CN211630101U - 安全转矩关断控制电路及电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种安全转矩关断控制电路及电机控制器，所述安全转矩关断控制电路包括信号转换单元和故障诊断单元；所述信号转换单元包括第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子以及第二输出端子，所述故障诊断单元包括第一诊断输出端子、第一反馈输入端子以及使能信号输出端子；所述信号转换单元在所述第一输入端子接收到STO信号时，通过所述第一输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第一关断信号；所述故障诊断单元按照第一预设周期输出第一诊断信号，并在所述第一反馈输入端子的信号符合第一预设条件时，输出用于使所述后端执行模块停止输出的第二关断信号。本实用新型实施例可以可靠实现电机危险失效管控，提高设备的安全性。

Description

安全转矩关断控制电路及电机控制器

技术领域

本实用新型实施例涉及运动控制领域，更具体地说，涉及一种安全转矩关断控制电路及电机控制器。

背景技术

在工业现场，当操作人员的人身安全受到威胁时，一般通过按下急停按钮，使变频器或伺服驱动器断电，从而让电机停止输出转矩、机器停止运行，防止机器的意外动作对人体造成伤害。然而，断电重启往往需要较长时间才能使机器停止运行，特别是大功率变频器或驱动器，并且这些机器的通断电一次往往需要花费较长时间，这对生产效率影响较大。

为了防止由于电气设备的意外起动而造成人身损害事故，同时避免因断电重启对正常生产造成的影响，目前已针对变频器、伺服电机驱动器等驱动设备提出了STO(SafeTorque Off，安全转矩关断)功能。该STO功能能够防止驱动器在电机停止时仍在其中产生转矩，从而有效防止因电机意外起动造成的人身伤害事故。

然而，在现有的运动控制***中，STO功能仅能够实现转矩关断，而对实现STO功能的硬件并不进行诊断，从而导致STO功能存在失效的风险。此外，现有的实现STO功能的电路较为复杂。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述实现STO功能的硬件无法进行诊断，并导致STO功能存在失效的风险，以及现有实现STO功能的硬件电路复杂的问题，提供一种安全转矩关断控制电路及电机控制器。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种安全转矩关断控制电路，包括信号转换单元和故障诊断单元；所述信号转换单元包括第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子以及第二输出端子，所述故障诊断单元包括第一诊断输出端子、第一反馈输入端子以及使能信号输出端子；

所述信号转换单元通过所述第一输入端子与前端模块连接、通过所述第一输出端子与后端执行模块连接，且所述信号转换单元在所述第一输入端子接收到安全转矩关断STO信号时，通过所述第一输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第一关断信号；

所述故障诊断单元通过所述第一诊断输出端子与所述信号转换单元的第二输入端子连接、通过所述第一反馈输入端子与所述信号转换单元的第二输出端子连接、以及通过所述使能信号输出端子连接所述后端执行模块，且所述故障诊断单元按照第一预设周期通过所述第一诊断输出端子输出第一诊断信号，并在所述第一反馈输入端子的信号符合第一预设条件时，通过所述使能信号输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第二关断信号。

优选地，所述信号转换单元包括限流子单元、第一隔离子单元、第一滤波子单元以及第二滤波子单元，且所述第一隔离子单元的原边经由所述限流子单元与所述第一输入端子连接，所述第二输入端子直接与所述第一隔离子单元的原边连接，所述第一隔离子单元的副边经由所述第一滤波子单元与所述第一输出端子连接，所述第一隔离子单元的副边经由所述第二滤波子单元与所述第二输出端子连接。

优选地，所述第一隔离子单元由第一光耦构成，且所述第一光耦的副边的正输出端经由限流电阻连接供电输入端，所述第一光耦的副边的负输出端连接参考地；所述第一滤波子单元和第二滤波子单元分别与所述第一光耦的副边的正输出端连接。

优选地，所述故障诊断单元包括微控制器、开关子单元以及第二隔离子单元，且所述第一反馈输入端子以及使能信号输出端子分别由所述微控制器的引脚构成；所述微控制器包括检测信号输出引脚，且所述检测信号输出引脚经由所述开关子单元连接到所述第二隔离子单元的原边，所述第二隔离子单元的副边与所述第一诊断输出端子连接。

优选地，所述第二隔离子单元由第二光耦构成，所述开关子单元由开关管构成；所述微控制器的检测信号输出引脚连接到所述开关管的控制端，且所述开关管与第二光耦的原边串联连接，所述第二光耦的副边与所述信号转换单元的第二输入端子连接。

优选地，所述后端执行模块包括两个串联连接的缓冲器芯片；所述安全转矩关断控制电路包括两个所述信号转换单元，且两个所述信号转换单元分别通过第一输入端子与同一前端模块连接，并分别通过第一输出端子与两个缓冲器芯片一一对应连接；

所述后端执行模块在任一缓冲器芯片接收到第一关断信号或第二关断信号时停止向后端的逆变模块输出驱动脉冲。

优选地，所述故障诊断单元包括两个第二隔离子单元；

所述微控制器包括两个第一反馈输入端子，且所述微控制器的检测信号输出引脚分别经由开关控制子单元连接到两个所述第二隔离子单元的原边；

两个所述第二隔离子单元的副边与两个所述信号转换单元的第二输入端子分别一一对应连接。

优选地，所述故障诊断单元包括第二诊断输出端子和第二反馈输入端子，且所述故障诊断单元按照第二预设周期通过所述第二诊断输出端子输出第二诊断信号，并在所述第二反馈输入端子的信号符合第二预设条件时，通过所述使能信号输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第二关断信号。

优选地，所述安全转矩关断控制电路还包括供电单元，且所述信号转换单元和所述故障诊断单元的供电输入端分别连接到所述供电单元的输出端。

本实用新型实施例还提供一种电机控制器，包括上所述的安全转矩关断控制电路。

本实用新型实施例的安全转矩关断控制电路及电机控制器具有以下有益效果：由信号转换单元根据STO信号控制后端执行模块停止转矩输出，并通过故障诊断单元对信号转换单元的硬件进行检测，可以可靠实现电机危险失效管控，提高设备的安全性。并且，本实用新型实施例还具有电路结构简单的特点。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的安全转矩关断控制电路的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的安全转矩关断控制电路的电路拓扑图；

图3是本实用新型实施例提供的安全转矩关断控制电路中诊断脉冲的频率图；

图4是本实用新型另一实施例提供的安全转矩关断控制电路的示意图；

图5是本实用新型另一实施例提供的安全转矩关断控制电路的电路拓扑图。

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，是本实用新型实施例提供的安全转矩关断控制电路的示意图，该安全转矩关断控制电路可应用于电机控制器，例如变频器、伺服驱动器等，并提高电机控制器STO功能的可靠性。本实施例的安全转矩关断控制电路包括信号转换单元11和故障诊断单元12，上述信号转换单元11和故障诊断单元12分别由一个或多个电子元件连接而成，并实现相应的电信号处理。其中，信号转换单元11包括第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子以及第二输出端子；故障诊断单元12包括第一诊断输出端子、第一反馈输入端子以及使能信号输出端子。上述第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子、第二输出端子、第一诊断输出端子、第一反馈输入端子以及使能信号输出端子具体可以是电子元件之间的导电连接点，且第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子、第二输出端子、第一诊断输出端子、第一反馈输入端子以及使能信号输出端子中的每一个可包括一个或多个导电连接点。

在本实施例中，信号转换单元11通过第一输入端子与前端模块21(该前端模块用于根据电机或由电机驱动的设备的状态生成STO信号)连接、通过第一输出端子与后端执行模块22(该后端执行模块用于向电机输出驱动电压，从而实现电机的驱动控制)连接。该信号转换单元11在第一输入端子接收到来自前端模块21的STO信号时，通过第一输出端子向后端执行模块22输出用于使该后端执行模块22停止输出的第一关断信号，即后端执行模块22在接收到第一关断信号后，停止向电机输出驱动电压(例如短接电机绕组，使电机停止转矩输出)。

故障诊断单元12通过第一诊断输出端子与信号转换单元11的第二输入端子连接、通过第一反馈输入端子与信号转换单元的第二输出端子连接、以及通过使能信号输出端子连接后端执行模块22。该故障诊断单元12按照第一预设周期通过第一诊断输出端子输出第一诊断信号，并在第一反馈输入端子的信号符合第一预设条件时，通过使能信号输出端子输出用于使后端执行模块停止输出的第二关断信号，即后端执行模块22在接收到第二关断信号后，停止向电机输出驱动电压。

上述安全转矩关断控制电路中，由信号转换单元11根据来自前端模块21的STO信号控制后端执行模块停止转矩输出，并通过故障诊断单元12对信号转换单元11的硬件进行检测，可以在实现STO功能的同时，对实现STO功能的电路(即信号转换单元11)进行检测，从而可靠实现电机危险失效管控，提高设备的安全性。

在本实用新型的一个实施例中，结合图2所示，上述安全转矩关断控制电路中的信号转换单元11具体可包括限流子单元111、第一隔离子单元、第一滤波子单元112以及第二滤波子单元113，上述第一隔离子单元可以实现电信号的隔离输出，且该第一隔离子单元的原边经由限流子单元111与第一输入端子连接(即与前端模块连接)，第二输入端子则直接与第一隔离子单元的原边连接，第一隔离子单元的副边经由第一滤波子单元112与第一输出端子连接(即与后端执行模块22连接)，第一隔离子单元的副边经由第二滤波子单元113与第二输出端子连接(即与故障检测单元12连接)。通过上述方式，信号转换单元11可将来自前端模块21的STO信号转换为后端执行模块22的控制信号，即符合后端执行模块22要求的控制电平，并控制后端执行模块22停止向电机输出驱动电压。

具体地，上述第一隔离子单元可采用第一光耦U1，且该第一光耦U1的副边的正输出端经由限流子单元111连接供电输入端(例如3.3V)，第一光耦U1的副边的负输出端连接参考地；限流子单元111可由两个限流电阻构成，即第一光耦U1的原边经由两个限流电阻连接到前端模块，第一滤波子单元112和第二滤波子单元113分别与第一光耦U1的副边的正输出端连接。例如，在正常情况下(即设备正常运行时)，来自前端模块的STO信号可为高电平，第一光耦U1的原边导通，从而第一光耦U1的副边(即第一输出端子)输出低电平，后端执行模块22正常工作，向电机输出驱动电压，电机正常输出转矩；当设备出现异常需要关断转矩时，来自前端模块的STO信号为低电平，第一光耦U1的原边截止、副边输出高电平，使后端执行模块22将电机转矩输出关断(例如通过将逆变模块的所有上桥臂断开、下桥臂导通，从而使电机的绕组短接)。

在本实用新型的另一实施例中，结合图2所述，故障诊断单元12具体可包括微控制器(Micro Control Unit，MCU)、开关子单元121以及第二隔离子单元，且第一反馈输入端子以及使能信号输出端子分别由微控制器的引脚构成；微控制器包括检测信号输出引脚，且该检测信号输出引脚经由开关子单元121连接到第二隔离子单元的原边，第二隔离子单元的副边与第一诊断输出端子连接。

具体地，上述第二隔离子单元可采用第二光耦U2，开关子单元121则可由一个开关管构成。微控制器的检测信号输出引脚连接开关管的控制端，且开关管与第二光耦U2的原边串联连接在供电电压与参考地之间，第二光耦U2的副边则与信号转换单元11的第二输入端子(即第一光耦U1的原边)连接。

微控制器通过检测信号输出引脚、开关管及第二光耦U2，将第一光耦U1的副边的低电平信号拉出一些高脉冲(L形脉冲)，上述带L形脉冲的信号分两路处理，一路经过第一滤波子单元122把L脉冲滤平后，送给后端执行模块22；另一路经第二滤波子单元123，把L脉冲保留下来，送到微控制器的第一反馈输入端子。如此，通过微控制器周期性的检测到L脉冲，就可以实时诊断信号转换单元11及微控制器的前端器件是否存在危险失效，同时又不影响***的正常运行。

此外，故障诊断单元12还可包括第二诊断输出端子和第二反馈输入端子，上述第二诊断输出端子和第二反馈输入端子分别连接到后端执行模块22。具体地，第二诊断输出端子和第二反馈输入端子可由微控制器的引脚构成，且故障诊断单元按照第二预设周期通过第二诊断输出端子输出第二诊断信号，并在第二反馈输入端子的信号符合第二预设条件时，通过使能信号输出端子输出用于使后端执行模块停止输出的第二关断信号。

在安全转矩关断控制电路每次上电时，微控制器对整个回路进行较完整的诊断。并且，在安全转矩关断控制电路正常运行过程中，微控制器持续、实时对第一光耦U1及第一滤波子单元122和第二滤波子单元123中的相关电阻、电容进行监控诊断。结合图3所示，微控制器在通过检测信号输出引脚输出诊断信号后，需等待一定时间(例如300us)使得外部硬件有时间产生对应的高电平输入信号，当等待时间到达后再检测第一反馈输入端子的电平信号是否为预期的高电平，如果不是高电平信号，进入STO故障，并通过使能信号输出端子向后端执行模块22输出第二关断信号，使后端执行模块22停止向电机输出驱动电压。

如图4、5所示，在本实用新型的又一实施例中，后端执行模块包括两个串联连接的缓冲器芯片U3；相应地，安全转矩关断控制电路包括两个信号转换单元11，且两个信号转换单元11分别通过第一输入端子与同一前端模块21连接，并分别通过第一输出端子与两个缓冲器芯片U3一一对应连接(例如与缓冲器芯片U3的一个使能引脚)。后端执行模块22在任一缓冲器芯片U3接收到第一关断信号或第二关断信号时停止向后端的逆变模块输出驱动脉冲，从而后端执行模块不再向电机输出驱动脉冲。通过上述方式，可实现冗余控制，进一步提高STO的安全性。

相应地，故障诊断单元12可包括两个开关子单元和两个第二隔离子单元，微控制器包括两个第一反馈输入端子，且微控制器的第一诊断输出端子分别经由一个开关子单元连接到两个第二隔离子单元的原边；两个第二隔离子单元的副边与两个信号转换单元11的第二输入端子分别一一对应连接。

为实现供电，上述安全转矩关断控制电路还可包括供电单元，且信号转换单元11和故障诊断单元12的供电输入端分别连接到供电单元的输出端。故障诊断单元12还可对供电单元进行相关的硬件诊断，防止供电单元失效。例如，供电单元包括5V和3.3V电源的监控，5V电源电压信号通过分压电路，输入到微控制器。微控制器可对5V电源进行过压、欠压监控，微控制器在检测到5V电源超出正常电压范围(正常电压范围是4.75V-5.4V)时，判断电路发生故障，通过使能信号输出端子向后端执行模块22输出第二关断信号(例如缓冲器芯片U3的另一个使能引脚)，使后端执行模块22停止向电机输出驱动电压，电机转矩安全关断。

本实用新型实施例还提供一种电机控制器，该电机控制器可以为变频器、伺服驱动器等，且该电机控制器包括上所述的安全转矩关断控制电路。

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 (10)

1.一种安全转矩关断控制电路，其特征在于，包括信号转换单元和故障诊断单元；所述信号转换单元包括第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子以及第二输出端子，所述故障诊断单元包括第一诊断输出端子、第一反馈输入端子以及使能信号输出端子；

所述信号转换单元通过所述第一输入端子与前端模块连接、通过所述第一输出端子与后端执行模块连接，且所述信号转换单元在所述第一输入端子接收到安全转矩关断STO信号时，通过所述第一输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第一关断信号；

所述故障诊断单元通过所述第一诊断输出端子与所述信号转换单元的第二输入端子连接、通过所述第一反馈输入端子与所述信号转换单元的第二输出端子连接、以及通过所述使能信号输出端子连接所述后端执行模块，且所述故障诊断单元按照第一预设周期通过所述第一诊断输出端子输出第一诊断信号，并在所述第一反馈输入端子的信号符合第一预设条件时，通过所述使能信号输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第二关断信号。

2.根据权利要求1所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述信号转换单元包括限流子单元、第一隔离子单元、第一滤波子单元以及第二滤波子单元，且所述第一隔离子单元的原边经由所述限流子单元与所述第一输入端子连接，所述第二输入端子直接与所述第一隔离子单元的原边连接，所述第一隔离子单元的副边经由所述第一滤波子单元与所述第一输出端子连接，所述第一隔离子单元的副边经由所述第二滤波子单元与所述第二输出端子连接。

3.根据权利要求2所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述第一隔离子单元由第一光耦构成，且所述第一光耦的副边的正输出端经由限流电阻连接供电输入端，所述第一光耦的副边的负输出端连接参考地；所述第一滤波子单元和第二滤波子单元分别与所述第一光耦的副边的正输出端连接。

4.根据权利要求2所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述故障诊断单元包括微控制器、开关子单元以及第二隔离子单元，且所述第一反馈输入端子以及使能信号输出端子分别由所述微控制器的引脚构成；所述微控制器包括检测信号输出引脚，且所述检测信号输出引脚经由所述开关子单元连接到所述第二隔离子单元的原边，所述第二隔离子单元的副边与所述第一诊断输出端子连接。

5.根据权利要求4所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述第二隔离子单元由第二光耦构成，所述开关子单元由开关管构成；所述微控制器的检测信号输出引脚连接到所述开关管的控制端，且所述开关管与第二光耦的原边串联连接，所述第二光耦的副边与所述信号转换单元的第二输入端子连接。

6.根据权利要求4所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述后端执行模块包括两个串联连接的缓冲器芯片；所述安全转矩关断控制电路包括两个所述信号转换单元，且两个所述信号转换单元分别通过第一输入端子与同一前端模块连接，并分别通过第一输出端子与两个缓冲器芯片一一对应连接；

所述后端执行模块在任一缓冲器芯片接收到第一关断信号或第二关断信号时停止向后端的逆变模块输出驱动脉冲。

7.根据权利要求6所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述故障诊断单元包括两个第二隔离子单元；

所述微控制器包括两个第一反馈输入端子，且所述微控制器的检测信号输出引脚分别经由开关控制子单元连接到两个所述第二隔离子单元的原边；

两个所述第二隔离子单元的副边与两个所述信号转换单元的第二输入端子分别一一对应连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述故障诊断单元包括第二诊断输出端子和第二反馈输入端子，且所述故障诊断单元按照第二预设周期通过所述第二诊断输出端子输出第二诊断信号，并在所述第二反馈输入端子的信号符合第二预设条件时，通过所述使能信号输出端子输出用于使所述后端执行模块停止输出的第二关断信号。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的安全转矩关断控制电路，其特征在于，所述安全转矩关断控制电路还包括供电单元，且所述信号转换单元和所述故障诊断单元的供电输入端分别连接到所述供电单元的输出端。

10.一种电机控制器，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的安全转矩关断控制电路。

Images