。此外，所述装置还包括所述控制的至少一个关断路径(106)。每个关断路径(106)分别包括：输入耦合器(110)，在输入侧上连接在所述第一输入端(102)与所述第二输入端(104)之间，并且被设计为从所述输入端(102、104)传输所述安全功能信号；至少一个用于控制所述功率级(200)的半桥的开关的输出端(130)；以及至少一个调制逻辑单元(120)，被设计为将对应于相关开关的调制信号(166；168)和相关输入耦合器(110)所传输的所述安全功能信号在逻辑上相关联，并且在所述输出端(130)上将其作为可激活调制信号(108)输出。所述输入耦合器(110)从所述输入端(102、104)电隔离地传输所述安全功能信号，并且/或者，对应于相关开关的所述调制信号(166；168)在所述装置(100)中与用于产生所述调制信号(166；168)的调制器(160)电隔离(112)。

Description

用于激活对功率级的控制的技术
技术领域
本发明涉及一种用于激活(Freischaltung)对电机功率级的控制的技术。特别是公开一种用于激活功率级的装置和一种配备有该装置的变频器，但不限于此。
背景技术
已经存在用于驱动电动马达的、具有安全中断转矩功能(技术上称为“SafeTorque Off”功能(STO功能))的变频器。文献DE 10 2011 003 922 A1描述这样一种变频器，其STO输入信号是动态化的，即随时间变化。供电电压产生单元将直流电压分量消除。只有当存在时变信号(
Figure BDA0004038510350000011
Signal)时，才会产生用于传输构件和用于控制功率级的驱动器的供电电压。根据故障安全原则(技术上又称：fail-safe)，动态化失败时会自动中断供电电压。
然而，为了实现这一原则，必须产生动态信号。举例而言，这可以通过微控制器或其他类型的时钟发生器来完成。此外，动态信号必须由处理单元进行评估。
尽管通过合理的额外努力可以实现这样的设计，将其用于需要微控制器来实现进一步功能的变频器，但使用微控制器或其他专门用于动态化的复杂电路是不相称的，例如对于简单的转速起动器(Drehzahlstarter)来说。特别是，就已知技术而言，STO功能尚未应用于简单的转速起动器。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于安全地激活对功率级、特别是对STO功能的控制的技术，这种技术不需要对输入信号进行复杂的动态化处理，并且优选地，这种技术也能整合到简单的转速起动器中。
该目的通过独立权利要求的特征而达成。在从属权利要求中提供本发明的合理技术方案和有利的改进方案。
下面将部分参照附图对本发明的实施例进行描述。
第一方面涉及一种用于激活对电机功率级的控制的装置。该装置包括用于检测或连接安全功能信号的第一输入端和用于检测或连接安全功能信号的基准电位的第二输入端。此外，该装置还包括所述控制的一个或至少两个关断路径。每个关断路径分别包括：
-
输入耦合器，在输入侧上连接在第一输入端与第二输入端之间，并且被设计为(可选择以电隔离的方式)从输入端传输安全功能信号；
-
至少一个用于控制功率级的半桥的开关的输出端；以及
-
至少一个调制逻辑单元，被设计为将对应于相关开关的调制信号和相关输入耦合器所传输的安全功能信号在逻辑上相关联，并且在输出端上将其作为可激活调制信号输出。
输入耦合器从输入端电隔离地传输安全功能信号。作为替代方案或补充方案，对应于相关开关的调制信号(可选择在所述装置中)与用于产生调制信号的调制器电隔离。
可激活调制信号又可被称为安全调制信号。
调制逻辑单元可以是逻辑算子。作为替代方案或补充方案，调制逻辑单元可以是逻辑单元，该逻辑单元被设计为将对应于相关开关的、由调制器产生的调制信号和相关输入耦合器所传输的安全功能信号在逻辑上相关联，并且在输出端上将其作为可激活调制信号输出。
半桥的开关可以是半导体开关。
所述装置可以是用于变频器或变频器中的功能安全电路部件。
电机可以是电动马达。
所述装置的实施例可以使调制逻辑单元对功率级的控制受制于安全功能信号存在于第一输入端和/或第二输入端上这一条件。如果第一输入端和/或第二输入端上缺失安全功能信号，则所述一个或每个调制逻辑单元不向功率级输出对应于半桥的相关开关的调制信号，因为被传输的安全功能信号缺失(即不存在或逻辑上等于零)，也就是停止对功率级的控制。
在相同的实施例或其他实施例中，所述一个或每个关断路径可以分别(例如独立于所述关断路径或其他关断路径地)被设计为在输入端之间监测(例如借助相关的输入耦合器检测)安全功能信号，并且响应安全功能信号的缺失而终止对功率级的控制(例如借助调制逻辑单元)。
如果第一输入端或第二输入端中断或无电位，则输入端上可以缺失安全功能信号。如果(例如只有当)有电流从第一输入端流向第二输入端，则可存在安全功能信号。代表安全功能信号的电流可以从第一输入端经由所述一个或每个输入耦合器而流向第二输入端。
输入耦合器可被设计为适于传输由在第一输入端与第二输入端之间流动的电流或由施加在第一输入端与第二输入端之间的电压所代表的安全功能信号。
所述逻辑关联可以是对应的调制信号与被传输的安全功能信号之间的逻辑“与”运算(或“与”)。
基于“与”运算，(优选为正的)被传输的安全功能信号可以是将对应的调制信号转发或传输或输出至功率级的先决条件。
安全功能信号的基准电位可以是接地电位或地电位。
所述装置可被设计为适于激活对功率级的(例如用于N个相的)N个半桥的控制。所述装置可以包括至少2N个输出端。每个半桥可各对应于一对输出端。每对输出端可被设计为适于控制功率级的对应于相关半桥的开关(优选半导体开关，例如高边半导体开关和低边半导体开关)。
所述装置可包括至少两个关断路径，所述关断路径的输入耦合器串联连接在第一输入端与第二输入端之间。
安全功能信号可以是电机的安全转矩中断信号(简称：STO信号)。STO信号和/或装置可以按照欧洲标准IEC 61800-5-2:2007和/或欧洲标准60204的停止类别0或1进行设计。
电机可以用作或适合用作马达和/或发电机。所述激活(例如在马达的情况下)可以中断驱动转矩和/或(例如在发电机的情况下)可以中断制动力矩。
电机可以是电动马达，优选异步马达。作为替代方案或补充方案，电机可以是三相电机。
所述装置可进一步包括转换器或变压器，所述转换器或变压器被设计为向输入耦合器和/或调制逻辑单元和/或输出端(例如输出端的光电耦合器)输出或提供与用于监测所述激活的控制单元和/或用于产生调制信号的调制器电解耦的供电电压。
安全功能信号或第一输入端可以馈送(例如提供)所述一个或多个输入耦合器的供电电压和/或所述一个或多个调制逻辑单元的供电电压。
作为替代方案或补充方案，所述一个输入耦合器或每个输入耦合器的供电电压和/或所述一个调制逻辑单元或每个调制逻辑单元的供电电压可以独立于安全功能信号地(例如，不管存在还是缺失安全功能信号)被输出或提供。作为替代方案或补充方案，所述一个输入耦合器或每个输入耦合器的供电电压和/或所述一个调制逻辑单元或每个调制逻辑单元的供电电压可以与产生调制信号的调制器和/或在输出端上输出可激活调制信号的输出耦合器(例如光电耦合器)的工作电压电解耦。
安全功能信号的所述一个或每个电隔离式输入耦合器和/或调制信号的电隔离可具有光学式、电感式和/或电容式信号耦合装置。
所述一个或每个关断路径可进一步包括滤波器。滤波器可连接在输入耦合器与调制逻辑单元之间。滤波器可以包括放大器。放大器可将以电隔离方式被传输的安全功能信号放大，例如放大至用于控制功率级的电压和/或放大至100V以上或200V以上的电压。作为替代方案或补充方案，滤波器可以包括低通滤波器。低通滤波器可为已放大的安全功能信号滤波。作为替代方案或补充方案，滤波器可以包括施密特触发器。施密特触发器可以输出具有滞后信号特性的已放大和/或已滤波安全功能信号，例如输出至调制逻辑单元。
低通滤波器的时间常数(例如时间特性或滤波器长度)可以与安全功能信号的电压无关。
所述一个或每个关断路径可进一步包括测试逻辑单元。测试逻辑单元可连接在输入耦合器与调制逻辑单元之间。测试逻辑单元可以在输入侧上将被传输的安全功能信号与测试信号在逻辑上相关联(例如根据“与”运算)。
所述装置可进一步包括控制单元，控制单元被设计为产生测试信号以中断被传输的安全功能信号(例如逻辑零)，并且响应测试信号而在调制逻辑单元上的信号分接点处或在输出端上监测信号特性。举例而言，控制单元可被设计为：如果被监测的信号特性在一段预定的时间内不符合对控制的激活，则向产生调制信号的调制器输出关于切断调制信号的指令。
所述装置可进一步包括调制器关断路径。调制器关断路径或装置可以包括产生调制信号的调制器。调制器关断路径可进一步包括输入耦合器，该输入耦合器在输入侧上连接在第一输入端与第二输入端之间，并且被设计为将安全功能信号作为(例如逻辑反转的)切断指令从输入端电隔离地传输至调制器。调制器可被设计为响应被传输的安全功能信号的缺失而切断调制信号。
所述装置可进一步包括适于产生至少一个调制信号的调制器。调制器可以在自有的关断路径(调制器关断路径)中被施加被传输的安全功能信号。调制器可被设计为响应被传输的安全功能信号的缺失(即缺乏)而中断(即切断)至少一个调制信号的产生。
所述装置可进一步包括控制单元关断路径。控制单元关断路径或装置可以包括控制单元。控制单元关断路径可进一步包括输入耦合器，该输入耦合器在输入侧上例如连接在第一输入端与第二输入端之间，并且被设计为将安全功能信号从输入端电隔离地传输至控制单元。控制单元可被设计为响应被传输的安全功能信号的缺失而在调制逻辑单元上的信号分接点处或在输出端上监测信号特性。举例而言，控制单元可进一步被设计为：如果被监测的信号特性在一段预定的时间内不符合对控制的激活，则向产生调制信号的调制器输出关于切断调制信号的指令。
所述装置可进一步包括保持-关断路径(又称：制动-关断路径)。保持-关断路径可以包括机电制动器或旋转闭锁器和输入耦合器，该输入耦合器在输入侧上连接在第一输入端与第二输入端之间，并且被设计为将安全功能信号从第一输入端和第二输入端电隔离地传输至机电制动器或旋转闭锁器。机电制动器可被设计为在被传输的安全功能信号缺失时在电机的轴上产生制动力矩，或者机电旋转闭锁器可被设计为在被传输的安全功能信号缺失时在电机的轴上产生保持力矩。
第二方面涉及一种用于驱动电动马达的变频器。变频器包括功率级，该功率级被设计为根据至少一个可激活调制信号切换或产生电动马达的至少一个相(例如功率级的半桥的开关)。此外，变频器还包括调制器，该调制器被设计为适于产生至少一个用于控制功率级的调制信号。此外，变频器还包括根据第一方面的、用于激活对功率级的控制的装置。
根据第一方面，所述装置可被设计为将调制器的至少一个调制信号分别与被传输的安全功能信号在逻辑上相关联，以便输出可激活调制信号。
在此，术语变频器也包括频率可变(例如根据至少一个调制信号而变化)的逆变器。在此情况下，变频器可以根据功率级所切换的相数而分别为单相、两相、三相或多相变频器。
变频器可以用直流电压或交流电压运行。举例而言，功率级可以在输入侧上被施加作为供电电压的直流电压。作为替代方案或补充方案，变频器可以包括整流器(例如具有整流器的中间电路)，该整流器可以在输入侧上被施加作为供电电压的交流电压。在输出侧上，整流器(或中间电路)可以与功率级的输入端电性连接。
变频器可以是转速起动器，或者可整合到转速起动器中。控制单元可进一步被设计为根据电动马达的起动方法来控制调制器，和/或控制调制器来使电动马达换向。
附图说明
下面将参照附图并借助优选实施例对本发明进行详细说明。
其中：
图1为根据第一实施例的用于激活对功率级的控制的装置以及相应变频器的示意性框图；
图2为根据第二实施例的用于激活对功率级的控制的装置以及相应变频器的示意性框图；
图3A至图3D分别为输入耦合器的一个例子的示意性框图，该输入耦合器可应用于所述激活装置的任何一个实施例；
图4为根据第三实施例的用于激活对功率级的控制的装置以及相应变频器的示意性框图；
图5为根据第四实施例的用于激活对功率级的控制的装置以及相应变频器的示意性框图；
图6为根据第五实施例的用于激活对功率级的控制的装置以及相应变频器的示意性框图；
图7为根据第六实施例的用于激活对功率级的控制的装置以及相应变频器的示意性框图；
具体实施方式
图1示出用于激活对功率级的控制的装置的第一实施例的示意性框图，该装置一般性地用附图标记100标示，该功率级一般性地用附图标记200标示。功率级200可被设计为用于或可用于驱动电机(即电动马达或发电机)或从中引取电流，该电机一般性地用附图标记300标示。
装置100的第一实施例包括用于检测安全功能信号的第一输入端102和用于检测安全功能信号的基准电位的第二输入端104。此外，就第一实施例而言，装置100包括所述控制的一个关断路径106。其他实施例可以包括两个或更多个关断路径106。
每个关断路径106分别包括输入耦合器110。输入耦合器110在输入侧上连接在第一输入端102与第二输入端104之间。输入耦合器110被设计为从第一输入端102和第二输入端104传输安全功能信号(在每个实施例的第一变体中可选择以电隔离的方式)。
此外，每个关断路径106分别包括至少一个输出端130，该输出端用于控制功率级200的半桥的开关(例如功率级200的一个相)，优选分别用于控制该相的一个正极部分或负极部分和/或功率级200的高边支路或低边支路上的一个半导体开关(例如IGBT)。
此外，每个关断路径106分别包括调制逻辑单元120，该调制逻辑单元被设计为将对应于相关开关(例如相的正极部分或负极部分)的调制信号166和相关输入耦合器110所传输的安全功能信号在逻辑上相关联，并且在输出端上将其作为可激活调制信号108输出。优选地，该调制信号具有两个逻辑电平和/或对应脉冲宽度调制(PWM)。
图1中所示出的输入耦合器110的符号一般性地代表电隔离式或非电隔离式输入耦合器110。举例而言，输入耦合器110可以如下图3A至3D之一中的示意图所示那样进行构建。
在第一变体中，例如如下图3A中示意性所示，输入耦合器110可将安全功能信号与相关的关断路径106电隔离。作为替代方案或补充方案，在第二变体中，调制信号166可与外部调制器160电隔离，例如如图3A所示。如此一来，在每个变体中，安全功能信号的输入端102和104(即使在相关的关断路径106或外部调制器160的一个部件发生故障的情况下也)可以免受危害性的接触电压。如果输入耦合器110不是电隔离式的，例如如下图3B至3D之一中示意性所示，则调制信号166必须强制性地被电隔离，因为为了电气安全，输入耦合器110或外部调制器160的端子必须是电隔离式部件(例如光电耦合器)。
当安全功能信号缺失时，优选不对输入耦合器110和/或调制逻辑单元120的供电电压进行控制或者不将其中断。作为替代方案或补充方案，每个关断路径106中供电电压的消失可以与被传输的安全功能信号的缺失是等效的，也就是说，供电电压消失时激活控制。
在每个实施例中，所述的一个或至少两个关断路径106均可实现安全转矩中断(即“Safe Torque Off”或STO功能)。
在每个实施例中，输出端130均可包括用于将可激活调制信号108电隔离地传输至功率级200的输出耦合器。输出耦合器可以包括光电耦合器(即光学信号耦合装置)或电感式和/或电容式信号耦合装置。
第一实施例包括一个关断路径106，而其他实施例，例如在第一实施例的改进方案中，则可以包括两个或更多个关断路径106。
在另一个实施例中，用于控制用于单相交流电的功率级300的装置100可以包括两个分别用于一个半桥的上(技术上又称：“高边”)支路和下(技术上又称：“低边”)支路的关断路径106。作为可选方案，可以为监测或测试该装置的微控制器提供第三关断路径。
在又一实施例中，用于控制用于三相电流的功率级300的装置100可以包括六个关断路径106，分别用于三个半桥(技术上又称：B6桥)的上(技术上又称：“高边”)支路和下(技术上又称：“低边”)支路。作为可选方案，可以为监测或测试该装置的微控制器提供第七关断路径。
在每个实施例中，可以设置一个或至少两个分开的关断路径106来实现STO功能，例如在电动马达300的转速起动器中。
在第一输入端102上，可以检测和/或连接(例如具有24V额定电压的)“STO+”信号。在第二输入端104上，可以检测和/或连接(例如具有0V额定电压的)相关的基准电位或参考电位，即“STO-”信号。当两个信号中的一个缺失时(例如由于相应的输入端变成无电位或者相应输入端的电连接变成高阻)，在每个关断路径中，被传输的安全功能信号均会缺失，即安全功能被触发。
在每个实施例的第一变体中，在输入耦合器110中，STO+和STO-这两个信号分别通过光电耦合器110与相关的关断路径106电隔离。所述的一个或多个关断路径106也可以被称为一个或多个通道。
功率级200由直流电压(例如直流电网或整流电压)的正极端子202(DC+)和负极端子204(DC-)馈电。功率级根据调制信号166切换直流电压，以便为电机300产生相应(即对应于调制信号166)的相。
装置100可实现为功能安全电路部件，优选可实现为安全功能STO的电路部件。
此外，图1还示出用于驱动电动马达300的变频器的第一实施例的示意性框图，该变频器一般性地用附图标记400标示。
变频器400的第一实施例包括功率级200，该功率级被设计为根据至少一个可激活调制信号108切换或产生电动马达300的至少一个相。为此，功率级200可以每相各包括一个具有两个开关(例如半导体开关)的半导体桥。此外，变频器400包括调制器160，该调制器被设计为产生至少一个用于控制功率级200的至少一个半导体桥(例如半导体桥的相关开关)的调制信号166。变频器400进一步包括根据本文所述实施例之一的用于激活对功率级200的控制的装置100，其中装置100将调制器160的至少一个调制信号166分别与被传输的安全功能信号在逻辑上相关联，以便输出相关相(例如功率级200的半导体桥的相关开关)的可激活调制信号108。
装置100和/或变频器400的每个实施例均可包括具有电隔离功能的转换器或变压器150(例如直流电压转换器)。举例而言，变压器150具有第一电解耦输出端152，变压器150在该输出端上为装置100，优选为输入耦合器110和/或为调制逻辑单元120和/或输出端130提供供电电压。
变压器150的可选第二解耦输出端154提供输出端130的供电电压和/或在调制器160的输入端162和164上提供工作电压和/或提供装置100的控制单元(例如微控制器)的工作电压。
优选仅通过所述的一个或多个关断路径106(或其他关断路径107A和/或107B之一)来激活控制，而当安全功能信号缺失时，不对装置100和/或变频器400的其他部件的供电电压和工作电压进行控制，例如不将其中断。
电力驱动器必须执行安全功能。装置100或变频器400的实施例可以通过以下方式来实现转矩中断安全功能(技术上又称“Safe Torque Off”或STO)：通过(例如电压为0V的)可激活调制信号108控制功率级立即中断对作为驱动器的电动马达300的供电。控制驱动器300的变频器400的安全功能“STO”可以中断电流，进而中断驱动器的转矩。
在借助装置100或变频器400关断STO之后，驱动器300将无法再产生转矩。随着电流的中断，驱动器300的转矩会立即消失，驱动器300会不受控制地停止。
安全功能STO可以对应欧洲标准EN 60204的停止类别0。
由于驱动器300在STO关断时不能再以电气方式产生制动力矩，因此，单独的措施(如机械制动器)对于驱动器300的制动是有利的，举例来说，这样就不会发生非期望的超程运行(Nachlauf)或者不会超过极限位置。受到外力(例如提升的质量或弹力)作用时，可将机械制动器或机械锁止器设计为响应安全功能信号的缺失而为电动马达300的轴产生制动力矩或保持力矩，优选以防止驱动器300在无转矩状态下可能发生的位置变化。
举例而言，装置100可以包括保持-关断路径。该保持-关断路径包括输入耦合器110。输入耦合器110在输入侧上连接在第一输入端102与第二输入端104之间。输入耦合器110被设计为将安全功能信号从第一输入端102和第二输入端104电隔离地传输至机电制动器或旋转闭锁器。当被传输的安全功能信号缺失时，制动器会在电机300的轴上产生制动力矩，或者旋转闭锁器会在电机300的轴上产生保持力矩。
在每个实施例中，电机300均可以是电动马达。电动马达300可以是输入功率例如为50W至3kW的三相异步马达。
图2示出根据第二实施例的装置100和相应的变频器的示意性框图。第二实施例可以单独实现，或者可作为上述实施例之一(例如第一实施例)的改进方案而实现。
在每个实施例的一个可选变体中，输入耦合器110可包括(至少一个)晶体管，例如代替光电耦合器(也就是说，该晶体管不需要是光电晶体管)。因此，被传输的安全功能信号(例如在装置100中)不与施加在第一输入端102和/或第二输入端104上的安全功能信号电隔离。
作为替代方案或补充方案，电隔离112(例如光电耦合器或电感式和/或电容式信号耦合装置)可将调制信号166(例如在装置100中和/或在装置100的调制信号输入端上)与产生调制信号的调制器160电隔离。这对于确保电气安全可能是必要的。
在任何一个实施例(例如在输入耦合器110处未设置电隔离的实施例)中，可能会要求变压器150提供保护性隔离(电隔离)，或者(例如与在输入耦合器110处有电隔离的实施例相比)这种要求可能会有所提升。变压器150可以是用于电气安全的绝缘桥接部件。
图3A至图3D各示出输入耦合器的一个例子的示意性框图，该输入耦合器可应用于装置100的任何一个实施例。这些示意性框图是经简化的，或者可以提供一种电路原理，该电路原理例如可通过增加电阻和电容而实现，或者可作为更大的电路的一部分而实现。
尽管图3A至图3D的例子是针对输入耦合器110(即所述一个输入耦合器110或每个输入耦合器110)而描述的，但这些例子可(作为输入耦合器110的替代或补充而)应用于输出端130和/或用于调制信号166的可选电隔离112。
例如如图3A所示，输入耦合器110的第一个例子包括用于信号耦合的光电耦合器。光电耦合器可以包括(酌情与其他输入耦合器串联)连接在第一输入端102与第二输入端104之间的发光二极管。光电耦合器可进一步包括可由发光二极管照亮的光电晶体管，该光电晶体管的输出端以与输入侧安全功能信号电隔离的方式进行传输。
例如如图3B所示，输入耦合器110的第二个例子包括用于信号耦合的差分放大器。差分放大器可以与电阻并联，该电阻(酌情与其他输入耦合器110串联)连接在第一输入端102与第二输入端104之间。差分放大器可以在输出侧传输安全功能信号。
例如如图3C所示，输入耦合器110的第三个例子包括用于信号耦合的晶体管(优选不是光电晶体管)。晶体管可在输入侧上连接在第一输入端102与第二输入端104之间(可选择与以第二个例子中的方式进行连接的电阻并联)。晶体管可以在输出侧传输安全功能信号。
例如如图3D所示，输入耦合器110的第四个例子包括一个用于信号耦合的电流镜。电流镜可在输入侧上连接在第一输入端102与第二输入端104之间(可选择与以第二个例子中的方式进行连接的电阻并联)。电流镜可以在输出侧传输安全功能信号。
图4示出根据第三实施例的装置100和相应的变频器的示意性框图。第三实施例可以单独实现，或者可作为上述实施例之一(例如第一实施例和/或第二实施例)的改进方案而实现。
第三实施例从安全功能信号，优选从第一输入端102馈送相关关断路径(即通道)106或所有关断路径106的至少一个组件或所有组件的供电电压，例如作为变压器150的补充或替代。被馈电的组件可以包括输入耦合器110和/或调制逻辑单元120。
举例而言，通道106由安全功能信号(STO)的数字输入端102-104供电，而不再由变压器150供电。
相比之下，使用变压器150的实施例可以减少数字输入端102-104上的电流消耗。
输出端130(即输出端130上的输出耦合器)优选不由安全功能信号馈电。因为为了电气安全，输出侧电源不得与输入侧电连接。
图5示出根据第四实施例的装置100和相应的变频器400的示意性框图。第四实施例可以单独实现，或者可作为上述实施例之一(例如第一至第三实施例)的改进方案而实现。
例如作为第三实施例的补充，装置100的第四实施例可以包括用于为相关关断路径(即通道)106或所有关断路径106的至少一个组件或所有组件供电的(优选为电隔离式的)转换器或变压器150(例如DC/DC转换器)。(优选为电隔离式的)变压器150相对于通道106而言可以是外部电源。
如果转换器或变压器150未将其输入端202和204与为组件馈电的输出端152电隔离，则必须停止输出侧供电，也就是用变压器150为输出端130上的(将可激活调制信号108电隔离的)输出耦合器馈电，因为输出端130不得与输入侧电连接。也就是说，在此情况下必须去掉通往输出端130的相应信号线152。
图6示出根据第五实施例的装置100和相应的变频器400的示意性框图。第五实施例可以单独实现，或者可作为上述实施例之一(例如第一至第四实施例)的改进方案而实现。
第五实施例包括至少两条关断路径106，例如两条各用于一个由功率级200产生的、用于驱动电动马达300的相的关断路径，或者两条用于所有(例如三个)由功率级200产生的、用于驱动电动马达300的相的关断路径。作为用于(例如每相的)第一关断路径106的至少一个调制逻辑单元120的调制信号166，调制器160产生脉宽调制信号166，该脉宽调制信号用于产生正电压相段(Phasenabschnitt positiver Spannung)(例如相对于相关相的时间平均电压为正的)或用于控制半桥的上(也就是：高边)支路，以在功率级200中产生相关的相。此外，作为(例如每相的)第二关断路径106的至少一个调制逻辑单元120的调制信号168，调制器160产生脉宽调制信号168，该脉宽调制信号用于产生负电压相段(例如相对于相关相的时间平均电压而言)或用于控制半桥的下(也就是：低边)支路，以在功率级200中产生相关的相。
在任何一个实施例中，输入端102和/或104均可与安全开关设备的测试脉冲兼容。举例来说，优选在每个关断路径106中(以及酌情在每个其他关断路径107A和/或107B中)均将测试脉冲滤除。装置100和/或变频器400的实施例可被设计为既适合正测试脉冲，又适合负测试脉冲。用于滤除测试脉冲的过滤时间优选与输入端102和/或104上的电压水平无关。
装置100优选包括至少一个调制器关断路径107A。每个调制器关断路径107A分别包括输入耦合器110。输入耦合器110在输入侧上连接在第一输入端102与第二输入端104之间，例如与关断路径106的输入耦合器110串联。调制器关断路径107A的输入耦合器110被设计为将安全功能信号从第一输入端102和第二输入端104电隔离地传输至调制器160，作为关于切断调制信号166和168的(例如逻辑反转的)切断指令142。装置100(例如调制器关断路径107A)可以包括由被传输的安全功能信号控制的调制器160。
图7示出根据第六实施例的装置100和相应的变频器400的示意性框图。第六实施例可以单独实现，或者可作为上述实施例之一(例如第一至第五实施例)的改进方案而实现。
优选地，每个关断路径106均包括滤波器122，例如低通滤波器122。在各关断路径106内部，滤波器122可以连接在输入耦合器110与调制逻辑单元120之间，例如连接在测试逻辑单元121与调制逻辑单元120之间。
通过用各输入耦合器110进行电隔离，可以在用于控制功率级200的、存在触电风险的电位上实现所述的一个或多个关断路径106。这允许装置100将处于这个电位上的微控制器140用于诊断目的和/或将其用在微控制器关断路径107B中(例如用在第三关断路径或另一个关断路径中)。举例而言，被传输的安全功能信号在关断路径106内部可以用100V以上的电压代表。
滤波器122可以包括放大器124，该放大器被设计为将被传输的安全功能信号放大到用于控制功率级200的电位。
作为替代方案或补充方案，滤波器122可以包括低通滤波器126和/或施密特触发器128，优选为反相施密特触发器128。
在图7所示的第六实施例中，当安全功能信号缺失时，第一关断路径106将不转发(作为高边驱动器的)调制器160的(作为第一调制信号166的)第一PWM信号。第二关断路径106则不转发(作为低边驱动器的)调制器160的(作为第二调制信号168的)第二PWM信号。
装置100的每个实施例均可进一步包括微控制器关断路径107B，例如作为第三关断路径和/或如图7中示意性所示。微控制器关断路径107B包括输入耦合器110。输入耦合器110在输入侧上连接在第一输入端102与第二输入端104之间，例如与关断路径106的输入耦合器110和/或关断路径107A的输入耦合器110串联。
微控制器关断路径107B的输入耦合器110被设计为将安全功能信号从第一输入端102和第二输入端104电隔离地传输至装置100的关断路径107B的微控制器140。
微控制器140可被设计为响应安全功能信号的缺失而在每个关断路径106的输出端130上的信号分接点处检验可激活调制信号是否被实际切断，例如被设置为0V或DC-。
作为替代方案或补充方案，微控制器140被设计为响应安全功能信号的缺失而向调制器160输出关于切断调制信号的切断指令142，例如将关于切断调制信号166和168的切断指令142传输至调制器160。例如，微控制器140将PWM信号166和168切断。
装置100(例如调制器关断路径107A)可以包括由被传输的安全功能信号控制的调制器160。作为替代方案或补充方案，调制器160可在变频器400中布置在装置100外部。
在任何一个实施例中，为了确保用于获得功能安全的操作功能(例如装置100的功能)没有反作用，所有信号(例如被传输的安全功能信号和/或调制器160的调制信号166或168和/或可激活调制信号108)和/或变压器150的第一输出端152的供电电压和/或变压器150的第二输出端154的工作电压可以彼此解耦。
在任何一个实施例中，可以在一个或每个关断路径106中安装作为测试开关的测试逻辑单元121，以检验(例如调制逻辑单元120和/或施密特触发器128的)开关能力和/或各个关断路径106的时间特性(例如滤波器122的时间常数，优选低通滤波器124的时间常数)。
在每个关断路径106中，测试逻辑单元121可以连接在输入耦合器110与调制逻辑单元120之间，例如连接在输入耦合器110与滤波器122之间。测试逻辑单元121可被设计为将输入耦合器110所传输的调制信号与测试信号144在逻辑上相关联，例如根据“与”运算(Und-Verknüpfung)，并且在关断路径106中将其输出，例如输出至滤波器122或调制逻辑单元120。
装置100可以包括用于检验开关能力和/或时间特性的控制单元140，例如上述微控制器140。
控制单元140可被设计为借助于测试信号144(例如逻辑零)来模拟关断路径106中安全功能信号的缺失。控制单元140可进一步被设计为在关断路径106中位于测试逻辑单元121与调制逻辑单元120之间的信号分接点129处检测(例如扫描)被传输的安全功能信号的电压特性。如果在输出测试信号144以模拟缺失的安全功能信号之后的一段预定时间内信号分接点129处缺失被传输的安全功能信号，则检验结果为装置100的工作状态。否则，检验结果为故障状态。在故障状态下，控制单元140可以输出故障状态(例如以光学和/或声学方式输出)和/或向调制器160输出关于切断调制信号166和/或168的切断指令142(优选不考虑输入端102和104上存在还是缺失安全功能信号)。
作为替代方案或补充方案，装置100的控制单元140(例如上述微控制器140)可被设计为执行以下控制功能中的至少一项。第一项控制功能是起动马达300，优选是在马达300接通时限制功率的软起动(技术上又称：Softstart)。第二项控制功能是使马达300换向。
在每个实施例中，调制逻辑单元120和/或测试逻辑单元121可以包括至少一个逻辑门(优选“与”门)，以实现相关的逻辑运算(例如相应的布尔运算)。
为了更加清晰起见，图7的视图中仅绘示了通往功率级200的一个半桥的两个开关的关断路径106。每个开关各需要一个输出耦合器130(例如光电耦合器)。举例而言，在以三相异步电机为电机300的情况下(即各由一个具有两个开关的半桥控制的三个相)，总共需要六个输出耦合器130(例如光电耦合器)和六个调制逻辑单元120。六个调制逻辑单元120上各施加三个调制信号166和三个调制信号168中的一个调制信号。六个输出耦合器130输出六个可激活调制信号108。
在每个实施例的第一变体中，用于半桥的不同开关的“与”门120(和输出耦合器130)可以连接在同一个输入耦合器110或同一个测试逻辑单元121或同一个滤波器122上。也就是说，关断路径106中的一个或每一个可以包括一个以上的输出耦合器130。在每个实施例的第二变体(该第二变体可针对不同的关断路径106与第一变体结合)中，半桥的不同开关可以连接在各自的关断路径106上。举例而言，装置100可以包括两个以上的关断路径106。
装置100可被设置成或可用作变频器400的安全功能。作为替代方案或补充方案，装置100可以在控制变频器400时中断电流。
以上参照示范性实施例对本发明进行了描述，但对于本领域技术人员来说，显然可以进行各种修改，也可以使用对等物来替换。此外，可以进行大量修改以使特定情况或特定材料适应本发明的教示。因此，本发明并不限于所披露的实施例，而是包括落入所附权利要求书范围的所有实施例。
附图标记说明
100 用于激活对功率级的控制的装置
102 安全功能信号(优选STO信号)的第一输入端
104 安全功能信号的基准电位的第二输入端
106 关断路径
107A 调制器关断路径
107B 控制单元关断路径，优选微控制器关断路径
108 可激活调制信号
110 安全功能信号的输入耦合器，优选为电隔离式，例如光电耦合器，或差分放大器，例如在分压器上
112 调制信号的电隔离
120 调制逻辑单元，例如“与”门
121 测试逻辑单元，例如“与”门
122 滤波器，例如低通滤波器
124 放大器
126 低通滤波器
128 施密特触发器，优选反相施密特触发器
129 用于诊断的信号分接点
130 可激活调制信号的输出端，优选电隔离式输出耦合器，例如光电耦合器
140 控制单元，例如监测安全功能
142 切断调制信号的指令
144 测试信号
150 转换器或变压器，优选为解耦式例如电隔离式DC/DC转换器
152 变压器的第一解耦输出端
154 变压器的第二解耦输出端
160 调制器，例如用于PWM信号的微控制器或时钟发生器
162 工作信号的输入端
164 工作信号的基准电位的输入端
166 第一调制信号，例如用于正相段和/或用于高边支路的半导体开关的PWM信号
168 第二调制信号，例如用于负相段和/或用于低边支路的半导体开关的PWM信号
200 功率级，例如半桥、H桥或B6桥
202 第一电网端子，例如通往直流电网的正极端子
204 第二电网端子，例如通往直流电网的负极端子
300 电机，优选三相异步电机

Claims (16)

1.一种用于激活对电机(300)的功率级(200)的控制的装置(100)，包括：
用于检测安全功能信号的第一输入端(102)和用于检测所述安全功能信号的基准电位的第二输入端(104)；以及
所述控制的一个或至少两个关断路径(106)，其中每个关断路径(106)分别包括：
-输入耦合器(110)，在输入侧上连接在所述第一输入端(102)与所述第二输入端(104)之间，并且被设计为从所述输入端(102、104)传输所述安全功能信号；以及
-至少一个用于控制所述功率级(200)的半桥的开关的输出端(130)，
其特征在于
-至少一个调制逻辑单元(120)，被设计为将对应于相关开关的调制信号(166；168)和相关输入耦合器(110)所传输的所述安全功能信号在逻辑上相关联，并且在所述输出端(130)上将其作为可激活调制信号(108)输出，
其中所述输入耦合器(110)从所述输入端(102、104)电隔离地传输所述安全功能信号，并且/或者，其中对应于相关开关的所述调制信号(166；168)在所述装置(100)中与用于产生所述调制信号(166；168)的调制器(160)电隔离(112)。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中所述逻辑关联是所述对应的调制信号(166；168)与所述被传输的安全功能信号之间的逻辑“与”运算。
3.根据权利要求1或2所述的装置(100)，其中所述装置(100)被设计为适于激活对所述功率级(200)的N个半桥的控制，其中所述装置(100)包括至少2·N个输出端(130)，并且，其中所述功率级(200)的每个半桥各对应于一对所述输出端(130)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(100)，其中所述装置包括至少两个关断路径(106；107A；107B)，所述关断路径的输入耦合器(110)串联连接在所述第一输入端(102)与所述第二输入端(104)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置(100)，其中所述安全功能信号是所述电机(300)的安全转矩中断信号，即STO信号，优选符合欧洲标准IEC 61800-5-2:2007和/或欧洲标准60204的停止类别0或1。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(100)，其中所述电机(300)是电动马达，优选异步马达。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置(100)，进一步包括：变压器(150)，所述变压器被设计为向所述输入耦合器(110)和/或所述调制逻辑单元(120)和/或所述输出端(130)输出与用于监测所述激活的控制单元(140)或用于产生所述调制信号(166；168)的一个或所述调制器(160)电解耦的供电电压(152)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置(100)，
其中所述安全功能信号或所述第一输入端(102)馈送所述一个输入耦合器(110)或所述多个输入耦合器(110)的供电电压和/或所述一个调制逻辑单元(120)或所述多个调制逻辑单元(120)的供电电压，或者，其中所述一个输入耦合器(110)或所述多个输入耦合器(110)的供电电压(152)和/或所述一个调制逻辑单元(120)或所述多个调制逻辑单元(120)的供电电压(152)独立于所述安全功能信号地被输出，并且/或者，
其中所述一个输入耦合器(110)或所述多个输入耦合器(110)的供电电压(152)和/或所述一个调制逻辑单元(120)或所述多个调制逻辑单元(120)的供电电压(152)与产生所述调制信号(166；168)的一个或所述调制器(160)和/或在所述输出端(130)上输出所述可激活调制信号(108)的输出耦合器的工作电压(154)电解耦。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置(100)，其中所述安全功能信号的所述一个或每个电隔离式输入耦合器(110)和/或所述调制信号(166；168)的电隔离(112)具有光学式、电感式和/或电容式信号耦合装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置(100)，其中所述一个或每个关断路径(106)进一步包括滤波器(122)，所述滤波器连接在所述输入耦合器(110)与所述调制逻辑单元(120)之间。
11.根据权利要求10所述的装置(100)，其中所述滤波器(122)包括：
放大器(124)；和/或
低通滤波器(126)；和/或
施密特触发器(128)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置(100)，其中所述一个或每个关断路径(106)进一步包括测试逻辑单元(121)，所述测试逻辑单元连接在所述输入耦合器(110)与所述调制逻辑单元(120)之间，并且在输入侧上将所述被传输的安全功能信号与测试信号(144)在逻辑上相关联，并且，
其中所述装置(100)进一步包括控制单元(140)，所述控制单元被设计为产生所述测试信号(144)以中断所述被传输的安全功能信号，并且响应所述测试信号(144)而在所述调制逻辑单元(120)上的信号分接点(129)处或在所述输出端(130)上监测信号特性，
优选地，其中所述控制单元(140)进一步被设计为：如果被监测的所述信号特性在一段预定的时间内不符合对所述控制的激活，则向产生所述调制信号(166；168)的一个或所述调制器(160)输出关于切断所述调制信号(166；168)的指令(142)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置(100)，进一步包括调制器关断路径(107A)，
其中所述调制器关断路径(107A)包括产生所述调制信号(166；168)的一个或所述调制器(160)以及输入耦合器(110)，所述输入耦合器在输入侧上连接在所述第一输入端(102)与所述第二输入端(104)之间，并且被设计为将所述安全功能信号作为切断指令(142)从所述输入端(102、104)电隔离地传输至所述调制器(160)，
其中所述调制器(160)被设计为响应所述被传输的安全功能信号的缺失而切断所述调制信号(166；168)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置(100)，进一步包括控制单元关断路径(107B)，
其中所述控制单元关断路径(107B)包括控制单元(140)和输入耦合器(110)，所述输入耦合器在输入侧上连接在所述第一输入端(102)与所述第二输入端(104)之间，并且被设计为将所述安全功能信号从所述输入端(102、104)电隔离地传输至所述控制单元(140)，
其中所述控制单元(140)被设计为响应所述被传输的安全功能信号的缺失而在所述调制逻辑单元(120)上的信号分接点(129)处或在所述输出端(130)上监测信号特性，
优选地，其中所述控制单元(140)进一步被设计为：如果被监测的所述信号特性在一段预定的时间内不符合对所述控制的激活，则向产生所述调制信号(166；168)的一个或所述调制器(160)输出关于切断所述调制信号(166；168)的指令(142)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置(100)，进一步包括保持-关断路径，其中所述保持-关断路径包括机电制动器或旋转闭锁器和输入耦合器(110)，所述输入耦合器在输入侧上连接在所述第一输入端(102)与所述第二输入端(104)之间，并且被设计为将所述安全功能信号从所述第一输入端(102)和所述第二输入端(104)电隔离地传输至所述机电制动器或旋转闭锁器，其中所述机电制动器被设计为在所述被传输的安全功能信号缺失时在所述电机(300)的轴上产生制动力矩，或者所述机电旋转闭锁器被设计为在所述被传输的安全功能信号缺失时在所述电机(300)的轴上产生保持力矩。
16.一种用于驱动电动马达(300)的变频器(400)，包括：
功率级(200)，被设计为根据至少一个可激活调制信号(108)切换所述电动马达(300)的至少一个相：
调制器(160)，被设计为适于产生至少一个用于控制所述功率级(200)的调制信号(166；168)；以及
根据权利要求1至15中任一项所述的、用于激活对所述功率级(200)的控制的装置(100)，其中所述装置(100)将所述调制器(160)的至少一个调制信号(166；168)分别与所述被传输的安全功能信号在逻辑上相关联，以便输出所述可激活调制信号(108)。
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