提供双通道功能安全性安全转矩关断功能的电机控制器
阅读说明：本技术 提供双通道功能安全性安全转矩关断功能的电机控制器 (Motor controller providing dual-channel functional safety and safe torque shutoff function ) 是由 佩尔·克努森 安斯加尔·尼耳森 亨里克·罗森达尔·安徒生 于 2021-03-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及在控制电机时提供双通道功能安全性(FS)安全转矩关断(STO)功能的电机控制器。该电机控制器包括：具有低侧开关和高侧开关的逆变器、与低侧开关连接的低侧栅极驱动器、与高侧开关连接的高侧栅极驱动器、与高侧栅极驱动器连接的第一功能安全性安全转矩关断电路和与低侧栅极驱动器连接的第二功能安全性安全转矩关断电路、以及非增强型高压隔离屏障。(The present invention relates to a motor controller providing a dual channel Function Safety (FS) Safe Torque Off (STO) function when controlling a motor. The motor controller includes: an inverter having a low side switch and a high side switch, a low side gate driver connected to the low side switch, a high side gate driver connected to the high side switch, a first functional safety torque shutdown circuit connected to the high side gate driver and a second functional safety torque shutdown circuit connected to the low side gate driver, and a non-enhanced high voltage isolation barrier.)
技术领域
本发明涉及在控制电机时提供双通道功能安全性(FS)安全转矩关断(STO)功能的电机控制器。
背景技术
电机控制器包括：具有低侧开关和高侧开关的逆变器、与低侧开关连接的低侧栅极驱动器、与高侧开关连接的高侧栅极驱动器、与高侧栅极驱动器连接的第一功能安全性安全转矩关断电路、与低侧栅极驱动器连接的第二功能安全性安全转矩关断电路、以及对随机故障具有硬件故障零容忍(HFT＝0)的非增强型高压隔离屏障，根据IEC 61800-5-2，不能够对所述随机故障进行故障排除，导致针对STO功能的可能的常见原因的问题。因此，根据IEC 61800-5-1，高压隔离屏障可以被考虑为功能隔离或基本隔离达到最大程度。
电机控制器还可以包括：控制电路和通过整流器和/或DC链路形成的主电路。逆变器级可以被设置用于向电机馈送转矩产生电流。它可以采用控制单元(CU)和电力单元(PU)部分。典型地，CU控制电路是根据IEC 61800-5-1的DVC A(界定电压等级A)电路，表示其是触摸安全的。PU的控制电路有时是根据IEC 61800-5-1的DVC C电路，表示其是触摸不安全的。典型地，控制电路参考是这种PU中的负DC链路导轨。在这种情况下，CU和PU可以经由增强型电流隔离接口(例如，通过采用光耦合器)通信。
作为根据IEC 61800-5-2的示例，用于得到用于电机控制器的双通道FS STO功能的已知方法是通过两个单独的FS STO电路独立地禁用或启用两电平逆变器(two-levelinverter)的低侧栅极驱动器和高侧栅极驱动器，而无需关断到主电路的电力。这种构思代表现有技术并且是本发明的起点。
当要求FS STO功能容忍单个故障(HFT＝1)时，分开的双通道结构是典型的，因为其简化了每个通道设计。在这种情况下，需要根据单个故障可以损坏两个通道的常见原因的故障来分析双通道结构。
根据IEC 61800-5-1，双通道FS STO电路的一部分可以是PU中的DVC-C电路，表示其典型地参考负DC链路导轨，无需与高压电路的增强型隔离。在PU中包括DVC-C参考控制电路的思想是为了简化硬件设计。为了遵守针对没有DVC-C参考的产品的总体需求而对电机控制器进行不同设计可能是不现实的。这可能产生常见原因的故障方面的挑战。作为示例，在根据IEC 61800-5-2的非增强设计或HFT＝0设计下不能够排除的高压隔离屏障故障可能由于漏电流或击穿电流压力而损坏FS-STO电路。
发明内容
如果显示电机控制器在FS电路损坏之前已经进入安全状态，则由隔离屏障的故障导致的损坏的FS电路可以被容忍。作为示例，电机控制器的安全状态是永久不工作的逆变器模块，防止电机控制器不考虑控制电路和FS STO电路的状态而向电机馈送转矩产生电流。n相逆变器模块应该具有最少n-1相不工作的支路，以实现这种安全状态。
具有DVC-C控制电路的电机控制器中的非增强高压隔离屏障的示例可以是逆变器模块内部的温度传感器、电流传感器、用于感测电压的电阻式分压器、或例如本领域中已知的用于根据低侧DC链路导轨参考来控制高侧逆变器开关的电平转换器栅极驱动器(level-shifter gate drive)IC。备选地，根据IEC 61800-5-1，高压隔离屏障通常可以仅仅是两个PCB轨道或两个电压节点之间的距离，在所述两个PCB轨道或两个电压节点之间不具有要求增强型间隙或爬电距离(creepage)的足够距离。备选地，高压隔离屏障可以是IEC 61800-5-1中定义的固体隔离器(solid isolator)，不能够满足所述标准中的所有需求。
考虑以上内容，对于本领域技术人员明显的解决方案将是寻找通过例如采用阻抗分离部(impedance separation)或增强型绝缘部来隔离FS STO电路以防止在隔离故障下的损坏的解决方案。备选地，明显的解决方案将是设计具有HFT＝1的高压隔离屏障。作为示例，用于测量用于逆变器模块的DC输入电压的电阻式分压器(高压隔离屏障)可以被设计有用于要求HFT＝1的两个串联耦合的高压电阻器，其中两个电阻器被设计为抵抗全电压以避免系统设计误差。这样的设计方法将是本领域技术人员的优选设计原则。已知上面的优选设计方法可能不总是实际可行的，本发明反复考虑这些默认方法，并且作为替代，将设计为在输出端处具有阻抗分离部的FS STO电路直接连接到非增强型隔离屏障电路，与此同时，经由低阻抗路径将非增强型隔离电路屏障连接到低侧开关的栅极驱动器。作为示例，在STO通道的输出端处的阻抗分离部可以是阻断二极管。
因此，本发明的目标是提供一种电机控制器，其可以在高压隔离屏障故障下在出现可能的FS电路损坏之前进入安全状态，以避免危害电机控制器的总体设计。
因此，本发明通过权利要求1中描述的控制器解决了为电机控制器提供功能安全性安全转矩关断功能的问题。在从属权利要求中描述了控制器的优选实施例。
本发明针对一种用于控制至少一个电机的电机控制器。该电机控制器包括：具有低侧开关和高侧开关的逆变器、与低侧开关连接的低侧栅极驱动器、与高侧开关连接的高侧栅极驱动器、与高侧栅极驱动器连接的第一功能安全性安全转矩关断电路、与低侧栅极驱动器连接的第二功能安全性安全转矩关断电路、以及非增强型高压隔离屏障或具有HFT＝0的高压隔离屏障。根据本发明，功能安全性安全转矩关断电路中的至少一个和低侧开关经由低阻抗路径连接到非增强型高压隔离屏障。因此，在隔离故障下的高能率(energyrate)可以从高压隔离屏障定向到功能安全性安全转矩关断电路中的至少一个和低侧开关，结果是至少破坏n相逆变器中的n-1个低侧逆变器开关，并且由此在由于高压隔离故障引起的功能安全性安全转矩关断功能的可能的危险损失之前实现安全状态。
本电机控制因此被设计为通过经由将过量的故障能量朝向低侧逆变器开关的栅极进行引导的低阻抗路径故意地损坏电机控制器或电机驱动器内部的组件中的一些组件，来实现在可能的危险的常见原因的故障下的安全状态。
因此，通过使电压升高到80V以上来永久地损坏栅极驱动器和/或开关设备自身的栅极，80V以上的电压将引起现有技术的IGBT开关设备的栅极由于击穿而出现故障，导致永久不工作的开关设备。通过设计STO通道的输出端处的阻抗分离部(例如，使用100V阻断二极管)以抵抗高于80V的电压，来确保选择性。因此，在STO通道出现故障以前，逆变器将永久损坏。
在本发明的优选实施例中，非增强型高压隔离屏障是逆变器内部的温度传感器、电流传感器、用于感测电压的电阻式分压器和/或电平转换器栅极驱动器集成电路(IC)或类似物。备选地，根据IEC61800-5-1，高压隔离屏障通常可以仅仅是两个PCB轨道或两个电压节点之间的距离，在所述两个PCB轨道或两个电压节点之间不具有要求增强型间隙或爬电距离的足够距离。备选地，高压隔离屏障可以是IEC 61800-5-1中定义的固体隔离器，不能够满足所述标准中的所有需求。非增强型高压隔离屏障可以与逆变器的输出端和/或由逆变器驱动的电机或电机控制器内部的任意其他高压节点连接。
在本发明的另一优选实施例中，至少一个功能安全性安全转矩关断电路的输出端经由DC/DC变换器连接到非增强型高压隔离屏障。变换器可以对由至少一个功能安全性安全转矩关断电路提供的输入进行转换，使得其可以被非增强型高压隔离屏障用于例如测量由电机控制器输出到由其驱动的电机的电流。
在本发明的另一优选实施例中，至少一个功能安全性安全转矩关断电路的输出端经由至少一个旁路二极管连接到非增强型高压隔离屏障。在本发明的特别优选的实施例中，设置三个旁路二极管，将一个旁路二极管用于用作本发明的示例的电流传感器的每个次级引脚，所述电流传感器是电流感测设备和高压隔离屏障两者，并且所述电流传感器表现出比对其进行馈电的STO通道的输出电压电平(15V)更低的电压额定值(例如，典型的单极型5V设备)，因此需要DC/DC变换器。要注意，在应用的电流传感器的电压额定值不是单极型5V设备、或其表现出不同数量的输出引脚的情况下，三个旁路二极管可能不是优选数量。总之，至少一个二极管可以被布置为使得其允许电流从非增强型高压隔离屏障流到功能安全性安全转矩关断电路。在使用多个二极管的情况下，所述二极管可以彼此平行地布置和/或可以均连接到非增强型高压隔离屏障的不同的低压引脚。
在本发明的另一优选实施例中，至少一个功能安全性安全转矩关断电路包括串联输出二极管或输出阻抗分离部，所述串联输出二极管或输出阻抗分离部表现出比低侧栅极驱动器和低侧开关的栅极更高的击穿电压。在本发明的特别优选的实施例中，串联输出二极管的额定值是80V或更大，并且总体上大于逆变器开关的栅极的击穿电平。这个实施例确保在非增强型高压隔离屏障的隔离故障下电机控制器在第二功能安全性安全转矩关断电路的任何可能的损坏之前进入安全状态，所述非增强型高压隔离屏障的隔离故障可能导致常见原因的效果，取决于负DC链路导轨参考控制电路和第二功能安全性安全转矩关断电路的布局原理。
在本发明的另一优选实施例中，非增强型高压隔离屏障(例如，电流传感器)经由阻抗模块连接到控制器，其中，在特别优选的实施例中，控制器被设置为：响应于从用作非增强型高压隔离屏障的电流传感器接收的电流感测信号，向逆变器的低侧栅极驱动器和高侧栅极驱动器发送PWM信号。控制器可以是微控制器。
附图说明
将参考图1描述本发明的另外的细节和优点，图1示出了电机控制器架构的示意图。
具体实施方式
在给定的示例中，高压隔离屏障是电流感测设备的一部分。可以给出许多其他示例，以显现本发明的背景。
电机控制器设计为控制至少一个电机。电机控制器可以设置在单个壳体中。由控制器控制的电机未在图1中示出，因为它通常是与电机控制器分开的组件。由控制器输出的针对电机的命令信号通过标记为“到电机的PWM电压”的箭头来指示。
电机控制器包括具有低侧开关12和高侧开关13的逆变器1。逆变器可以包括直流电压供应端–Udc和+Udc，其可以由AC/DC整流级(例如，二极管整流器，在图1中未示出)馈电。整流器级可以根据电机控制器的架构而被包括在电机控制器中或可以由外部源馈电。低侧栅极驱动器3连接到逆变器的低侧开关12，并且高侧栅极驱动器2连接到逆变器的高侧开关13。
第一功能安全性安全转矩关断电路4连接到高侧栅极驱动器2，并且第二功能安全性安全转矩关断电路5连接到逆变器1的低侧栅极驱动器3。功能安全性安全转矩关断电路4与栅极驱动器2之间和功能安全性安全转矩关断电路5与栅极驱动器3之间的电连接分别通过标记为“VstoA”和“VstoB”的箭头指示。
功能安全性安全转矩关断电路4、功能安全性安全转矩关断电路5两者形成针对电机控制器提供双通道功能安全性安全转矩关断功能的功能安全性电路6。电机控制器还包括非增强型高压隔离屏障9，其可以设置在逆变器1和由当前的电机控制器控制的电机之间。在给定的图1的示例中，高压隔离屏障是用于将感测电机控制器的输出电流作为主功能的电流传感器模块的次级集成功能。因此，用于电机的转矩产生电流经过电流传感器模块9，该电流传感器模块9产生输出引脚out与rec之间的隔离的电流感测信号。电流传感器模块经由STO B通道5和DC/DC变换器7在引脚Vs处通电。电流传感器可以是本领域中已知的采用各种形式的磁性霍尔传感器设备。
根据本发明，功能安全性安全转矩关断电路4、5中的至少一个以及逆变器1的低侧开关12经由低阻抗路径14连接到非增强型高压隔离屏障9。
功能安全性安全转矩关断电路4、5中的至少一个与非增强型高压隔离屏障9的连接还可以包括用于电流传感器的每个次级侧引脚的用于实现低阻抗路径的至少一个旁路二极管8，因为在给定的示例中电流传感器经由DC/DC变换器7进行馈电。优选地，在电机控制器中，与低侧栅极驱动器3连接的第二功能安全性安全转矩关断电路5根据电流传感器类型经由每个电流传感器的至少一个旁路二极管8，优选地经由每个电流传感器的三个旁路二极管8，来连接到非增强型高压隔离屏障9。至少一个二极管8可以被定向为使得其仅允许电流在从非增强型高压隔离屏障9到第二功能安全性安全转矩关断电路5的方向上流动。
功能安全性安全转矩关断电路4、5中的至少一个(特别是第二功能安全性安全转矩关断电路5)可以包括串联输出二极管15，该串联输出二极管15表现出比低侧栅极驱动器3和低侧开关12的栅极更高的击穿电压。串联输出二极管15的额定值可以是80V或更大。
非增强型高压隔离屏障9可以是逆变器1内部的温度传感器、电流传感器、用于感测电压的电阻式分压器和/或电平转换器栅极驱动器IC。备选地，根据IEC 61800-5-1，高压隔离屏障通常可以仅仅是两个PCB轨道或两个电压节点之间的距离，在所述两个PCB轨道或两个电压节点之间不具有要求增强型间隙或爬电距离的足够距离。备选地，高压隔离屏障可以是IEC 61800-5-1中定义的固体隔离器，不能够满足所述标准中的所有需求。非增强型高压隔离屏障可以与逆变器的输出端和/或由逆变器驱动的电机或电机控制器内部的任意其他高压节点连接。
逆变器1可以向非增强型高压隔离屏障9输出信号，所述信号然后被传递给由控制器控制的电机。
至少一个功能安全性安全转矩关断电路4、5的输出端可以经由DC/DC变换器7连接到非增强型高压隔离屏障9。
功能安全性安全转矩关断电路4、5之一的输出端，并且特别是第二功能安全性安全转矩关断电路5的输出端可以通过低阻抗路径14的至少部分平行的总共三个分支连接到低侧栅极驱动器3和非增强型高压隔离屏障9。
图1示出将电流传感器用作电机控制器的输出相上的非增强型高压隔离屏障9而无需相对于作为第一功能安全性安全转矩关断电路4的FS通道STO A 4和作为第二功能安全性安全转矩关断电路5的STO B 5的增强型绝缘的本发明的原理。这两个通道可以参考电机控制器的负DC链路导轨。
出于简化的原因，每个STO通道4、5被描绘为串联开关，该串联开关可以打开和闭合并且由此分别对低侧栅极驱动器3和高侧栅极驱动器2通电/断电。外部电源馈电STO通道4、5未在图1中示出。此外，STO通道4、5可以具有到控制器11的接口，该接口未在图1中示出。
电流传感器经由阻抗模块10连接到控制器11。控制器11可以是例如微控制器。阻抗模块10可以从非增强型高压隔离屏障9接收两个信号：参考信号和输出信号。控制器11响应于从阻抗模块10接收的信号而将PWM信号发送给逆变器1的低侧栅极驱动器3和高侧栅极驱动器2。
低侧栅极驱动器3和高侧栅极驱动器2可以分别由STO A 4通道和STO B 5通道馈电。每个低侧栅极驱动器3经由低阻抗路径14连接到STO B。
如果用作非增强型高压隔离屏障9的电流传感器的隔离出现故障，则安全状态原理指示该电流传感器异常地经由例如示出的DC/DC变换器7直接从STO B 5电路馈电。因此，通过例如针对电流传感器的低压引脚Vs、ref、out中的每一个应用旁路二极管8，所述低压引脚经由低阻抗路径14连接到STO B 5的输出端。
因此，如果在故障情况下电流传感器的低压引脚通过高电压通电，则这破坏性地反馈到所有的低侧栅极驱动器3和低侧开关12的栅极。同时，STO B 5供应部(supply)设计有输出串联二极管15，该输出串联二极管15表现出比低侧栅极驱动器3和低侧开关12的栅极更高的击穿电压。这确保在电流传感器的隔离故障下电机控制器在STO B 5通道的任何可能的损坏之前进入安全状态。这可以另外根据负DC链路导轨参考控制电路和STO B 5通道的布局原理而产生常见原因的效果。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的最差情况的击穿电压是80V，意味着STO B 5通道的串联输出二极管15的额定值应该是80V或更大。对于除了上面列出的隔离屏障以外的任何其他隔离屏障，可以应用类似的方法。在这些情况下，可以不需要DC/DC供应部。
本发明的主要目的是提供减小的尺寸和减少的制造成本的电机控制器，同时满足在安全转矩关断命令期间受控电机不转动(无移动)的需求。
安全转矩关断功能在高压隔离屏障故障的情况下受到保护，因为所述隔离屏障经由低阻抗路径连接到低侧逆变器开关和至少一个STO通道的输出端两者。这确保在所述隔离屏障故障下电机控制器在具有损坏的STO功能之前进入安全状态。
本发明不限于上述实施例之一，而是可以以许多方式进行修改。具体地，本发明可以包括三电平逆变器和/或n电平逆变器，在图1中未示出。在这种情况下，第二STO通道向低侧开关馈电，而第一通道可以向剩余的开关馈电。
由权利要求、说明书和附图产生的包括构造性细节、空间布置和过程步骤在内的所有特征和优点无论单独地还是以最广泛的组合形式对于本发明都是重要的。
附图标记
1 逆变器
2 高侧栅极驱动器
3 低侧栅极驱动器
4 第一功能安全性安全转矩关断电路/STO A
5 第二功能安全性安全转矩关断电路/STO B
7 DC/DC变换器
8 旁路二极管
9 非增强型高压隔离屏障
10 阻抗模块
11 控制器
12 低侧开关
13 高侧开关
14 低阻抗路径
15 串联输出二极管。
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