CN205301943U - 电机安全转矩关断及封星控制系统 - Google Patents

电机安全转矩关断及封星控制系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种电机安全转矩关断及封星控制系统,包括隔离式供电单元、上桥隔离单元、下桥隔离单元、封星整合单元、隔离放大单元,其中:所述上桥隔离单元和下桥隔离单元分别用于处理来自处理器的PWM信号;所述隔离式供电单元根据输入的安全转矩关断信号为上桥隔离单元和下桥隔离单元供电;所述封星整合单元根据来自处理器的电子封星信号将下桥隔离单元输出的信号做逻辑整合;所述隔离放大单元将上桥隔离单元和封星整合单元的输出信号隔离放大后控制逆变单元中各个开关元件的通断。本实用新型通过纯硬件的隔离电路实现转矩切断,并可与封星功能很好的结合,不仅体积小、装配简单,而且安全等级较高。

Description

电机安全转矩关断及封星控制系统
技术领域
本实用新型涉及电机控制领域,更具体地说,涉及一种电机安全转矩关断及封星控制系统。
背景技术
在电机驱动、电梯控制等场合中,对系统安全的要求越来越高,封星、电机转矩切断成为了必备功能;同时,随着竞争的加剧,低成本、小体积、高安全等级的方案需求越来越迫切。
在电机驱动、电梯控制中,一般通过运行接触器实现电机转矩切断,并通过封星接触器实现封星。目前,主要通过机电方式实现转矩切断和封星,但该方式存在体积大、成本高、装配麻烦等缺陷。
公开号为20020084766A1的美国专利申请中,公开了通过处理器、逻辑器件、开关器件等实现电机转矩切断和电子封星相结合的方案。但该方案中,由于控制链路中存在处理器、逻辑器件、开关器件等容易失效的器件,且不可做故障排除。此外,上述方案必须配合很完善的诊断、监控功能,需要大量的软件参与处理,且在功能安全的认证、产品的应用方面存在很多困难,造成开发周期、认证周期长及费用浪费,并可能导致产品无法达到较高的安全等级。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于,针对上述转矩切断和封星控制装置体积大、安全等级相对不高的问题,提供一种电机安全转矩关断及封星控制系统。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案是,提供一种电机安全转矩关断及封星控制系统,包括隔离式供电单元、上桥隔离单元、下桥隔离单元、封星整合单元、隔离放大单元,其中:所述上桥隔离单元和下桥隔离单元分别用于处理来自处理器的PWM信号;所述隔离式供电单元根据输入的安全转矩关断信号为上桥隔离单元和下桥隔离单元供电;所述封星整合单元根据来自处理器的电子封星信号将下桥隔离单元输出的信号做逻辑整合;所述隔离放大单元将上桥隔离单元和封星整合单元的输出信号隔离放大后控制逆变单元中各个开关元件的通断。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述上桥隔离单元包括非隔离缓冲芯片和隔离元件,所述非隔离缓冲芯片由隔离式供电单元供电,且来自处理器的各路PWM信号分别经由一个隔离元件输入到非隔离缓冲芯片的输入侧的不同信号引脚,所述隔离元件为金属膜电阻或光耦。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述上桥隔离单元或下桥隔离单元包括数字隔离器,且所述数字隔离器的输出侧供电引脚连接到隔离式供电单元,且来自处理器的各路PWM信号分别输入到数字隔离器的输入侧的不同信号引脚。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述封星整合单元包括三个或门和三个与门;所述三个或门的一个输入端分别连接经反相器处理的电子封星信号,且该三个或门的另一输入端分别经由金属膜电阻连接经下桥隔离单元处理的上桥PWM信号;所述三个与门的一个输入端分别连接电子封星信号、另一输入端分别连接经下桥隔离单元处理的下桥PWM信号。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述控制系统包括两个隔离式供电单元,且该两个隔离式供电单元分别为上桥隔离单元供电和下桥隔离单元供电。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述安全转矩关断信号来自急停开关、安全继电器或用于安全控制的可编程逻辑控制器。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述两个隔离式供电单元连接到不同的安全转矩关断信号源。
在本实用新型所述的电机安全转矩关断及封星控制系统中,所述隔离放大单元包括多个上桥驱动光耦和多个下桥驱动光耦,且每一所述上桥驱动光耦的输入端连接到经上桥隔离单元处理的一对PWM信号、输出端连接到逆变单元中的一个上桥开关元件;每一所述下桥驱动光耦的输入端连接到经下桥隔离单元和封星整合单元处理的一对PWM信号、输出端连接到逆变单元中的一个下桥开关元件。
本实用新型的电机安全转矩关断及封星控制系统,通过纯硬件隔离电路实现转矩切断,并可与封星功能很好的结合,不仅体积小、装配简单,而且安全等级较高。本实用新型不需软件参与器件失效监控及处理,简化了功能安全认证过程,方便了产品的方案借用和移植;同时硬件电路上保证了同一桥臂的IGBT的互锁逻辑,提高了产品可靠性。
附图说明
图1是本实用新型电机安全转矩关断及封星控制系统实施例的示意图。
图2是图1中上桥隔离单元的电路示意图。
图3是图1中下桥隔离单元的电路示意图。
图4是图1中隔离整合单元的电路示意图。
图5是图1中隔离放电电路及与逆变单元的电路示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
如图1所示,是本实用新型电机安全转矩关断及封星控制系统实施例的示意图,该控制系统可应用于电机驱动和电梯控制等。本实施例中的电机安全转矩关断及封星控制系统包括隔离式供电单元11、上桥隔离单元12、下桥隔离单元13、封星整合单元14、隔离放大单元15,其中:上桥隔离单元12和下桥隔离单元13连接到处理器20的PWM信号输出端口(例如PU+、PU-、PV+、PV-、PW+、PW-,分别对应电机UVW三相的上下桥,在本实施例中以低电平有效为例),以分别处理来自处理器20的PWM信号;隔离式供电单元11连接到安全转矩关断信号源(例如电机或电梯系统中的急停开关、安全继电器或用于安全控制的可编程逻辑控制器等),以根据输入的安全转矩关断信号(SafeTorqueOff,STO)为上桥隔离单元12和下桥隔离单元13供电;封星整合单元14连接处理器20的电子封星信号(DYNAMIC_BRAKING,在本实施例中以低电平有效为例)输出端口,以根据来自处理器20的电子封星信号将下桥隔离单元13输出的信号做逻辑整合;隔离放大单元15连接上桥隔离单元12和封星整合单元14的输出端口,以将上桥隔离单元12和封星整合单元14的输出信号隔离放大后控制逆变单元30中各个开关元件(例如IGBT)的通断。
上述的电机安全转矩关断及封星控制系统在兼容电子封星的前提下,用纯硬件的方式实现STO功能,在任何单点甚至是多点故障的情况下都不会使系统进入危险状态,保证了系统非常高的安全完整度,且不需软件参与器件失效监控及处理。
特别地,上述电机安全转矩关断及封星控制系统可包括两个隔离式供电单元11,且该两个隔离式供电单元11分别为上桥隔离单元12供电和下桥隔离单元13供电,从而可实现两种不同类型的STO信号处理(两个隔离式供电单元11也可处理同一STO信号)。
如图2所示,是图1中上桥隔离单元12的电路示意图。该上桥隔离单元12包括非隔离缓冲芯片(该非隔离缓冲芯片具体可包括U3A、U3B两个单元)和隔离元件,其中非隔离缓冲芯片由隔离式供电单元11供电,且来自处理器20的各路PWM信号PU+、PU-、PV+、PV-、PW+、PW-分别经由一个隔离元件输入到非隔离缓冲芯片的输入侧的不同信号引脚。
该图中的隔离元件为金属膜电阻(MELF电阻),由于金属膜电阻自身的工艺特点,保证了在任何故障情况下,非隔离缓冲芯片的前端网络都无法有效给非隔离缓冲芯片的电源端有效充电,无法提供有效打开隔离放大单元15所需要的电流。由于金属膜电阻的特性,一般情况下,在STO信号断开后,任何故障都不能使非隔离缓冲芯片(包含U3A、U3B)进入正常工作状态。但在极端的情况下(如某些故障同时出现时),如果采用金属膜电阻方案,有可能会出现非隔离缓冲芯片(包含U3A、U3B)短暂工作的情况(与所选用的芯片的特性、芯片供电方面的处理有关);如果对失效率有极高的要求,可考虑采用光耦、数字隔离器等来代替金属膜电阻。
上述上桥隔离单元由隔离型供电单元11供电,该隔离型供电单元11包括DC-DC隔离芯片U1,该DC-DC隔离芯片U1的输出端+5V_STO1连接到非隔离缓冲芯片的供电端子。由于能量无法凭空产生,所以当外部输入的STO1信号断开后,可以保证DC-DC隔离芯片U1不再给非隔离缓冲芯片供电,从而确保当外部STO1断开时,在任何故障情况下,隔离放大单元中对应部分都无法被有效打开。
如图3所示,是图1中下桥隔离单元13的电路示意图。该下桥隔离单元包括数字隔离器U10、U11,且数字隔离器U10、U11的输出侧供电引脚连接到隔离式供电单元11(即DC-DC隔离芯片U2的输出端+5V_STO2),且来自处理器20的各路PWM信号PU+、PU-、PV+、PV-、PW+、PW-分别经由一个限流电阻输入到数字隔离器U10、U11的输入侧的不同信号引脚。
PWM信号PU+、PU-、PV+、PV-、PW+、PW-通过数字隔离器U10、U11来做缓冲,由于数字隔离器U10、U11的原副边耐压高达5KV,满足故障排除,同时数字隔离器U10、U11的输出与后端电路只通过MELF电阻连接,可通过MELF电阻自身的工艺特点,保证在任何工况(包含电子封星状态)、故障情况下,数字隔离器U10、U11的前端及后端网络都无法给U10、U11的电源端有效充电。这样,可以确保当外部STO2断开时,在任何单点甚至多点故障情况下,PWM信号PU+、PU-、PV+、PV-、PW+、PW-都无法通过数字隔离器U10、U11。上述数字隔离器U10、U11也可使用光耦代替。
在实际应用中,上桥隔离单元12也可采用电气隔离器件如数字隔离器、光耦等代替非隔离缓冲芯片与金属膜电阻,即上桥隔离单元12和下桥隔离单元13均采用数字隔离器或光耦。但为保证安全等级,上桥隔离单元12和下桥隔离单元13最好采用不同的隔离元件,即上桥隔离单元12采用非隔离缓冲芯片与金属膜电阻,下桥隔离单元13采用数字隔离器或光耦。
如图4所示,是图1中封星整合单元14的电路示意图。该封星整合单元14包括三个或门和三个与门;三个或门的一个输入端分别连接经反相器处理的电子封星信号,且该三个或门的另一输入端分别经由金属膜电阻连接经下桥隔离单元13处理的上桥PWM信号PU+、PV+、PW+,即PUL+、PVL+、PWL+;三个与门的一个输入端分别连接电子封星信号、另一输入端分别连接经下桥隔离单元13处理的下桥PWM信号PU-、PV-、PW-,即PUL-、PVL-、PWL-。
特别地,上述PWM信号PU+、PU-、PV+、PV-、PW+、PW-经由金属膜电阻接入与门和或门。在实际应用中,上述金属膜电阻也可采用数字隔离器或光耦代替,以满足故障排除的要求。
通过封星整合单元14的上述结构,当外部STO2信号断开时,可以保证下桥隔离单元13、封星整合单元14中的任何器件发生任何单点甚至多点故障时,都没有转矩输出(最恶劣的情况下只是电机锁定在某一个角度,但同样没有转矩输出)。
如图5所示,是图1中隔离放大单元15的电路示意图。该隔离放大单元15包括多个上桥驱动光耦和多个下桥驱动光耦,且每一上桥驱动光耦的输入端连接到经上桥隔离单元12处理的一对PWM信号,即PUH-和PUH+、PVH-和PVH+、或者PWH-和PWH+,输出端连接到逆变单元30中的一个上桥开关元件;每一下桥驱动光耦的输入端连接到经下桥隔离单元13和封星整合单元14处理的一对PWM信号,即PUL_OUT-和PUL_OUT+、PVL_OUT-和PVL_OUT+、或者PWL_OUT-和PWL_OUT+、输出端连接到逆变单元30中的一个下桥开关元件。
上述电机安全转矩关断及封星控制系统的整个电路从纯硬件的角度实现双通道的STO功能,不需对器件失效进行监控及处理。在任何时刻,包含电机或电梯系统已进入STO状态,只需将电子封星(DYNAMIC_BRAKING)信号置低,即可使隔离放大单元15中的3个下桥驱动光耦打开,使系统进入电子封星状态。即在此电路方案下,电子封星可以和STO完美融合。上述控制系统还可实现上桥驱动信号与下桥驱动信号互锁,在驱动光耦上保持同一桥臂上下桥的互锁逻辑。
以上所述,仅为本实用新型较佳的具体实施方式,但本实用新型的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此,本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:包括隔离式供电单元、上桥隔离单元、下桥隔离单元、封星整合单元、隔离放大单元,其中:所述上桥隔离单元和下桥隔离单元分别用于处理来自处理器的PWM信号;所述隔离式供电单元根据输入的安全转矩关断信号为上桥隔离单元和下桥隔离单元供电;所述封星整合单元根据来自处理器的电子封星信号将下桥隔离单元输出的信号做逻辑整合;所述隔离放大单元将上桥隔离单元和封星整合单元的输出信号隔离放大后控制逆变单元中各个开关元件的通断。
2.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述上桥隔离单元包括非隔离缓冲芯片和隔离元件,所述非隔离缓冲芯片由隔离式供电单元供电,且来自处理器的各路PWM信号分别经由一个隔离元件输入到非隔离缓冲芯片的输入侧的不同信号引脚,所述隔离元件为金属膜电阻或光耦。
3.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述上桥隔离单元或下桥隔离单元包括数字隔离器,且所述数字隔离器的输出侧供电引脚连接到隔离式供电单元,且来自处理器的各路PWM信号分别输入到数字隔离器的输入侧的不同信号引脚。
4.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述封星整合单元包括三个或门和三个与门;所述三个或门的一个输入端分别连接经反相器处理的电子封星信号,且该三个或门的另一输入端分别经由金属膜电阻连接经下桥隔离单元处理的上桥PWM信号;所述三个与门的一个输入端分别连接电子封星信号、另一输入端分别连接经下桥隔离单元处理的下桥PWM信号。
5.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述控制系统包括两个隔离式供电单元,且该两个隔离式供电单元分别为上桥隔离单元供电和下桥隔离单元供电。
6.根据权利要求5所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述安全转矩关断信号来自急停开关、安全继电器或用于安全控制的可编程逻辑控制器。
7.根据权利要求6所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述两个隔离式供电单元连接到不同的安全转矩关断信号源。
8.根据权利要求1所述的电机安全转矩关断及封星控制系统,其特征在于:所述隔离放大单元包括多个上桥驱动光耦和多个下桥驱动光耦,且每一所述上桥驱动光耦的输入端连接到经上桥隔离单元处理的一对PWM信号、输出端连接到逆变单元中的一个上桥开关元件;每一所述下桥驱动光耦的输入端连接到经下桥隔离单元和封星整合单元处理的一对PWM信号、输出端连接到逆变单元中的一个下桥开关元件。
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