电机安全控制电路和应用于设备的安全控制系统的制作方法

1.本技术实施例涉及电梯控制技术领域，特别涉及一种电机安全控制电路和应用于设备的安全控制系统。


背景技术：

2.电梯2022年发布的型式试验规范要求电梯系统永磁同步电机要配有电气制动，即电梯运行指令停止后的电机要采用定子短接技术，即封星技术。同时电梯标准中明确可以使用安全力矩关断方案作为电梯安全应用。目前大多通过在变频器与电机之间串联连接两个接触器来实现安全力矩关断和封星。但这种纯硬件实现的方案成本高、且变频后的马达电流会比较大，使得封星用的接触器型号规格会随着电梯规格的增加而增加，进一步增加了成本。另外，接触器在每次动作时噪音较大，使得电梯乘用体验较差。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种电机安全控制电路和应用于设备的安全控制系统，通过基础的电子元器件就可使变频器同时集成电机安全力矩关断和电子封星功能，符合了电梯标准和电梯型式实验规范，同时省去了接触器，降低了成本和噪音。
4.为解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种电机安全控制电路，包括：主控模块、pwm驱动模块、逆变模块和封星控制模块；所述主控模块用于发出驱动信号和封星使能信号；所述pwm驱动模块分别与所述主控模块和所述逆变模块连接，用于根据从外部接收的封锁控制信号，封锁所述驱动信号，或者将所述驱动信号传输至所述逆变模块以驱动所述逆变模块控制电机输出转矩；所述封星控制模块位于所述pwm驱动模块与所述逆变模块之间的连接通路上，且与所述主控模块连接，用于根据所述封星使能信号将所述pwm驱动模块输出的所述驱动信号输出至所述逆变模块；或者，在所述pwm驱动模块封锁所述驱动信号时，控制所述逆变模块中的一组逆变单元与所述电机的定子短接。
5.本技术实施例还提供了一种应用于设备的安全控制系统，包括：用于控制设备运转的电机，与所述电机连接的如上所述的电机安全控制电路。
6.本技术实施例提供的电机安全控制电路和电子设备，包括用于发出驱动信号和封星使能信号的主控模块、分别于主控模块和逆变模块连接的pwm驱动模块、以及位于pwm驱动模块和逆变模块之间的连接通路上，且与主控模块连接的封星控制模块。pwm驱动模块用于根据外部接收的封锁控制信号封锁驱动信号(即pwm驱动模块无输出)，或者将驱动信号传输至逆变模块以驱动逆变模块控制电机输出转矩，封星控制模块用于根据封星使能信号将驱动信号输出至逆变模块；或者，在pwm驱动模块封锁驱动信号时，控制逆变模块中的一组逆变单元与电机的定子短接。整个方案通过基础的电子元器件就可使变频器同时集成电机安全力矩关断和电子封星功能，符合了电梯标准和电梯型式实验规范，同时省去了接触器，降低了成本和噪音。
7.另外，逆变模块包括：两组逆变单元；所述封星控制模块位于所述pwm驱动模块与
一组逆变单元之间的连接通路上，用于根据所述封星使能信号将所述pwm驱动模块输出的所述驱动信号输出至所述一组逆变单元；或者，在所述pwm驱动模块封锁所述驱动信号时，使能所述一组逆变单元中在工作状态下输出高电平驱动信号的引脚继续输出高电平信号，以使所述一组逆变单元与所述电机的定子短接；所述两组逆变单元中另一组逆变单元的输入端直接与所述pwm驱动模块的输出端连接。本技术的电机安全控制电路在正常工作时，封星控制模块将pwm驱动模块输出的驱动信号传输至逆变模块中的一组逆变单元以使该逆变单元控制电机输出转矩；在pwm驱动模块封锁驱动信号(实现安全力矩关断功能)时，封星控制模块使该逆变单元与电机的定子短接，在双通道封锁实现安全力矩关断的基础上实现封星功能。
8.另外，封星控制模块包括：三通道或门模块和传输模块；所述或门模块中每个通道包括两个输入端，所述传输模块至少包括六路传输通路，其中三路传输通路的输入端分别与一个所述通道的输出端相连，剩余三路传输通路的输入端分别与所述pwm驱动模块中用于输出所述驱动信号中的低电平信号的端口连接；所述或门模块中每个通道中的一个输入端用于接入所述封星使能信号，另一个输入端与所述pwm驱动模块中用于输出所述驱动信号中的高电平信号的端口连接；所述传输模块中所述六路传输通路的输出端与所述一组逆变单元的输入端连接。本技术通过三通道或门模块和传输模块就可以实现封星功能的控制使能，控制简单、成本低。
9.另外，电机安全控制电路还包括：供电模块；所述供电模块输入端接入所述封锁控制信号、输出端连接所述pwm驱动模块，用于根据所述封锁控制信号为所述pwm驱动模块进行供电，或者停止为所述pwm驱动模块进行供电。本技术从信号侧和供电侧同时封锁pwm驱动模块，确保驱动信号完全不能通过pwm驱动模块输出至变频器模块，以此来切断变频器模块向电机提供可产生力矩的电能，实现安全力矩关断功能。
附图说明
10.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
11.图1是本技术实施例提供的电机安全控制电路的结构示意图一；
12.图2是本技术实施例提供的电机安全控制电路的结构示意图二；
13.图3是本技术实施例提供的电机安全控制电路中pwm驱动模块的电路图；
14.图4是本技术实施例提供的电机安全控制电路的结构示意图三；
15.图5是本技术实施例提供的电机安全控制电路中封星控制模块的电路图；
16.图6是本技术实施例提供的电机安全控制电路的结构示意图四；
17.图7是本技术实施例提供的电机安全控制电路中逆变模块的电路图；
18.图8是本技术实施例提供的电机安全控制电路的结构示意图五；
19.图9是本技术实施例提供的电机安全控制电路中供电模块的电路图；
20.图10是本技术实施例提供的应用于设备的安全控制系统的结构示意图。
具体实施方式
21.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本技术各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
22.本技术的实施例涉及一种电机安全控制电路，如图1所示，具体包括：主控模块101、pwm驱动模块102、逆变模块103和封星控制模块104。
23.其中，主控模块101用于发出驱动信号至pwm驱动模块102、发出封星使能信号至封星控制模块104。具体地，驱动信号为脉冲宽度调制信号(pulse width modulation)，主控模块101通过对各脉冲的宽度进行调制，可以很容易地改变驱动信号的电压大小，也可以改变输出频率，控制方便、抗噪性能强。进一步地，当电机为三相电机时，主控模块101发出的驱动信号为六路驱动信号，包括两路u相驱动信号、两路v相驱动信号和两路w相驱动信号。
24.pwm驱动模块102分别与主控模块101和逆变模块103连接，用于根据从外部接收的封锁控制信号，对驱动信号进行封锁，或者将驱动信号传输至变频器模块103以驱动逆变模块控制电机输出转矩。
25.具体地，封锁控制信号一般由主控模块101根据规定的变频器自我保护机制发送的第一触发信号和电梯控制系统(用户侧)发送的第二触发信号进行“与”计算后得到。当然，封锁控制信号的发送主体和发送方式有多种情况，可以根据电梯的型号规格、应用场景、电梯的安全保护机制等因素自行调整设置，在此不做限定。
26.当封锁控制信号不使能(使能撤销)时，pwm驱动模块102将从主控模块101接收到的驱动信号传输至逆变模块103，逆变模块103根据驱动信号输出电能以控制电机输出转矩；当封锁控制信号使能时，pwm驱动模块102将封锁驱动信号，即驱动信号无法输出，此时，逆变模块103无法向电机提供可产生转矩的电能，电机由于失去电能而自由停止，达到安全力矩关断功能的要求。
27.需要注意的是，本实施例是通过封锁驱动信号来切断逆变模块向电机的电能输出，但逆变模块与电机之间的电气连接仍然保持，逆变模块的直流母线仍然带电，因此在需要时可快速重启、适用于不需要紧急停止的场合。
28.封星控制模块104位于pwm驱动模块102与逆变模块103之间的连接通路上，且与主控模块101连接，用于根据封星使能信号将pwm驱动模块102输出的驱动信号输出至逆变模块103；或者，在pwm驱动模块102封锁驱动信号时，控制逆变模块103中的一组逆变单元与电机的定子短接。
29.需要说明的是，根据电梯安全标准要求，封星功能启动的前提是前一时刻逆变模块一定处于安全力矩关断状态。也就是说，在封锁控制信号不使能时，封星使能信号也不使能，此时封星控制模块104将pwm驱动模块102输出的驱动信号输出至逆变模块103，以使逆变模块103正常工作输出电能，控制电机输出转矩；在pwm驱动模块102封锁驱动信号(封锁控制信号使能)时，封星控制模块104根据封星使能信号控制逆变模块103中的一组逆变单元与电机的定子短接，以此达到在双通道封锁实现安全力矩关断的基础上，控制一组逆变单元实现封星制动。
30.可以理解的是，以电梯作为电机的控制对象，电梯系统从检测到故障、到制动器接
触到旋转主轴进而实现制动，时间一般会有100-400ms，虽然时间较短，但电梯整体在这个时间内会处于自由落体的失控状态，电机转速会在系统惯性作用下急速增加。此时如果叠加制动器的制动性能下降或失效，就会使电梯处于完全失控的危险状态，此时就需要有封星技术/功能。封星技术/功能指的是在电动机失去外部电源时，将电动机的三相绕组短路，使电动机成为发电机，利用发电电流所产生的反电动势来减慢转速，避免转速失控。
31.在一实施例中，如图2所示，pwm驱动模块102包括：第一pwm驱动模块1021和第二pwm驱动模块1022；第一pwm驱动模块1021的第一输入端接入驱动信号、第二输入端接入封锁控制信号、输出端连接第二pwm驱动模块1022的第一输入端，用于根据封锁控制信号将驱动信号输出至第二pwm驱动模块，或者封锁驱动信号；第二pwm驱动模块1022的第二输入端接入封锁控制信号，用于根据封锁控制信号将第一pwm驱动模块输出的驱动信号输出至逆变模块，或者封锁驱动信号。
32.具体地，通过设计两个pwm驱动模块来确保其中任何一个失效都能使电机安全控制电路实现安全力矩功能和封星功能。第一pwm驱动模块1021和第二pwm驱动模块1022在具体实现时可以采用具有信号封锁功能的三态门器件，图3为pwm驱动模块102的电路图，u1和u2分别为第一pwm驱动模块1021和第二pwm驱动模块1022，u1和u2均为sn74act244pwr型号的三态门器件，a1-a6为六路pwm信号的输入端，oe为使能端接入封锁控制信号sto1_en和sto2_en，当封锁控制信号为低电平时，驱动信号(pwm1、pwm2、pwm3、pwm4、pwm5、pwm6)从输入端(a1-a6)传输到输出端(y1-y6)，当封锁控制信号为高电平时，输出端(y1-y6)处于高阻抗状态，即驱动信号被封锁。三态门中的高阻抗状态指的是：对地电阻无穷大，相当于该门和它连接的电路处于断开的状态。
33.在一实施例中，如图4所示，逆变模块103包括：两组逆变单元1031、1032；封星控制模块104位于pwm驱动模块102与一组逆变单元1032之间的连接通路上，用于根据封星使能信号将pwm驱动模块102输出的驱动信号输出至一组逆变单元(如逆变单元1032)；或者，在pwm驱动模块102封锁驱动信号时，使能一组逆变单元1032中在工作状态下输出高电平驱动信号的引脚继续输出高电平信号，以使一组逆变单元1032与电机(电机与逆变模块连接，图中未示出)的定子短接。两组逆变单元中另一组逆变单元1031的输入端直接与pwm驱动模块102的输出端连接。
34.具体地，封星控制模块104可以位于pwm驱动模块102与逆变单元1032之间的连接通路上(即控制逆变单元1032与电机的定子短接)，也可以位于pwm驱动模块102与逆变单元1031之间的连接通路上(即控制逆变单元1031与电机的定子短接)。
35.在一实施例中，如图4所示，封星控制模块104包括：三通道或门模块1041和传输模块1042；或门模块1041中每个通道包括两个输入端，传输模块至少包括六路传输通路，其中三路传输通路的输入端分别与一个所述通道的输出端相连，剩余三路传输通路的输入端分别与pwm驱动模块102中用于输出驱动信号中的低电平信号的端口连接；或门模块1041中每个通道中的一个输入端用于接入封星使能信号，另一个输入端与pwm驱动模块102中用于输出驱动信号中的高电平信号的端口连接；传输模块1042中六路传输通路的输出端与一组逆变单元1032的输入端连接。
36.具体地，如图5所示，u5为或门模块1041，u5采用u74ac32型号的三通道或门，u6为传输模块1042，u6采用sn74act244pwr型号的三态门器件，当pwm驱动模块102输出驱动信号
(pu 、pu-、pv 、pv-、pw 、pw-)且封星使能信号eb_en为低电平时，u5的每个通道的两个输入端(eb_en和pu 、eb_en和pv 、eb_en和pw )进行“或”计算输入到u6的输入端(a1、a2、a3)，u6将pwm驱动模块102输出的驱动信号(pu 、pu-、pv 、pv-、pw 、pw-)传输至逆变单元1032。
37.也就是说，在pwm驱动模块102输出驱动信号且封星使能信号eb_en为低电平时，逆变模块103中的逆变单元1031和逆变单元1032均处于正常工作状态，向电机提供电能并控制电机输出转矩。
38.本实施例中，u6虽然采用的是三态门器件，但本实施例中将u6的使能端oe接地，即不使用u6的高阻抗状态(oe端为高电平)，只使用u6的数据输入输出功状态(oe端为低电平)。当pwm驱动模块102封锁驱动信号且封星使能信号eb_en为低电平时，u5和u6无输入、无输出，此时，逆变模块103也无输入、无输出。
39.也就是说，当pwm驱动模块102封锁驱动信号且封星使能信号eb_en为低电平时，逆变器模块103中的逆变单元1031和逆变单元1032形成双通道封锁，实现安全力矩关断。
40.当pwm驱动模块102封锁驱动信号且封星使能信号eb_en为高电平时，u5的输出端(1y、2y、3y)输出高电平信号至u6；u6的a1、a2、a3引脚为高电平，a4、a5、a6引脚由于驱动信号被封锁，即没有输入，可以看作是“低电平”，因此u6的y1、y2、y3引脚输出高电平信号lu 、lv 、lw 至逆变模块1032，u6的y4、y5、y6引脚输出低电平信号lu-、lv-、lw-至逆变模块1032。
41.也就是说，当pwm驱动模块102封锁驱动信号且封星使能信号eb_en为高电平时，逆变模块103中的逆变单元1031和逆变单元1032在双通道封锁实现安全力矩关断的基础上，实现逆变单元1032封星。
42.进一步地，如图6所示，每组逆变单元包括：串行连接的驱动器和逆变器；一组逆变单元1032中：驱动器1034的输入端与封星控制模块104连接，用于在pwm驱动模块102输出驱动信号且封星使能信号为低电平时，将驱动信号传输至逆变器1036；或者，在pwm驱动模块102封锁驱动信号封星使能信号为低电平时，无输出；或者，在pwm驱动模块102封锁驱动信号且封星使能信号为高电平时，传输高电平信号至逆变器1036以使逆变器1036导通；逆变器1036用于根据驱动器1034输出的信号向电机输出电能以控制电机输出转矩；或者，停止向电机输出电能，或者与电机的定子短接；
43.另一组逆变单元1031中：驱动器1033的输入端与pwm驱动模块102连接，用于在pwm驱动模块102输出驱动信号时，将驱动信号传输至逆变器1035；或者，在pwm驱动模块102封锁驱动信号时，无输出；逆变器1035用于根据驱动器输出的信号向电机输出电能以控制电机输出转矩，或者，停止向电机输出电能。
44.图7为逆变模块103的电路图，驱动器包括：3个驱动光耦；逆变器包括：3个功率半导体器件，如绝缘栅双极型晶体管igbt。图7中上方三个驱动光耦构成的驱动器作为上桥驱动器，下方三个光耦构成的驱动器作为下桥驱动器，驱动器中的3个驱动光耦的输出端分别连接逆变器中3个功率半导体器件的栅极。与上桥驱动器连接的逆变器中每个功率半导体器件的发射极分别连接与下桥驱动器连接的逆变器中每个功率半导体器件的集电极，且连接点分别与电机三相电路中的一相连接。
45.具体地，当pwm驱动模块102输出驱动信号时，上桥驱动器传输驱动信号至与其连接的逆变器，该逆变器根据驱动信号向电机输出电能以控制电机输出转矩，当pwm驱动模块
102封锁驱动信号时，上桥驱动器无输入、无输出，与其连接的逆变器停止向电机输出电能。下桥驱动器在pwm驱动模块封锁驱动信号且封星使能信号为高电平时，驱动光耦的阳极(anode)接收封星控制模块104输出的三路高电平信号lu 、lv 、lw ，驱动光耦的阴极(cathode)接收封星控制模块104输出的三路低电平信号lu-、lv-、lw-，驱动光耦输出端vo输出正向驱动电压(一般为 15v)，与下桥驱动器连接的逆变器中的三个igbt管导通实现与电机的定子(u、v、w)短接。
46.在一实施例中，如图8所示，电机安全控制电路还包括：供电模块105；供电模块105输入端接入封锁控制信号、输出端连接pwm驱动模块102，用于根据封锁控制信号为pwm驱动模块102进行供电，或者停止为pwm驱动模块102进行供电。本实施例，从信号侧和供电侧同时封锁驱动模块，确保驱动信号完全不能通过驱动模块输出至逆变模块，以此来切断逆变模块向电机提供可产生力矩的电能，实现sto功能。
47.也就是说，本技术在实现安全转矩关断功能时，若供电模块105出现问题，导致供电模块105虽然接收到封锁控制信号但并没有切断供电时，本技术的pwm驱动模块依然能根据封锁控制信号将驱动信号进行封锁以实现安全转矩关断功能。对应地，若pwm驱动模块102出现问题，导致pwm驱动模块102虽然接收到封锁控制信号，但并没有对驱动信号进行封锁时，本技术的供电模块105依然能根据封锁控制信号切断pem驱动模块102的供电以实现安全转矩功能。从信号侧和供电侧两方面双重设计以确保安全转矩功能的实现。
48.具体地，如图9所示为供电模块105的电路图，u3为供电模块，采用stmps2151str型号的电源芯片，en引脚为接入的封锁控制信号为低电平时，停止供电，en引脚为高电平时，正常供电。另外，由于pwm驱动模块102中的u1和u2对应的封锁状态的封锁控制信号为高电平，因此为统一封锁控制信号的状态，可以在供电模块105之前连接一个反相器，将封锁控制信号反相输入到供电模块105。
49.当然，以上各种实施例中提到的芯片型号并不唯一，可根据需要自行调整设置。
50.本技术实施例提供的电机安全控制电路，包括用于发出驱动信号和封星使能信号的主控模块、分别于主控模块和逆变模块连接的pwm驱动模块、以及位于pwm驱动模块和逆变模块之间的连接通路上，且与主控模块连接的封星控制模块。pwm驱动模块用于根据外部接收的封锁控制信号封锁驱动信号(即pwm驱动模块无输出)，或者将驱动信号传输至逆变模块以驱动逆变模块控制电机输出转矩，封星控制模块用于根据封星使能信号将驱动信号输出至逆变模块；或者，在pwm驱动模块封锁驱动信号时，控制逆变模块中的一组逆变单元与电机的定子短接。整个方案通过基础的电子元器件就可使变频器同时集成电机安全力矩关断和电子封星功能，符合了电梯标准和电梯型式实验规范，同时省去了接触器，降低了成本和噪音。
51.本技术的另一实施例涉及一种应用于设备的安全控制系统，如图10所示，包括：用于控制设备运转的电机，与电机连接的如上任一实施例中所述的电机安全控制电路。
52.其中，被控制的设备可以是基于(三相)电机驱动的任一设备，如电梯等。
53.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。