CN206878449U - 一种基于安全电路的电机安全转矩关断系统 - Google Patents

Abstract

一种基于安全电路的电机安全转矩关断系统，涉及电机控制领域。该基于安全电路的电机安全转矩关断系统，通过增加安全电路检测器在不改变现有驱动单元硬件结构的基础上实现了电机转矩切断，具有安全等级高的优点。安全电路检测器具有多路（不限于2路）联动控制回路，近一步扩展安全电路的保护范围，该电路结构具有模块化的特性，可以方便地在不同控制系统上借用和移植。

Description

一种基于安全电路的电机安全转矩关断系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种基于安全电路的电机安全转矩关断系统。

背景技术

由于电机控制系统，特别是电梯控制系统对安全性要求高，要求电控系统必须具有电机安全转矩切断功能。目前，电机系统基本上都是通过运行接触器来实现电机转矩切断，采用机电方式来切断电机转矩。该类方法受限于接触器自身的性能，接触器存在固有的缺陷，如有限的动作次数“需定期更换”、机械卡阻、触点粘连、自身体积大，安装不便等等。市场上，需要一种免维护，高安全等级、低成本，小体积的方案。

据相关文献报导，如公开号为CN2053019343U的“电机安全转矩关断及封星控制系统”，公开了一种电机安全转矩关断的方案，该方案使用两个受控的隔离电源并分别给上桥单元和下桥单元供电。当上桥和下桥的电源失电后，后级IGBT单元无驱动信号，自然关断，近而实现电机转矩关断。该方案需要在现有控制电路的基础上，增加2路隔离电源模块和诸多互锁硬件电路，实施方法复杂，且对现有IGBT驱动电路改动较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种电机安全转矩关断系统，该装置设计合理、结构简单，解决上述转矩切断装置体积大，需定期维护，安全等级低等问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其技术要点是，包括：

安全电路检测器，是用于处理电机转矩关断信号并产生控制逆变器中的各个开关通断的联动输出信号的装置；

控制器，是用于接收安全电路检测器的监测信号并输出PWM信号和门控信号控制驱动信号门控器的装置；

驱动信号门控器，是用于处理来自控制器的PWM信号和门控信号的装置；

隔离放大器，用于将驱动信号门控器的输出信号和安全电路检测器的输出信号隔离放大，控制逆变器中的各个开关的通断的装置。

上述方案中，所述的安全电路检测器进一步包括：

电源回路，是一种用于为继电器提供电源的电路；

电机转矩关断状态监控支路，是一种用于对电机安全转矩关断信号进行监测的电路；

隔离放大电路电源控制支路，是一种用于对隔离放大器中的光电耦合器的输入电源进行控制的电路。

上述方案中，所述的电源回路包括可恢复电子保险管、继电器续流器件、第一继电器、第二继电器、第三继电器，具体结构如下：

电源的正极连接由第一继电器的第一组常闭触点、第二继电器的第二组常闭触点串联形成的第一支路，第三继电器的第六组常开触点与由第二继电器的第一组常闭触点和第一继电器的第二组常闭触点并联组成的支路相串联，形成第二支路，第一支路与第二支路并联后，再与第三继电器的本体线圈串联，第三继电器的本体线圈外并联连接第一二极管，第三继电器的本体线圈外还并联连接由第一电阻和第一有极性电容串联组成的第三支路；第三继电器的本体线圈的一端依次串联连接第四二极管的正极、可恢复电子保险管一端后与GND端连接；

第三继电器的第四组常开触点与第一继电器的常开触点并联后形成第四支路，第四之路的输入端连接外界安全转矩关断信号源，第四支路的输出端与第一继电器的本体线圈串联连接，再在第一继电器的本体线圈外还并联连接有第二二极管， 第一继电器的本体线圈另一端连接第四二极管的正极、可恢复电子保险管一端后与GND端连接；

第三继电器的第五组常开触点与第二继电器的第三组常开触点并联形成第五支路，第五支路的输入端连接安全转矩关断信号源，第五支路的输出端与第二继电器的本体线圈串联，在第二继电器的本体线圈外并联连接有第三二极管，第三二极管另一端连接第四二极管的正极、可恢复电子保险管一端后与GND端连接。

上述方案中，所述的电机转矩关断状态监控支路电路结构如下：

第三继电器的第二组常闭触点的一端与第一继电器的第六组常开触点、第二继电器的第五组常开触点串联连接，其输出端与第三继电器的第二组常闭触点的输入端之间连接控制器。

上述方案中，所述的隔离放大电路电源控制支路电路结构如下：

第三继电器的第一组常闭触点的一端串联连接第一继电器的第五组常开触点和第二继电器的第六组常开触点，其输出端与第三继电器的第一组常闭触点输入端之间连接隔离放大器。

上述方案中，所述的驱动信号门控器包括门控逻辑芯片，且来自控制器的PWM信号和门控信号分别经上拉电阻和下拉电阻后输入到门控逻辑芯片的输入侧的不同信号管脚。

本实用新型的有益效果是：该基于安全电路的电机安全转矩关断系统，通过增加安全电路检测器在不改变现有驱动单元硬件结构的基础上实现了电机转矩切断，具有安全等级高的优点。安全电路检测器具有多路（不限于2路）联动控制回路，近一步扩展安全电路的保护范围，该电路结构具有模块化的特性，可以方便地在不同控制系统上借用和移植。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的基于安全电路的电机安全转矩关断系统实施例的示意图。

图2是本实用新型中安全电路检测器的电路示意图。

图3是本实用新型中驱动信号门控器的电路示意图。

图4是本实用新型中隔离放大电路及与逆变器的电路示意图。

图中序号说明如下：1安全电路检测器、11电源回路、12电机转矩关断状态监视回路、13隔离放大电路电源控制回路、2处理器、3驱动信号门控器、4隔离放大器、5逆变器。

具体实施方式

使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～4和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例采用的基于安全电路的电机安全转矩关断系统可以用于电机驱动或电梯控制等。本实施例中的基于安全电路的电机安全转矩关断系统包括：

安全电路检测器1、处理器2、驱动信号门控器3、隔离放大器4和逆变器5。安全电路检测器1连接处理器2，处理器2依次连接驱动信号门控器3、隔离放大器4、逆变器5和电机，如图1所示。

其中，安全电路检测器1的输入端STO1和STO2连接安全转矩关断信号源（例如电机或电梯系统的急停开关，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（Saft Torque Off,STO），（一）控制隔离放大器4的光电耦合器正端是否与供电电源连接，（二）给控制器2，用于电机安全转矩关断信号的监测。

本实施例采用的安全电路检测器1，如图2所示，进一步包括：

电源回路11，是一种用于为安全继电器提供用电电源的装置，具体结构如下：

所述的电源回路包括可恢复电子保险管F1、继电器续流器件（如电阻R1、电容C1、二极管D1、D2、D3）、第一继电器K0、第二继电器K1及第三继电器K2(本实施例中，定义Kx_ay,代表Kx继电器的第y组常开触点,其中x=0,1,2;y=1,2,3,4,5,6；Kx_by表示Kx继电器的第y组常闭触点)，具体结构如下：

本实施例中的电源为24V，第一继电器的第1组常闭触点K0_b1、第二继电器的第二组常闭触点K1_b2串联形成的第一支路，第三继电器的第6组常开触点K2_a6与由第二继电器的第一组常闭触点K1_b1和第一继电器的第二组常闭触点K0_b2并联组成的支路相串联形成第二支路，第一支路与第二支路并联，上述并联电路的输入端连接24V电源的正极，再与第三继电器K2的本体线圈串联，第三继电器K2的本体线圈并联连接第一二极管D1，第三继电器K2的本体线圈还并联连接由第一电阻R1和第一有极性电容C1串联组成的第三支路；第三继电器K2的本体线圈的一端依次串联连接第四二极管D4的正极、可恢复电子保险管F1一端后与GND端连接；

第三继电器的第四组常开触点K2_a4与第一继电器的第四组常开触点K0_a4并联后形成第四支路，第四支路的输入端连接STO1，第四支路的输出端与第一继电器K0的本体线圈串联连接，再在第一继电器K0的本体线圈外还并联连接有第二二极管D2；

第三继电器的第五组常开触点K2_a5与第二继电器的第三组常开触点K1_a3并联形成第五支路，第五支路的输入端连接STO2，第五支路的输出端与第二继电器的本体线圈串联，在第二继电器的本体线圈外并联连接有第三二极管D3；

电机转矩关断状态监视回路12，是一种用于对电机安全转矩关断信号进行监测的电路，具体的电路结构如下：

第三继电器的第二组常闭触点K2_b2的一端连接S1，第三继电器的第二组常闭触点K2_b2的另一端与第一继电器的第六组常开触点K0_6a、第二继电器的第五组常开触点K1_a5串联连接后与S1_COM连接。

隔离放大电路电源控制回路13，用于对隔离放大器中的光电耦合器的输入电源进行控制，具体的电路结构如下：

第三继电器的第一组常闭触点K2_1b一端连接隔离放大电路的输入端，第三继电器的第一组常闭触点K2_1b的另一端串联连接第一继电器的第五组常开触点K0_a5和第二继电器的第六组常开触点K3_6a后与电源连接。

该电路工作原理描述，正常运行时，需要外接+24V和GND电源正常上电，如果外接24V电源无效，2条输出支路不导通。

情况1：当STO1和STO2均无效时，K1和K0继电器不得电，K2继电器支路，K0_b1和K1_b2闭合，K2继电器得电，通过K2_a6完成继电器互锁。由于K2_b1和K2_b2不闭合，2条输出支路不导通。

情况2：当STO1有效，K0继电器得电，由K0_a4完成互锁，由于K2继电器供电正常，由于K2_b1和K2_b2不闭合，2条输出支路不导通。

情况3：当STO2有效，K1继电器得电，由K1_a3完成互锁，由于K2继电器供电正常，由于K2_b1和K2_b2不闭合，2条输出支路不导通。

情况4：当STO1和STO2均有效时，K0和K1继电器均得电，并通过K0_a4和K1_a3完成互锁，由于K0_b1、K1_b1、K0_b2、K1_b2均断开，K2继电器失电，从而K2_b1和K2_b2闭合；由于K0和K1继电器均得电，K0_a6和K1_a5以及K0_a5和K1_a6均闭合，近而2条输出支路可以导通。

由于安全继电器的固有特性：常开触点无法弹开，常闭触点可保证不闭合；常闭触点无法闭合，常开触点可保证不打开。基于上述原则，来进行器件失效分析：

（1）K2继电器的常开触点不弹开，由于K2继电器的K2_b1和K2_b2常闭触点不闭合，2条控制回路无法导通；

（2）K2继电器的常闭触点不闭合，K2_b1和K2_b2常闭触点不闭合，2条控制回路无法导通；

（3）K1继电器的常开触点不弹开，由于K1_b1和K1_b2的常闭触点不闭合，K2继电器无法得电，近而k2_a4不闭合，K0不得电，K0_a5和K0_a6不闭合，2条控制回路无法导通；

（4）K1继电器的常闭触点不闭合，由于K1_b1和K1_b2的常闭触点不闭合，K2继电器无法得电，近而k2_a4不闭合，K0不得电，K0_a5和K0_a6不闭合，2条控制回路无法导通；

（5）K0继电器的常开触点不弹开，由于K0_b1和K0_b2的常闭触点不闭合，K2继电器无法得电，近而K2_a3不闭合，K1不得电，k1_a5和k1_a6不闭合，2条控制回路无法导通；

（6）K0继电器的常闭触点不闭合，由于K0_b1和K0_b2的常闭触点不闭合，K2继电器无法得电，近而K2_a3不闭合，K1不得电，k1_a5和k1_a6不闭合，2条控制回路无法导通；

驱动信号门控器3的输入端连接到控制器2（MCU）的6路PWM信号输出端口和1路门控信号的输出端（例如UP#,UN#,VP#VN#,WP#,WN#，分别对应电机UVW三相6个桥光电耦合器的驱动信号，在实施例中，低电平为有效电平，GateOE为门控信号，低电平为有效电平），以分别处理来自控制器2的6路PWM信号，同时，门控单元的OE端受控制器2的控制，从而对6路PWM信号通断进行门控；隔离放大器4连接驱动信号门控器2的输出端和安全电路检测器1，以将6路光电耦合器输出隔离放大后控制逆变器5中各个开关元件（例如IGBT）的通断。

安全电路检测器1本身失效率极低，一般情况下，在STO信号断开后，任何故障都不能使控制回路导通，该控制回路控制隔离放大器4里的光电耦合器正极的供电端，能量无法凭空产生，所以当外部输入的STO1或STO2信号断开后，可保证6个光电耦合器驱动无法供电，从而确保当外部STO1或STO2断开时，在任何故障情况下，隔离放大器中对应部分都无法有效打开。

上述的基于安全电路的电机安全转矩关断系统，用3个安全继电器检测电路的方式来实现STO功能，当STO1或STO2无效时，由于安全电路检测逻辑可控制器2条输出支路不导通。从而在任何单点甚至是多点故障的情况下都不会是系统进入危险状态，保证系统具有较高安全等级，且不需要软件参与器件失效监控以及处理。

特别地，上述基于安全电路的电机安全转矩关断系统的实施例，可同时处理2个STO信号（也可以将STO1和STO2短接，从而可以处理同一STO信号）。

如图3所示，是驱动信号门控器3的电路示意图。该驱动信号门控器3包括1个带门控功能的逻辑芯片U01、上下拉电阻R019，R020，R021，R022，R023，R11及滤波电容C09。

电路输入输出说明，输入点7个：分别为UP#,UN#,VP#,VN#, WP#,WN#,GateOE，其中UP#,UN#, VP#,VN#, WP#,WN#为控制器2的PWM控制信号，GateOE为控制器（MCU）的门控信号。输出点6个：分别为UP,UN,VP,VN,WP,WN,用于给隔离放电器4提供PMW控制信号。

该电路工作原理描述，上下拉电阻用于确保芯片在无控制信号的条件下，驱动芯片可按照默认的电平输出，由于驱动光电耦合器的信号极性为低有效，6路PWM信号采用上拉电阻，确保默认状态为高电平。带门控功能的芯片U01具有电平转换功能，可以将控制器2的+3.3V电压转换为+5V电平。由于该芯片具有门控功能，6路PWM可受控输出。当GateOE=1时，UP,UN,VP,VN,WP,WN 均为高阻输出，无法驱动隔离放大器4的光电耦合器；当GateOE=0时，UP=UP#, UN=UN#,VP=VP#, VN=VN#, WP=WP#, WN=WN#,6路PWM信号直接输出，用于驱动后级光电耦合器芯片；控制器2在电机系统不运行时，将控制GateOE=1,禁止U01输出电平，只有在电机运行前，控制GateOE=0,允许6路PWM输出。如果需要更高的安全等级，可以将U01更换为带隔离电源驱动芯片，可使用安全电路单元的电机安全转矩关闭状态监视回路控制后级隔离电源，从而，6路驱动信号由于无法供电，无法使光电耦合器导通，近而提高系统的安全等级。

如图4所示为隔离放大器4的电路示意图。安全电路检测器1中的隔离放大电路电源控制支路13与隔离放大器4的输入端连接，具体结构如下：

隔离放大器4包括6个驱动光电耦合器和6个上拉电阻（R1~R6），隔离放大电路电源控制支路的S2端经上拉电阻R1连接到第一光电耦合器的2号管脚，S2端经上拉电阻R2连接到第二光电耦合器的2号管脚，S2端经上拉电阻R3连接到第三光电耦合器的2号管脚，S2端经上拉电阻R4连接到第四光电耦合器的2号管脚，S2端经上拉电阻R5连接到第五光电耦合器的2号管脚，S2端经上拉电阻R6连接到第六光电耦合器的2号管脚。第一光电耦合器的3号管脚连接逻辑芯片U01的3号管脚，第二光电耦合器的3号管脚连接逻辑芯片U01的4号管脚，第三光电耦合器的3号管脚连接逻辑芯片U01的5号管脚，第四光电耦合器的3号管脚连接逻辑芯片U01的6号管脚，第五光电耦合器的3号管脚连接逻辑芯片U01的7号管脚，第六光电耦合器的3号管脚连接逻辑芯片U01的8号管脚。 6路驱动光电耦合器的电源端受安全电路检测器1控制。6路光电耦合器的负极与驱动信号门控器1输出相连，受其输出信号控制。光电耦合器的输出端连接到逆变器5中的一个桥开关元件，控制该开关元件通断。

隔离放大器4的输出信号为6个：分别为IGBT_UP, IGBT_UN, IGBT_VP, IGBT_VN,IGBT_WP, IGBT_WN,用于给逆变器5的开关器件提供驱动信号。

该电路工作原理如下，6个电阻的公共端先与安全电路检测支路S2和S2_COM串连，然后与供电电源相连。当安全电路检测器STO1和STO2无效时，该检测支路不导通，6个光电耦合器无电源供电，隔离元件不能导通，从而实现电机安全转矩关断。6个光电耦合器的负极与驱动信号门控器1输出相连。光电耦合器的输出端连接到逆变器5的一个桥开关元件。

上述基于安全电路的电机安全转矩关断系统的实施例的整个电路从安全电路检测的角度实现双通道的STO功能，同时还具有STO状态检测支路，用于系统进行状态监视。在任何时刻，包含电机或电梯系统已进入STO状态，在任何故障情况下，隔离放大器中光电耦合器都无法加电，由其驱动的后极开关元件也无法有效打开。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其特征在于，包括：

安全电路检测器，是用于处理电机转矩关断信号并产生控制逆变器中的各个开关通断的联动输出信号的装置；

控制器，是用于接收安全电路检测器的监测信号并输出PWM信号和门控信号控制驱动信号门控器的装置；

驱动信号门控器，是用于处理来自控制器的PWM信号和门控信号的装置；

隔离放大器，用于将驱动信号门控器的输出信号和安全电路检测器的输出信号隔离放大，控制逆变器中的各个开关的通断的装置。

2.如权利要求1所述的基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其特征在于，所述的安全电路检测器进一步包括：

电源回路，是一种用于为继电器提供电源的电路；

电机转矩关断状态监控支路，是一种用于对电机安全转矩关断信号进行监测的电路；

隔离放大电路电源控制支路，是一种用于对隔离放大器中的光电耦合器的输入电源进行控制的电路。

3.如权利要求2所述的基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其特征在于，所述的电源回路包括可恢复电子保险管、继电器续流器件、第一继电器、第二继电器、第三继电器，具体结构如下：

电源的正极连接由第一继电器的第一组常闭触点、第二继电器的第二组常闭触点串联形成的第一支路，第三继电器的第六组常开触点与由第二继电器的第一组常闭触点和第一继电器的第二组常闭触点并联组成的支路相串联，形成第二支路，第一支路与第二支路并联后，再与第三继电器的本体线圈串联，第三继电器的本体线圈外并联连接第一二极管，第三继电器的本体线圈外还并联连接由第一电阻和第一有极性电容串联组成的第三支路；第三继电器的本体线圈的一端依次串联连接第四二极管的正极、可恢复电子保险管一端后与GND端连接；

第三继电器的第四组常开触点与第一继电器的常开触点并联后形成第四支路，第四之路的输入端连接外界安全转矩关断信号源，第四支路的输出端与第一继电器的本体线圈串联连接，再在第一继电器的本体线圈外还并联连接有第二二极管， 第一继电器的本体线圈另一端连接第四二极管的正极、可恢复电子保险管一端后与GND端连接；

第三继电器的第五组常开触点与第二继电器的第三组常开触点并联形成第五支路，第五支路的输入端连接安全转矩关断信号源，第五支路的输出端与第二继电器的本体线圈串联，在第二继电器的本体线圈外并联连接有第三二极管，第三二极管另一端连接第四二极管的正极、可恢复电子保险管一端后与GND端连接。

4.如权利要求2所述的基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其特征在于，所述的电机转矩关断状态监控支路电路结构如下：

第三继电器的第二组常闭触点的一端与第一继电器的第六组常开触点、第二继电器的第五组常开触点串联连接，其输出端与第三继电器的第二组常闭触点的输入端之间连接控制器。

5.如权利要求2所述的基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其特征在于，所述的隔离放大电路电源控制支路电路结构如下：

第三继电器的第一组常闭触点的一端串联连接第一继电器的第五组常开触点和第二继电器的第六组常开触点，其输出端与第三继电器的第一组常闭触点输入端之间连接隔离放大器。

6.如权利要求1～5任一权利要求所述的基于安全电路的电机安全转矩关断系统，其特征在于，所述的驱动信号门控器包括门控逻辑芯片，且来自控制器的PWM信号和门控信号分别经上拉电阻和下拉电阻后输入到门控逻辑芯片的输入侧的不同信号管脚。