CN208522667U - 用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路及系统，其中电路包括两信号输入端、一第一光耦输入电路、一第二光耦输入电路、一缓冲阻止电路、一STO故障输出光耦和一STO故障信号输出端；所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的输入端分别连接一所述信号输入端，所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的输出端连接所述缓冲阻止电路；所述缓冲阻止电路连接所述STO故障输出光耦，所述STO故障输出光耦的输出端连接所述STO故障信号输出端。本实用新型的一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路及系统，可实现与上位控制装置组合应用达到SIL3认证等级的安全转矩关断功能，且保证设备生产效率和开机率。
Description
技术领域
本实用新型涉及安全转矩关断电路领域，尤其涉及一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路及系统。
背景技术
当机械设备遇到紧急情况，需要伺服电机立即停止工作，切断输出转矩，保证设备安全；当进行设备检修需要有人进入设备运行区域时，需要防止伺服电机意外起动，避免发生伴有人身伤害的事故。通常采用如下两种做法：(1)通过按下急停开关，关断伺服驱动器输入电源上的交流接触器，切断输入电源，使得伺服电机的输出转矩关断；(2)将开关信号接到伺服驱动器的I/O口，或者通过通讯接口，伺服驱动器通过软件关断伺服电机的输出扭矩。
对于上述方案(1)，这样切断驱动器的电源，往往并不能快速关断驱动器的电流输出和电机的扭矩输出。因为驱动器的直流母线上会储存一定的能量，在驱动器主电源断开后，一部分直流母线残余的能量仍然可以让驱动器再运转一段时间，直到直流母线电压过低为止。同时，随着机械的复杂程度提高，传动和运动轴数不断增加，采用这种方式必然使得整个系统变得更复杂，元器件的数量、接线数量，以及因此带来的工程设计实施量也因此而增加。此外，切断驱动器输入电源，每次安全停机后的设备恢复生产，不得不重复驱动器的上电初始化过程，进一步延长了设备故障停机的时间，影响了设备生产效率和开机率。
对于上述方案(2)，当伺服驱动器出现程序异常的情况下，难以保证伺服电机输出转矩可靠关断，不能保证设备和操作人员的安全。
国际电工委员会发布的IEC61800-5-2标准《可调速的电动设备标准第5-2部分:功能安全要求》，针对伺服驱动器、伺服电机等系统提出了功能安全要求，符合功能安全技术要求的伺服驱动器将支持安全转矩关断(STO)等安全功能。IEC61508标准(《电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》)提出安全完整性等级(SIL)的概念来衡量安全功能的可靠程度，将其划分成4个等级，工业领域的最高等级为SIL3。满足SIL3的STO功能能够带来更高的安全性，是发展的趋势。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路及系统，可实现与上位控制装置组合应用达到SIL3认证等级的安全转矩关断功能，且保证设备生产效率和开机率。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，包括两信号输入端、一第一光耦输入电路、一第二光耦输入电路、一缓冲阻止电路、一STO故障输出光耦和一STO故障信号输出端；所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的输入端分别连接一所述信号输入端，所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的输出端连接所述缓冲阻止电路；所述缓冲阻止电路连接所述STO故障输出光耦，所述STO故障输出光耦的输出端连接所述STO故障信号输出端。
优选地，第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路分别包括：
一第一电阻，所述第一电阻的第一端连接一所述信号输入端；
一双向光电耦合器，所述双向光电耦合器的一第一输入端连接所述第一电阻的第二端，所述双向光电耦合器的一第二输入端接地，所述双向光电耦合器的一第一输出端接地；
一第二电阻，所述第二电阻连接于所述双向光电耦合器的所述第一输入端和所述第二输入端之间；
一第三电阻，所述第三电阻连接于一等电位端和所述双向光电耦合器的一第二输出端之间；
一第一施密特反相器，所述第一施密特反相器的输入端连接所述双向光电耦合器的所述第二输出端；
一第二施密特反相器和一第三施密特反相器，所述第二施密特反相器和所述第三施密特反相器的输入端连接所述第一施密特反相器的输出端，所述第三施密特反相器的输出端连接所述缓冲阻止电路；
一第四电阻，所述第四电阻的第一端连接所述第二施密特反相器和所述第三施密特反相器的输入端，所述第四电阻的第二端接地；和
一第五电阻，所述第五电阻连接于所述等电位端和所述第三施密特反相器的一输出端之间。
优选地，第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路还包括一RC滤波电路；所述RC滤波电路包括一滤波电阻和一第一滤波电容，所述滤波电阻连接于所述双向光电耦合器的所述第二输出端和所述第一施密特反相器的输入端之间，所述第一滤波电容的第一端连接于所述滤波电阻与所述第一施密特反相器的输入端之间，所述第一滤波电容的第二端接地。
优选地，所述缓冲阻止电路包括：
一八路缓冲器，所述八路缓冲器的一第一使能端连接所述第一光耦输入电路的所述第三施密特反相器的输出端，所述八路缓冲器的一第二使能端连接一复位信号输入端；所述八路缓冲器还连接所述等电位端和一接地端；
一第六电阻，所述第六电阻的第一端连接所述八路缓冲器，所述第六电阻的第二端连接所述等电位端；
一八路总线收发器，所述八路总线收发器的使能端连接所述第二光耦输入电路的所述第三施密特反相器的输出端；所述八路总线收发器还连接所述等电位端和所述接地端；
一第七电阻，所述第七电阻的第一端连接所述八路总线收发器，所述第七电阻的第二端连接所述等电位端；和
一与非门，所述与非门的第一输入端连接所述第七电阻的第一端和所述八路总线收发器，所述与非门的第二输入端连接所述第六电阻的第一端和所述八路缓冲器。
优选地，所述缓冲阻止电路还包括一第一上拉电阻组和一第二上拉电阻组；所述第一上拉电阻组的第一端连接所述等电位端，所述第一上拉电阻组的第二端连接所述八路缓冲器；所述第二上拉电阻组的第一端连接所述等电位端，所述第二上拉电阻组的第二端连接所述八路总线收发器。
优选地，所述STO故障输出光耦包括：一第八电阻、一单相光电耦合器和一第九电阻；所述第八电阻的第一端连接所述缓冲阻止电路的输出端，所述第八电阻的第二端连接所述单相光电耦合器的一第一输入端，所述单相光电耦合器的第二输入端连接所述等电位端，所述第九电阻连接于所述单相光电耦合器的所述第一输入端和所述第二输入端之间；所述单相光电耦合器的输出端连接所述STO故障信号输出端。
本实用新型的一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统，包括一交流电源、一伺服驱动器、一伺服电机、一恒压电源、一保险丝和一开关组；所述伺服驱动器包括本实用新型所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路；所述恒压电源通过所述保险丝和所述开关组连接所述伺服驱动器；所述交流电源通过所述伺服驱动器连接所述伺服电机。
优选地，所述伺服驱动器还包括一控制回路、一整流滤波单元、一驱动回路和一第二滤波电容；所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的所述第二施密特反相器的输出端连接所述控制回路；所述控制回路通过所述缓冲阻止电路连接所述驱动回路；所述交流电源通过所述整流滤波单元连接所述驱动回路，所述驱动回路连接所述伺服电机；所述第二滤波电容与所述驱动回路并联。
本实用新型由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
通过两信号输入端、第一光耦输入电路、第二光耦输入电路、缓冲阻止电路、STO故障输出光耦和STO故障信号输出端的配合，可通过外部同时提供两路输入信号，一旦这两路输入信号同时关断，则伺服驱动器内部立刻通过硬件阻止控制伺服电机电流的功率模块的PWM驱动信号，从而切断功率模块输出的电机电流。可通过上位装置监控伺服驱动器输出的STO功能故障监视信号，只有当两路输入信号都关断后(安全功能正常动作时)，STO功能故障监视信号才会导通。这种工作模式并不切断伺服驱动器的电源，既能够有效的防止机械设备活动部件做出危险动作，保证设备和操作人员的安全，又不影响设备生产效率和开机率。
附图说明
图1为本实用新型实施例的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例的第一光耦输入电路的电路图；
图3为本实用新型实施例的第二光耦输入电路的电路图；
图4为本实用新型实施例的缓冲阻止电路的电路图；
图5为本实用新型实施例的STO故障输出光耦的电路图；
图6为本实用新型实施例的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路的转矩安全关断的控制时序图；
图7为本实用新型实施例的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路的自转矩安全关断状态恢复的控制时序图；
图8为本实用新型实施例的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路的STO故障输出信号EDM的时序图。
具体实施方式
下面根据附图1～图8，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本实用新型的功能、特点。
请参阅图1，本实用新型实施例的一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，包括两信号输入端、一第一光耦输入电路1、一第二光耦输入电路2、一缓冲阻止电路3、一STO故障输出光耦4和一STO故障信号输出端(图中未示)；第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2的输入端分别连接一信号输入端，第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2的输出端连接缓冲阻止电路3；缓冲阻止电路3连接STO故障输出光耦4，STO故障输出光耦4的输出端连接STO故障信号输出端。
请参阅图2和图3，第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2分别包括：一第一电阻R1、R7、一双向光电耦合器PC1、PC2、一第二电阻R2、R8、一第三电阻R3、R9、一第一施密特反相器U11、U12、一第二施密特反相器U21、U22、一第三施密特反相器U31、U32、一第四电阻R5、R11和一第五电阻R6、R12。
其中，第一电阻R1、R7的第一端连接一信号输入端；双向光电耦合器PC1、PC2的一第一输入端连接第一电阻R1、R7的第二端，双向光电耦合器PC1、PC2的一第二输入端接地，双向光电耦合器PC1、PC2的一第一输出端接地。第二电阻R2、R8连接于双向光电耦合器PC1、PC2的第一输入端和第二输入端之间。第三电阻R3、R9连接于一等电位端和双向光电耦合器PC1、PC2的一第二输出端之间。第一施密特反相器U11、U12的输入端连接双向光电耦合器PC1、PC2的第二输出端。第二施密特反相器U21、U22和第三施密特反相器U31、U32的输入端连接第一施密特反相器U11、U12的输出端，第三施密特反相器U31、U32的输出端连接缓冲阻止电路3。第四电阻R5、R11的第一端连接第二施密特反相器U21、U22和第三施密特反相器U31、U32的输入端，第四电阻R5、R11的第二端接地。第五电阻R6、R12连接于等电位端和第三施密特反相器U31、U32的一输出端之间。
第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2还包括一RC滤波电路；RC滤波电路包括一滤波电阻R4、R10和一第一滤波电容C2、C3，滤波电阻R4、R10连接于双向光电耦合器PC1、PC2的第二输出端和第一施密特反相器U11、U12的输入端之间，第一滤波电容C2、C3的第一端连接于滤波电阻R4、R10与第一施密特反相器U11、U12的输入端之间，第一滤波电容C2、C3的第二端接地。
请参阅图2～图4，缓冲阻止电路3包括：一八路缓冲器U4、一第六电阻R13、一八路总线收发器U5、一第七电阻R14、一与非门U6、一第一上拉电阻组31和一第二上拉电阻组32。
其中，八路缓冲器U4的一第一使能端OE1连接第一光耦输入电路1的第三施密特反相器U31的输出端，八路缓冲器U4的一第二使能端OE2连接一复位信号输入端，八路缓冲器U4通过复位信号输入端接收伺服驱动器6内的复位信号；八路缓冲器U4还连接等电位端和一接地端；第六电阻R13的第一端连接八路缓冲器U4，第六电阻R13的第二端连接等电位端；八路总线收发器U5的使能端连接第二光耦输入电路2的第三施密特反相器U32的输出端；八路总线收发器U5还连接等电位端和接地端；第七电阻R14的第一端连接八路总线收发器U5，第七电阻R14的第二端连接等电位端；与非门U6的第一输入端连接第七电阻R14的第一端和八路总线收发器U5，与非门U6的第二输入端连接第六电阻R13的第一端和八路缓冲器U4。
第一上拉电阻组31的第一端连接等电位端，第一上拉电阻组31的第二端连接八路缓冲器U4；第二上拉电阻组32的第一端连接等电位端，第二上拉电阻组32的第二端连接八路总线收发器U5。
请参阅图5，STO故障输出光耦4包括：一第八电阻R28、一单相光电耦合器PC3和一第九电阻R27；第八电阻R28的第一端连接缓冲阻止电路3的输出端，第八电阻R28的第二端连接单相光电耦合器PC3的一第一输入端，单相光电耦合器PC3的第二输入端连接等电位端，第九电阻R27连接于单相光电耦合器PC3的第一输入端和第二输入端之间；单相光电耦合器PC3的输出端连接STO故障信号输出端，产生STO故障输出信号，用于上位控制装置监视用。
请参阅图1，本实用新型实施例的一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统，包括一交流电源5、一伺服驱动器6、一伺服电机7、一恒压电源V、一保险丝FU和一开关组S；伺服驱动器6包括本实用新型的用于交流伺服驱动器6的安全转矩关断电路；恒压电源V通过保险丝FU和开关组S连接伺服驱动器6；交流电源5通过伺服驱动器6连接伺服电机7。本实施例中，恒压电源V采用24V电源。
伺服驱动器6还包括一控制回路8、一整流滤波单元9、一驱动回路10和一第二滤波电容C1；第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2的第二施密特反相器U21、U22的输出端连接控制回路8；控制回路8通过缓冲阻止电路3连接驱动回路10；交流电源5通过整流滤波单元9连接驱动回路10，驱动回路10连接伺服电机7；第二滤波电容C1与驱动回路10并联。
恒压电源V的外部24V直流电源经过保险丝FU后，通过开关S与第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2的输入端相连接，开关S产生的两路输入信号同时输入第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2。
本实用新型实施例的一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统，在伺服驱动器6增加两个转矩安全关断的输入信号接口和一个STO功能故障监视信号输出接口。通过外部同时提供两路输入信号，一旦这两路输入信号同时关断，则伺服驱动器6内部立刻通过硬件阻止控制伺服电机7电流的功率模块的PWM驱动信号，从而切断功率模块输出的电机电流。上位装置监控伺服驱动器6输出的STO功能故障监视信号，只有当两路输入信号都关断后(安全功能正常动作时)，STO功能故障监视信号才会导通。这种工作模式并不切断伺服驱动器6的电源，既能够有效的防止机械设备活动部件做出危险动作，保证设备和操作人员的安全，又不影响设备生产效率和开机率，另外，输出STO故障监控信号，能与上位控制装置构成安全等级达到SIL3的应用系统，满足SIL3的STO功能能够带来更高的安全性，是未来发展的趋势。
请参阅图1～图4，本实用新型实施例的一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统，其工作过程如下：
步骤(1)，当伺服驱动器6处于复位过程中时，三态输出的八路缓冲器U4的输出为高阻态，输出到驱动回路10的PWM信号为高电平，驱动回路10的输出关断；
步骤(2)，当伺服驱动器6正常工作时，通过外部24V的恒压电源V，向伺服驱动器6的第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2同时输入信号；
步骤(3)，当外部恒压电源V正常供电时，则伺服驱动器6的第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2输出正常信号，控制回路8正常输出PWM信号，伺服电机7正常工作；
步骤(4)，当通过开关S将24V外部恒压电源V关断，则第一光耦输入电路1的输出通过缓冲阻止电路3的八路缓冲器U4将PWM信号通道关闭，第二光耦输入电路2的输出通过八路缓冲器U4将PWM信号通道关闭，实现伺服驱动器6的转矩关断。
步骤(5)，第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2的第二路输出信号输入到控制回路8，控制回路8判断出外部24V恒压电源V被关断，则关闭PWM信号的输出。
本实用新型实施例的转矩安全关断的控制时序图可参见图6，在时序点c之前第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2输入正常，正常运行；在时序点b之前伺服驱动器6的ON输入为ON，在时序点b之后伺服驱动器6的ON输入为OFF；在时序点a之前伺服驱动器6处于运行状态，在时序点a与b之间，伺服驱动器6处于软件封锁状态，在时序点c之后，伺服驱动器6处于硬件封锁状态。
本实用新型实施例的自转矩安全关断状态恢复的控制时序图可参见图7，第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2在时序点e之后由关断状态转为正常输入状态；在时序点f之后，伺服驱动器6的ON输入由OFF转为ON；在时序点d与e之间，伺服驱动器6处于硬件封锁状态，在时序点e与f之间，伺服驱动器6处于软件封锁状态，在时序点f之后，伺服驱动器6恢复正常运行状态。
本实用新型实施例的STO故障输出信号EDM的时序图可参见图8，第一光耦输入电路1和第二光耦输入电路2在时序点h由正常运行状态转为关断状态，STO故障输出信号EDM在时序点i处由低电平转为高电平，时序点i与时序点h的时间间隔小于8ms。
以上结合附图实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本实用新型做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本实用新型的限定，本实用新型将以所附权利要求书界定的范围作为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，其特征在于，包括两信号输入端、一第一光耦输入电路、一第二光耦输入电路、一缓冲阻止电路、一STO故障输出光耦和一STO故障信号输出端；所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的输入端分别连接一所述信号输入端，所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的输出端连接所述缓冲阻止电路；所述缓冲阻止电路连接所述STO故障输出光耦，所述STO故障输出光耦的输出端连接所述STO故障信号输出端。
2.根据权利要求1所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，其特征在于，第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路分别包括：
一第一电阻，所述第一电阻的第一端连接一所述信号输入端；
一双向光电耦合器，所述双向光电耦合器的一第一输入端连接所述第一电阻的第二端，所述双向光电耦合器的一第二输入端接地，所述双向光电耦合器的一第一输出端接地；
一第二电阻，所述第二电阻连接于所述双向光电耦合器的所述第一输入端和所述第二输入端之间；
一第三电阻，所述第三电阻连接于一等电位端和所述双向光电耦合器的一第二输出端之间；
一第一施密特反相器，所述第一施密特反相器的输入端连接所述双向光电耦合器的所述第二输出端；
一第二施密特反相器和一第三施密特反相器，所述第二施密特反相器和所述第三施密特反相器的输入端连接所述第一施密特反相器的输出端，所述第三施密特反相器的输出端连接所述缓冲阻止电路；
一第四电阻，所述第四电阻的第一端连接所述第二施密特反相器和所述第三施密特反相器的输入端，所述第四电阻的第二端接地；和
一第五电阻，所述第五电阻连接于所述等电位端和所述第三施密特反相器的一输出端之间。
3.根据权利要求2所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，其特征在于，第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路还包括一RC滤波电路；所述RC滤波电路包括一滤波电阻和一第一滤波电容，所述滤波电阻连接于所述双向光电耦合器的所述第二输出端和所述第一施密特反相器的输入端之间，所述第一滤波电容的第一端连接于所述滤波电阻与所述第一施密特反相器的输入端之间，所述第一滤波电容的第二端接地。
4.根据权利要求2或3所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，其特征在于，所述缓冲阻止电路包括：
一八路缓冲器，所述八路缓冲器的一第一使能端连接所述第一光耦输入电路的所述第三施密特反相器的输出端，所述八路缓冲器的一第二使能端连接一复位信号输入端；所述八路缓冲器还连接所述等电位端和一接地端；
一第六电阻，所述第六电阻的第一端连接所述八路缓冲器，所述第六电阻的第二端连接所述等电位端；
一八路总线收发器，所述八路总线收发器的使能端连接所述第二光耦输入电路的所述第三施密特反相器的输出端；所述八路总线收发器还连接所述等电位端和所述接地端；
一第七电阻，所述第七电阻的第一端连接所述八路总线收发器，所述第七电阻的第二端连接所述等电位端；和
一与非门，所述与非门的第一输入端连接所述第七电阻的第一端和所述八路总线收发器，所述与非门的第二输入端连接所述第六电阻的第一端和所述八路缓冲器。
5.根据权利要求4所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，其特征在于，所述缓冲阻止电路还包括一第一上拉电阻组和一第二上拉电阻组；所述第一上拉电阻组的第一端连接所述等电位端，所述第一上拉电阻组的第二端连接所述八路缓冲器；所述第二上拉电阻组的第一端连接所述等电位端，所述第二上拉电阻组的第二端连接所述八路总线收发器。
6.根据权利要求5所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路，其特征在于，所述STO故障输出光耦包括：一第八电阻、一单相光电耦合器和一第九电阻；所述第八电阻的第一端连接所述缓冲阻止电路的输出端，所述第八电阻的第二端连接所述单相光电耦合器的一第一输入端，所述单相光电耦合器的第二输入端连接所述等电位端，所述第九电阻连接于所述单相光电耦合器的所述第一输入端和所述第二输入端之间；所述单相光电耦合器的输出端连接所述STO故障信号输出端。
7.一种用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统，其特征在于，包括一交流电源、一伺服驱动器、一伺服电机、一恒压电源、一保险丝和一开关组；所述伺服驱动器包括权利要求6所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断电路；所述恒压电源通过所述保险丝和所述开关组连接所述伺服驱动器；所述交流电源通过所述伺服驱动器连接所述伺服电机。
8.根据权利要求7所述的用于交流伺服驱动器的安全转矩关断系统，其特征在于，所述伺服驱动器还包括一控制回路、一整流滤波单元、一驱动回路和一第二滤波电容；所述第一光耦输入电路和所述第二光耦输入电路的所述第二施密特反相器的输出端连接所述控制回路；所述控制回路通过所述缓冲阻止电路连接所述驱动回路；所述交流电源通过所述整流滤波单元连接所述驱动回路，所述驱动回路连接所述伺服电机；所述第二滤波电容与所述驱动回路并联。
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