一种STO控制和驱动电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种STO控制和驱动电路。

背景技术

近年来，为防止电机非受控启动而导致意外，人们针对变频器、伺服电机驱动器等产品提出了功能安全的相关要求。其中安全转矩关断(Safe Torque Off,STO)就是这样一种安全功能，通过失效驱动器的输出来关断电机的转矩输出，安全转矩关断功能使得电机停止产生转矩，使变频器、伺服电机驱动器成为安全系统的一部分。早期，关断电机的转矩输出通过接触器等开关实现，该方式的弊端在此不做赘述。

目前采用较多的是如电路图一所示电路实现，通过采集STO信号去实现逻辑信号的封波。该封波信号是封锁逻辑信号而非直接关断IGBT开关管本身，该电路看起来好像比通过软件实现关断转矩更可靠快速，但是逻辑电路的关断电机转矩不直接、不独立，所以不可靠，也满足不了IEC61800-5-2的要求。

本发明公开了一个直接作用在IGBT端的STO控制和驱动电路，该STO控制和驱动电路可独立工作而不受限于原系统固有的复杂控制和驱动电路而实现关断电机转矩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种最直接有效的STO控制和驱动电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种STO控制和驱动电路，包括外部STO电路输入、STO封波逻辑信号滤波及整形电路、STO逻辑信号放大电路、STO驱动信号产生电路和STO失效备份电路；

所述外部STO电路输入用于采集STO信号，并确定是否实现关断电机转矩，

所述STO封波逻辑信号滤波及整形电路用于接受STO信号，并产生STO有效逻辑信号；

所述STO逻辑信号放大电路用于将逻辑信号放大；

所述STO驱动信号产生电路用于关断IGBT，实现关断电机转矩；

所述STO失效备份电路用于在不希望电机响应STO信号时失效STO的备份电路。

本发明的进一步改进在于：所述外部STO电路输入包括第一光耦、第一限流分压电阻、第二限流分压电阻和第一滤波电容；

所述STO封波逻辑信号滤波及整形电路包括第三电阻、第四电阻和第二电容组成的RC滤波电路，第一非门与第二非门组成的整形电路；

所述STO逻辑信号放大电路包括第二极管、第三极管、第八分压电阻、第九分压电阻和第四滤波电容；

所述STO驱动信号产生电路包括第二光耦及第二光耦原边的第十限流分压电阻、第十一限流分压电阻、第五滤波电容和第二光耦副边用于增加驱动能力的第三三极管、第十二限流分压电阻和第十三限流分压电阻；

所述STO失效备份电路包括第一三极管、第六限流分压电阻、第七限流分压电阻和第三滤波电容。

本发明的进一步改进在于：所述STO封波逻辑信号滤波及整形电路还包括为配合STO失效备份电路增加的第五限流电阻。

本发明的进一步改进在于：通过所述第一光耦通过采集STO信号，确定是否实现关断电机转矩，关断电机转矩信号有效后，通过所述第一光耦的后级RC电路滤波及逻辑门整形电路后产生STO有效的逻辑信号，该逻辑信号一个支路送入CPU和前级逆变桥驱动信号的逻辑控制电路实现硬件封波和软件封波；另一个支路经过第二三级管放大后实现对第二光耦的控制，当所述第二光耦的原边导通时，所述第二光耦的副边也导通，导通后第二光耦的副边再驱动所述第三三极管导通，实现对IGBT的直接关断，其中增加一级可失效STO的外部DISABLE信号输入，来控制第二三极管，用于在不希望电机响应STO信号时失效STO的备份电路。

本发明的技术效果和优点：

最直接有效地实现了关断转矩输出，该电路独立工作而不受限于原系统固有的复杂控制和驱动电路，在需要及时关断电机转矩输出时，能及时有效的关断电机转矩。

附图说明

图1为传统的STO电路图；

图2为本发明一种直接有效的STO控制和驱动电路的第一实施例的电路图；(注:封锁单个IGBT开关管)；

图3为本发明一种直接有效的STO控制和驱动电路的第二实施例的电路图；(注:封锁逆变桥六个IGBT开关管)；

图4为本发明的具体工作过程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图二所示，是本发明一种最直接有效的STO控制和驱动电路的第一实施例电路图。外部STO电路输入，STO封波逻辑信号滤波及整形电路，STO逻辑信号放大电路，STO驱动信号产生电路和STO失效备份电路。外部STO电路输入包括第一光耦、第一、第二限流分压电阻和第一滤波电容。STO封波逻辑信号滤波及整形电路包括第三、第四电阻和第二电容组成的RC滤波电路和第一非门，第二非门组成的整形电路，还包括为配合STO失效备份电路增加的第五限流电阻。STO逻辑信号放大电路包括第二三极管及其第八、第九分压电阻和第四滤波电容，STO驱动信号产生电路包括第二光耦及第二光耦原边的第十、第十一限流分压电阻、第五滤波电容和第二光耦副边用于增加驱动能力的第三三极管及其第十二、第十三限流分压电阻。STO失效备份电路包括第一三极管及其第六、第七限流分压电阻和第三滤波电容。

正常即STO为高电平时，第一光耦采集无效的STO信号即高电平信号，第一光耦的原边导通，对应第一光耦的副边也导通，该导通信号对应的低电平信号经后级RC电路滤波及逻辑门电路整形后产生的STO_LOCK_PWM低电平信号，该低电平信号无法驱动后级第二三级管导通而无法使得第二光耦的原边导通，第二光耦的原边无法导通对应的第二光耦副边也无法导通，第二光耦的副边无法导通对应的第三三极管也同样无法导通，高阻状态的第三三极管无法改变IGBT开关管固有的导通与关断状态，对应IGBT开关管正常受控于整机内部控制逻辑和驱动。异常时即STO为低电平或高阻态时，第一光耦采集有效的STO信号即低电平或高阻态，第一光耦的原边关断，对应第一光耦的副边也关断，此时第一光耦的副边信号被上拉电阻第四电阻拉成高电平信号，该高电平经过后级RC电路滤波及逻辑门电路整形后产生的STO_LOCK_PWM高电平信号，该高电平信号驱动后级第二三级管导通，导通后的第二三极管再驱动第二光耦的原边导通，第二光耦的原边导通时对应第二光耦的副边也导通，第二光耦副边的导通使得第三三极管也被驱动导通，导通后的第三三极管把IGBT开关管的门级拉到负电压，对应IGBT开关管关断。其中增加一级可失效STO的外部DISABLE信号输入，来控制第二三极管，用于在不希望电机响应STO信号时失效STO的备份电路。

如图三所示，是本发明一种最直接有效的STO控制和驱动电路的第二实施例电路图。外部STO电路输入，STO封波逻辑信号滤波及整形电路，STO逻辑信号放大电路，上桥U相STO驱动信号产生电路，上桥V相STO驱动信号产生电路,上桥W相STO驱动信号产生电路,下三桥XYZ相STO驱动信号产生电路和STO失效备份电路。外部STO电路输入包括第一光耦、第一、第二限流分压电阻和第一滤波电容。STO封波逻辑信号滤波及整形电路包括第三、第四电阻和第二电容组成的RC滤波电路和第一非门，第二非门组成的整形电路，还包括为配合STO失效备份电路增加的第五限流电阻。STO逻辑信号放大电路包括第二三极管及其第八、第九分压电阻和第四滤波电容。上桥U相STO驱动信号产生电路包括第二光耦及第二光耦原边第十、第十一限流分压电阻、第五滤波电容和第二光耦副边用于增加驱动能力的第三三极管及其第十二、第十三限流分压电阻。上桥V相STO驱动信号产生电路包括第三光耦及第三光耦原边第十四、第十五限流分压电阻、第六滤波电容和第三光耦副边用于增加驱动能力的第四三极管及其第十六、第十七限流分压电阻。上桥W相STO驱动信号产生电路包括第四光耦及第四光耦原边第十八、第十九限流分压电阻、第七滤波电容和第四光耦副边用于增加驱动能力的第五三极管及其第二十、第二十一限流分压电阻。下三桥XYZ相STO驱动信号产生电路包括第五光耦及第五光耦原边第二十二、第二十三限流分压电阻、第八滤波电容和第五光耦副边用于增加驱动能力的第六三极管及其第二十四、第二十五限流分压电阻和阻断用第一、第二、第三二极管。STO失效备份电路包括第一三极管及其第六、第七限流分压电阻和第三滤波电容。

本实施例的电路工作原理说明如下：正常时即STO为高电平，第一光耦采集无效的STO信号即高电平信号，第一光耦的原边导通，对应第一光耦的副边也导通，该导通信号对应的低电平信号经过后级RC电路滤波及逻辑门电路整形后产生的STO_LOCK_PWM信号为低电平信号，该低电平信号无法驱动后级第二三级管导通而无法使得第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的原边导通，第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的原边无法导通时对应第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的副边也无法导通，第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的副边无法导通对应的第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管也无法导通，高阻状态的第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管无法改变上桥U相、上桥V相、上桥W相、下三桥XYZ相IGBT开关管固有的导通和关断状态，对应IGBT开关管正常受控于整机内部控制逻辑和驱动。异常时即STO为低电平或高阻态时，第一光耦采集有效的STO信号即低电平或高阻态，第一光耦的原边关断，对应第一光耦的副边也关断，此时光耦副边信号被上拉电阻第四电阻拉成高电平信号，该高电平经过后级RC电路滤波及逻辑门电路整形后产生的STO_LOCK_PWM高电平信号，该高电平信号驱动后级第二三级管导通，导通后的第二三极管再驱动第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的原边导通，第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的原边导通时对应第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的副边也导通，第二光耦、第三光耦、第四光耦、第五光耦的副边导通对应的第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管也导通，导通后的第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管把上桥U相、上桥V相、上桥W相、下三桥XYZ相IGBT开关管的门级拉到负电压，对应IGBT开关管关断。其中增加一级可失效STO的外部DISABLE信号输入，来控制第二三极管，用于在不希望电机响应STO信号时失效STO的备份电路。

申请人又一声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的实现方法及装置结构，但本发明并不局限于上述实施方式，即不意味着本发明必须依赖上述方法及结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用实现方法等效替换及步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开的范围之内。

本发明并不限于上述实施方式，凡采用和本发明相似结构及其方法来实现本发明目的的所有方式，均在本发明的保护范围之内。