如何保持电机安全运行

介绍

电动机在电子系统中的使用已变得普遍。电机尺寸、控制和成本效率方面的创新使设计人员能够将电机添加到系 统中，从而创造新功能并扩展最终产品的功能。

随着电动机数量的急剧增加，对功率效率的担忧促使系统设计人员使用更高电压的电机并提高其设计的有效功率效率。在系统中使用高压电机也给设计人员带来了确保用户安全的挑战。

为了应对这些设计挑战，系统工程师利用了光耦合器和数字隔离器器件等解决方案，这些解决方案有助于将主数据路径的高压侧与低压部分隔离开来。隔离有助于确保任何杂散信号或故障不会意外打开电机电源或导致可能影响安全或损坏低压电路的意外电机驱动系统行为。虽然隔离主数据路径对于高压系统设计至关重要，但在实施安全解决方案时，通常较低电平的控制信号(不属于主数据路径的信号)会带来挑战。

有一些标准可以指导需要实施更安全的高压电机驱动解决方案的设计人员。一个例子是国际电工委员会(IEC)61800-5-2，它提供了有关可调速电力驱动系统功能安全要求的指南。从本质上讲，IEC 61800-5-2有助于定义实施方法，以便电机驱动系统的控制架构不会进入电机可能无意中打开或导致更高电压找到用户路径的状态。

该标准解决的新领域之一是安全转矩关闭(STO)，与实施安全高压电机驱动解决方案的挑战直接相关。IEC 61800-5-2 中所述的 STO 是一种防止向电机提供力产生功率的实施方法。如图1所示，在电机控制系统设计中应用STO时，伺服驱动功率级模块在主数据路径之外有许多互连点需要考虑。

图1：基于绝缘栅双极晶体管的伺服驱动功率级参考图

电机驱动系统设计人员可以利用许多设计中已经存在的简单逻辑器件来帮助在其系统中实现STO。德州仪器提供的许多逻辑器件都有关闭电路，有助于防止断电时通过器件的电流回流损坏。因为逻辑器件与I关闭断电时有隔离，可以使用I关闭在简单的逻辑和电平转换器件中具有功能，可在电机驱动应用中实现STO控制信号。图 2 显示了一个 STO 实现示例，其中紧急关闭开关触发 STO。

图2：简化的 STO 实现示例(未显示用于 /STO-A 和 /STO-B 的隔离式 24V 输入接收器)

在图2中，/STO-A有效信号从脉宽调制(PWM)缓冲器中移除电源，所有栅极驱动PWM输入均被驱动为低电平。栅极驱动器打开所有电源开关，从而消除电机的扭矩，如图3的时序图所示。

图3：/STO-A 紧急关断开关实现的时序图

/STO-B 信号将关闭隔离电源，隔离电源为六个栅极驱动器中的每一个供电。在 /STO-A 的示例中，SN74LV07AI关闭-具有功能的六角缓冲器在确保电机保持关闭方面起着关键作用。六通道十六进制缓冲器的替代方法是使用六个单缓冲器/驱动器，例如SN74LVC1G07。

审核编辑：汤梓红