基于MCU的安全扭矩關(guān)斷模塊設(shè)計(jì)

陳小全，周 婷

(上海辰竹儀表有限公司，上海 201612)

0 引言

傳統(tǒng)設(shè)備停機(jī)是利用急停按鈕，直接切斷電源。從系統(tǒng)集成的角度來(lái)看，傳統(tǒng)設(shè)備停機(jī)若需要達(dá)到更高安全等級(jí)cat.3/cat.4，往往需要在急?；芈分惺褂冒踩^電器、安全接觸器開(kāi)關(guān)等器件。從急停功能上看，直接切斷驅(qū)動(dòng)器的電源，往往并不能快速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器的電流輸出和電機(jī)的扭矩輸出。因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的母線(xiàn)會(huì)儲(chǔ)存一定的能量，在驅(qū)動(dòng)器主電源斷開(kāi)后，一部分母線(xiàn)的殘余能量仍然可以讓驅(qū)動(dòng)器再運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間(時(shí)間長(zhǎng)短取決于系統(tǒng)容量)，直到直流母線(xiàn)電壓過(guò)低為止。所以，直接切斷驅(qū)動(dòng)器電源的方式其實(shí)并不能確保設(shè)備停機(jī)性能的一致性。

安全扭矩關(guān)斷(safe torque off,STO)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)的“設(shè)備停機(jī)”方式。首先，在達(dá)到更高的安全等級(jí)的情況下，它并不需要額外的開(kāi)關(guān)器件。其次，它是直接切斷驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電流回路，比切斷驅(qū)動(dòng)器的電源更為直接、快捷，可以做到在STO 觸發(fā)的瞬間立即切斷電機(jī)電源，使其失去扭矩輸出。所以，從安全功能的角度看，這樣的安全停車(chē)性能更可靠。

STO功能目前多集成在變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)單元的內(nèi)部。國(guó)外主流變頻器是作為標(biāo)配集成在內(nèi)部，用戶(hù)可以很方便地使用該功能。國(guó)內(nèi)變頻器廠(chǎng)商中的絕大部分沒(méi)有集成該功能，主要原因有以下方面。

①STO是集成驅(qū)動(dòng)安全的一種，往往集成在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，需要進(jìn)行相關(guān)的安全認(rèn)證，國(guó)內(nèi)這方面的研究甚少。

②STO雖然給系統(tǒng)集成方面帶來(lái)了不少優(yōu)勢(shì)、降低了最終用戶(hù)的成本，但對(duì)于驅(qū)動(dòng)器廠(chǎng)家而言，卻增加了開(kāi)發(fā)成本和硬件成本。

③從安全的角度來(lái)看，傳統(tǒng)設(shè)備停機(jī)方式目前仍然是國(guó)內(nèi)主流。

但對(duì)于系統(tǒng)集成商而言，其更需要具有STO功能的變頻器，以降低最終用戶(hù)的成本。因此，從趨勢(shì)上來(lái)說(shuō)，變頻器廠(chǎng)家在不久的未來(lái)，需要內(nèi)部集成STO,并且取得相關(guān)安全認(rèn)證，從而滿(mǎn)足最終用戶(hù)降低成本、保證安全的需求。

STO是集成驅(qū)動(dòng)安全常見(jiàn)安全功能的一種，因此設(shè)計(jì)需要依據(jù)功能安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)有：IEC 618000-5-2、IEC 62061、ISO 13849[1]、IEC 61508[2]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在變頻器內(nèi)部集成STO功能，需要定義變頻器接口和用戶(hù)接口。變頻器接口用于連接原變頻器內(nèi)部電路，為STO模塊提供電源接口、控制接口，切斷PWM回路起到關(guān)停電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。用戶(hù)接口則是用于響應(yīng)用戶(hù)的操作。

STO模塊應(yīng)用架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 STO模塊應(yīng)用架構(gòu)圖

STO的接口定義如表1所示。圖1和表1可以更清楚地顯示出STO模塊與變頻器的內(nèi)部連接關(guān)系，以及電壓等級(jí)。

表1 STO接口定義

2 硬件設(shè)計(jì)

STO模塊開(kāi)發(fā)主要依據(jù)《IEC 61800-5-2 調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第5-2部分 安全要求 功能》，符合功能安全相關(guān)產(chǎn)品的要求。相關(guān)設(shè)計(jì)需要依據(jù)功能安全產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求。在本設(shè)計(jì)中，STO的安全等級(jí)為SIL3,Cat4,PLe。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需至少采用雙通道的架構(gòu)，硬件故障裕度>1，且故障累積不能導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生(即電路能夠耐受2個(gè)或2個(gè)以上的故障)[3-4]。

STO模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 STO模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，硬件電路主要由4個(gè)部分組成：輸入部分、輸出部分、輸入電源處理部分和輸出電源處理部分。在變頻器故障條件下，可能會(huì)引入強(qiáng)電，導(dǎo)致人身傷害。因此，輸入和輸出部分應(yīng)進(jìn)行可靠隔離。隔離方式既可采用光耦隔離，也可采用其他種類(lèi)，如磁隔離或電容隔離等。從圖2可以明顯看出：輸入部分有兩個(gè)輸入，采用1oo2d的結(jié)構(gòu)，硬件故障裕度為1；輸出部分有3個(gè)安全輸出，采用1oo3d的結(jié)構(gòu)，硬件故障裕度為2。輸入輸出電源處理電路采用單通道架構(gòu)，但該部分電路能夠耐受兩個(gè)故障的組合。

2．1 輸入/輸出電源電路

輸入輸出電源電路設(shè)計(jì)從兩個(gè)角度考慮：①滿(mǎn)足不同模塊的供電；②單通道設(shè)計(jì)，且能夠耐受兩個(gè)故障的組合。電源電路需要考慮的故障有：過(guò)電壓、欠壓、過(guò)流、開(kāi)路、短路。

輸入電源電路如圖3所示。

圖3 輸入電源電路

電源的過(guò)電壓處理通過(guò)壓敏電阻和瞬態(tài)二極管(transient voltage suppressor,TVS)的組合實(shí)現(xiàn)，過(guò)流則通過(guò)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)；開(kāi)路和短路故障利用fail-safe技術(shù)實(shí)現(xiàn)。過(guò)壓故障：輸入輸出電源電路均采用壓敏電阻和TVS管組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。欠壓故障：輸入電路采用穩(wěn)壓管進(jìn)行監(jiān)控，輸出電源電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)監(jiān)控的方式對(duì)欠壓進(jìn)行監(jiān)控。

輸出電源電路和輸入電源電路類(lèi)似，增加低壓差穩(wěn)壓器芯片將12 V電源轉(zhuǎn)化為3.3 V，用于單片機(jī)(micro controller unit,MCU)及光耦電路的供電，并利用電阻分壓將12 V電源與MCU的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。

2．2 輸入電路

輸入電路從功能上可以分為輸入驅(qū)動(dòng)電路和輸入采樣電路。輸入驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生兩個(gè)不同的周期性脈沖電平T1、T2。輸入采樣電路對(duì)這兩個(gè)脈沖波形進(jìn)行識(shí)別判定。當(dāng)輸入發(fā)生短路時(shí)，進(jìn)入脈沖電路會(huì)疊加，產(chǎn)生不同于T1、T2的脈沖，進(jìn)而被單片機(jī)(single-chip microcomputer,MCU)識(shí)別，判斷出短路故障[5]。對(duì)于一路輸入而言，輸入采樣電路有兩路：一路進(jìn)入MCU，一路進(jìn)入安全輸出。兩路電路在原理上一致，但參數(shù)不一致。進(jìn)入安全輸出的通道需要加強(qiáng)濾波，要將T1、T2的低電平脈沖濾除，保證安全輸出是一個(gè)穩(wěn)定的高電平。進(jìn)入MCU的通道，需保證T1、T2的波形能夠被完整地傳輸。輸入電路如圖4所示。

圖4 輸入電路

2．3 安全輸出電路

安全輸出分為三路：H-CTRL、L-CTRL、Logic-PWR。

H-CTRL安全輸出電路如圖5所示。H-CTRL、L-CTRL安全輸出電路設(shè)計(jì)相同，當(dāng)光耦有輸入時(shí)，輸出啟動(dòng)。H-CTRL、L-CTRL的輸出通過(guò)ADC采樣的方式反饋至MCU。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，MCU可以診斷該故障，并切斷其他安全輸出通道，進(jìn)入安全狀態(tài)。

Logic-PWR安全輸出電路如圖6所示。由圖6可知，Logic-PWR安全輸出電路由看門(mén)狗電路及MCU共同控制。當(dāng)H-CTRL/L-CTRL發(fā)生短路故障時(shí)，可以安全切斷該輸出，進(jìn)入安全狀態(tài)。

圖5 H-CTRL安全輸出電路

圖6 Logic-PWR安全輸出電路

2．4 MCU及周邊電路

MCU主要實(shí)現(xiàn)以下功能：輸入驅(qū)動(dòng)回路的波形設(shè)計(jì)、輸入采樣、Logic-PWR安全輸出、STO-status輔助輸出的控制、電源電壓的過(guò)壓欠壓診斷。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件[6-9]分為驅(qū)動(dòng)層、診斷層、應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層的工作主要是對(duì)MCU的時(shí)鐘、直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)(direct memory access,DMA)、ADC、I/O、FLASH、中斷進(jìn)行初始化，并作簡(jiǎn)單的控制設(shè)置。驅(qū)動(dòng)層的的代碼設(shè)計(jì)可以參考MCU廠(chǎng)家提供的代碼。診斷層的主要工作是對(duì)驅(qū)動(dòng)層的代碼進(jìn)行診斷，如I/O、ADC、FLASH的操作是否正確。應(yīng)用層主要是根據(jù)STO的輸入輸出邏輯關(guān)系，進(jìn)行必要的外圍診斷，如電源過(guò)壓、欠壓診斷、輸入通道診斷。軟件流程如圖7所示。

圖7中，驅(qū)動(dòng)層的開(kāi)發(fā)內(nèi)容有：MCU初始化、參數(shù)設(shè)置以及MCU外設(shè)的簡(jiǎn)單控制。診斷層的開(kāi)發(fā)內(nèi)容為MCU底層診斷。需要注意的是，在每個(gè)周期內(nèi)，均需要對(duì)MCU底層進(jìn)行診斷，以滿(mǎn)足功能安全高模式運(yùn)行的需求。應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)內(nèi)容包括輸入采樣、輸出控制、應(yīng)用診斷、RAM比較、程序序列診斷。其中：應(yīng)用診斷是根據(jù)客戶(hù)的診斷需求，以及STO本身的應(yīng)用診斷特性而設(shè)計(jì)的。

圖7 軟件流程圖

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

安全扭矩關(guān)斷模塊并不能直接單獨(dú)使用，需集成到伺服驅(qū)動(dòng)，從而使變頻器內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)完整的產(chǎn)品。因此，對(duì)STO模塊的驗(yàn)證不僅需要功能安全相關(guān)的分析、測(cè)試(如失效模式和影響分析、故障插入測(cè)試等)，還要根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行功能、環(huán)境、電磁兼容、振動(dòng)等方面的測(cè)試驗(yàn)證。安全扭矩關(guān)斷功能相關(guān)性能指標(biāo)，并不是STO模塊的性能指標(biāo)，而是需要根據(jù)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)的整體情況給出[10]。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)功能安全以及驅(qū)動(dòng)安全技術(shù)的深入研究，提供了一種基于MCU的安全扭矩模塊設(shè)計(jì)方案[11]。輸入采用1oo2d，輸出采用的安全架構(gòu)。輸出采用3路安全輸出、1路輔助輸出，并借助軟件對(duì)硬件進(jìn)行診斷，提高了STO的安全性能；借助于軟件輔助輸出，可以編程為多種輸出方式，更適合變頻器的應(yīng)用。該安全扭矩關(guān)斷模塊和變頻器內(nèi)部接口定義明確，可以很輕松地集成到變頻器內(nèi)部，為廣大變頻器廠(chǎng)家提供了低廉、可靠的解決方案。