一种基于变频器的安全转矩关闭电路的制作方法

1.本实用新型涉及电子电路领域，尤其是一种基于变频器的安全转矩关闭电路。


背景技术：

2.安全转矩关闭(safe torque off，sto)，是工业驱动设备中的一种安全机能，此机能有效时，设备不输出转矩。sto机能是驱动器、变频器或伺服驱动器的安全机能中，是最基本且最常见的安全机能之一。sto一般会用在有马达的设备中，sto电路给设备的mcu发送信号，由mcu输出pwm信号进而控制能否给马达提供能量，当此机能动作时，马达不会输出转矩，避免马达误启动。在马达启动后启用sto机能时，一般情形下，马达会继续运转直至因其设备的摩擦力而渐渐停止。
3.sto功能有广泛的应用场合：例如在机器或操作人员安全受到威胁时，我们可拍下sto按钮，防止意外动作。尤其是在大马力变频器中，如果采取断电动作，重新上电时间较长，对生产影响较大。这种情况下，sto功能就可以在不断电的情况下关闭转矩输出，有良好的适用性。然而目前一般使用的sto功能可靠性不强，易发生故障，对外部操作人员的安全有隐藏威胁。


技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于变频器的安全转矩关闭电路。通过mcu监测该电路的各部分输入输出信号，在出现故障时能够确保sto功能的有效关断输出，保障操作人员及设备安全。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种基于变频器的安全转矩关闭电路，包括mcu、两路sto电源电路、两路sto输入电路、sto电源监控电路和输出转矩控制电路；一路sto电源电路连接一路sto输入电路的电源端用于供电，两路sto输入电路的输入端连接外部设备，第一sto输入电路的输出端连接输出转矩控制电路的第一使能端，第二sto输入电路的输出端连接输出转矩控制电路的供电控制端，两路sto输入电路的输出端还连接mcu；输出转矩控制电路的输入端连接mcu、接收pwm信号，输出转矩控制电路的第一输出端组连接驱动设备，输出转矩控制电路的第二输出端和得电端输出反馈信号给mcu；两路sto电源电路的输出端连接sto电源监控电路的输入端，sto电源监控电路的输出端连接mcu。
7.其进一步的技术方案为，两路sto输入电路的电路结构相同，第一sto输入电路包括光耦、三个电阻和第一电容，光耦的两个输入端分别连接第一电阻和第一电容的两端，第一电阻和第一电容的第一相连端连接第二电阻的一端，另一端作为第一sto输入电路的输入端接收外部设备发出的外部信号，第一电阻和第一电容的第二相连端接地，光耦的集电极输出端连接第三电阻的一端，另一端作为第一sto输入电路的电源端连接第一sto电源电路的输出端，光耦与第三电阻的相连端作为第一sto输入电路的输出端输出第一安全信号。
8.其进一步的技术方案为，sto电源监控电路包括四个电平比较器、多个电阻和输出
钳位二极管，第一电平比较器的同相输入端连接第四电阻的第一端，第二端作为sto电源监控电路的第一输入端连接第一sto电源电路的输出端，第一电平比较器的反相输入端分别连接第三电平比较器的反相输入端以及第五电阻和第六电阻的第一端，第五电阻的第二端连接外接电源，第四电阻的第一端通过第七电阻连接第一开关二极管的第一输入端，第一开关二极管的第二输入端通过第八电阻连接第二电平比较器的同相输入端，第二电平比较器的同相输入端分别连接第九电阻和第十电阻的第一端，第九电阻的第二端连接外接电源，第二电平比较器的反相输入端连接第十一电阻的第一端，第二端作为sto电源监控电路的第二输入端连接第一sto电源电路的输出端，第三电平比较器的同相输入端连接第十二电阻的第一端，第二端作为sto电源监控电路的第三输入端连接第二sto电源电路的输出端，第十二电阻的第一端通过第十三电阻连接第二开关二极管的第一输入端，第二开关二极管的第二输入端通过第十四电阻连接第四电平比较器的同相输入端，第四电平比较器的同相输入端分别连接第十五电阻和第十六电阻的第一端，第十五电阻的第二端连接外接电源，第四电平比较器的反相输入端连接第十七电阻的第一端，第二端作为sto电源监控电路的第四输入端连接第二sto电源电路的输出端，第六电阻、第十电阻、第十六电阻的第二端接地；四个电平比较器的输出端以及第一开关二极管和第二开关二极管的共阴极连接第十八电阻的第一端，第二端连接输出钳位二极管的钳位端，钳位端作为sto电源监控电路的输出端输出电源监测信号。
9.其进一步的技术方案为，输出转矩控制电路包括第一驱动芯片和第二驱动芯片，第一驱动芯片的六个输入端作为输出转矩控制电路的输入端分别接收mcu输出的六路pwm信号，第一驱动芯片连接三极管的集电极，三极管的基极作为输出转矩控制电路的供电控制端接收第二sto输入电路输出的第二安全信号，第一驱动芯片与三极管的相连端作为输出转矩控制电路的得电端输出第二反馈信号，第一驱动芯片的六个输出端连接第二驱动芯片的六个输入端，第二驱动芯片的六个输出端作为输出转矩控制电路的第一输出端组输出驱动信号，第二驱动芯片的第一使能端作为输出转矩控制电路的第一使能端接收第一sto输入电路输出的第一安全信号，第二驱动芯片的第二使能端连接mcu的使能端，第二驱动芯片的第七输出端作为输出转矩控制电路的第二输出端输出第一反馈信号。
10.其进一步的技术方案为，两路sto电源电路的电路结构相同，第一sto电源电路包括电压基准芯片、多个电阻和电容，第二电容并联在电压基准芯片的阴阳两极，第十九电阻的第一端连接外接电源，第二端分别连接电压基准芯片的阴极、第二十电阻和第三电容的一端，且相连端作为第一sto电源电路的输出端输出第一电源，第二十电阻的另一端分别连接电压基准芯片的参考极、第二十一电阻的一端和第四电容的一端，电压基准芯片的阳极、第二十一电阻的另一端、第三电容和第四电容的另一端均接地。
11.其进一步的技术方案为，光耦基于kpc357ntoc型号实现。
12.其进一步的技术方案为，四个电平比较器均基于lm239dr型号实现，输出钳位二极管基于1ss226型号实现。
13.其进一步的技术方案为，第一驱动芯片基于sn74lv07adr型号实现，第二驱动芯片基于74vhc541ft型号实现。
14.其进一步的技术方案为，电压基准芯片基于utctl431k型号实现。
15.其进一步的技术方案为，mcu基于r5f562t7ddfm型号实现。
16.本实用新型的有益技术效果是：
17.本技术设计的安全转矩关闭电路，通过采集第一第二安全信号、第一反馈信号和电源监测信号至mcu，由mcu监测安全转矩关闭电路的各个部分，进而实现sto功能；通过第二反馈信号、第二驱动芯片的使能端，实现硬件控制sto功能，即在电路故障时默认实现安全转矩关闭，保障操作人员及设备安全。
附图说明
18.图1是本技术提供的两路sto输入电路。
19.图2是本技术提供的两路sto电源电路。
20.图3是本技术提供的sto电源监控电路。
21.图4是本技术提供的输出转矩控制电路。
22.图5是本技术提供的第一驱动芯片的供电电路。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。
24.一种基于变频器的安全转矩关闭电路，包括mcu、两路sto电源电路、两路sto输入电路、sto电源监控电路和输出转矩控制电路。一路sto电源电路连接一路sto输入电路的电源端用于供电，两路sto输入电路的输入端连接外部设备，第一sto输入电路的输出端连接输出转矩控制电路的第一使能端，第二sto输入电路的输出端连接输出转矩控制电路的供电控制端，两路sto输入电路的输出端还连接mcu；输出转矩控制电路的输入端连接mcu、接收pwm信号，输出转矩控制电路的第一输出端组连接驱动设备，输出转矩控制电路的第二输出端和得电端输出反馈信号给mcu；两路sto电源电路的输出端连接sto电源监控电路的输入端，sto电源监控电路的输出端连接mcu。可选的，mcu基于r5f562t7ddfm型号实现。下面分别介绍各个电路的工作原理。
25.如图1所示，两路sto输入电路的电路结构相同，其中第一sto输入电路包括光耦pc1、三个电阻r1-r3和第一电容c1，当安全转矩关闭电路接收到外部设备输出的外部信号sto1、sto2时，光耦pc1、pc2导通，第一安全信号safe1、第二安全信号safe2为低电平，则mcu输出六路pwm信号至输出转矩控制电路，实现安全转矩关闭功能。可选的，外部设备可以是开关或报警器；光耦pc1、pc2均基于kpc357ntoc型号实现。
26.如图2所示，两路sto电源电路的电路结构相同，第一sto电源电路包括电压基准芯片ic2、多个电阻和电容，第一sto电源电路的输出端vs1输出5v电源给光耦pc1供电，其中电压基准芯片ic2基于utctl431k型号实现，通过第二十电阻r20和第二十一电阻r21的分压调整，可实现
±
0.4％输出误差。
27.如图3所示，sto电源监控电路包括四个电平比较器ic1a-d、多个电阻和输出钳位二极管d3，由电路结构可知，第一电平比较器ic1a和第三电平比较器ic1c的反相输入端电压v1＝[15v
×
4.64/(11+4.64)]≈4.45v，第二电平比较器ic1b和第四电平比较器ic1d的同相输入端电压v2＝[15v
×
4.64/(4.64+8.06)]≈5.48v。利用四个电平比较器ic1a-d分别将外接电源15v与第一电源vs1、第二电源vs2比较，实现电源监控目的，sto电源监控电路输出的电源监测信号svdet的电平如表1所示，即仅当第一电源vs1、第二电源vs2均在4.45v～
5.48v时，电源监测信号svdet输出为高，否则svdet输出为低，变频器报sto电源故障，mcu停止pwm信号输出，实现安全转矩关闭功能。可选的，四个电平比较器ic1a-d均基于lm239dr型号实现，输出钳位二极管d3基于1ss226型号实现。
[0028]
表1 ic1输出真值表
[0029]
电平比较器输出高电平输出低电平ic1avs1＞4.45vvs1＜4.45vic1bvs1＜5.48vvs1＞5.48vic1cvs2＞4.45vvs2＜4.45vic1dvs2＜5.48vvs2＞5.48v
[0030]
如图4所示，输出转矩控制电路包括第一驱动芯片ic4和第二驱动芯片ic5，其中第一驱动芯片ic4的供电电路如图5所示，由pnp三极管q6控制，q6的基极连接光耦pc2输出的第二安全信号safe2，即光耦pc2导通时，safe2为低电平，则第一驱动芯片ic4的得电端输出第二反馈信号sf2为高电平，第一驱动芯片ic4得电工作，通过硬件实现安全转矩关闭功能。
[0031]
第二驱动芯片ic5仅在片选脚第一、第二使能端oe1、oe2同时为低时，方能导通输出驱动信号。其中oe1为mcu正常run机后发出低电平，oe2为光耦pc1输出的第一安全信号safe1，即ic5通过以上两个片选脚，亦可通过硬件实现安全转矩关闭功能。
[0032]
同时，当两路sto输入电路输出的safe1、safe2为低电平，第一驱动芯片ic4输出sf2为高电平，第二驱动芯片ic5正常输出第一反馈信号sf1为高电平，则mcu正常输出pwm信号波，否者报错。
[0033]
可选的，第一驱动芯片基于sn74lv07adr型号实现，第二驱动芯片基于74vhc541ft型号实现。
[0034]
表2示出了安全转矩关闭电路的各个信号的真值表，sto真值表中为此电路中使用的输入输出信号及输出转矩情况。
[0035]
表2 sto信号真值表
[0036][0037]
由真值表2可以看出，此电路中包含safe1、safe2、sf1、svdet四路mcu关断，sf2、oe1、oe2三路硬件关断，且mcu异常、光耦供电电压异常、光耦故障等异常都可以关断转矩输出并显示出报警内容方便现场工作人员排查故障。因此，基于变频器的安全转矩关闭电路可在各种异常情况下来切断转矩输出并报警显示异常，此电路不仅可以用在变频器，同样
可以运用在伺服等电机驱动装置上，具有良好的应用前景和适用性。
[0038]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。