专利名称：用于永磁电动机驱动的安全联锁和保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在DC-AC (直流-交流)变频器电动机控制器中驱 动永磁电动机的安全联锁和保护电路，例如，驱动洗衣机的滚筒。根据本发 明的电路执行门锁功能，并且在当永磁电动机仍然运转时主电动机控制器发 生故障以及失控的情况下提供过压保护和电动机制动。
背景技术：
永磁电动机较感应电动机具有更高的功率密度和每安培转矩。感应电动 机过去通常用于洗衣机。永磁电动机用于更现代的洗衣机，并且己经成为如 洗衣机、以及包括空调和冰箱在内的节能电器的重要能源。永磁电动机通常通过以AC电源供电的DC-AC变频器电路驱动，即首 先将AC主电源转换为DC电压，该DC电压保持在DC总线中，且DC总 线电压之后被提供给变频器以转换为用于永磁电动机的每个相位的AC信 号，所述永磁电动机通常为三相。不同于感应电动机，永磁电动机需要额外 的安全电路和机械装置，特别在应用于具有以旋转模式运行的高速滚筒的洗 衣机时更是如此。微控制器和/或DSP (数字信号处理器)是用于控制变频器电源开关(通常为IGBT或者FET)，以便向永磁电动机提供期望电压的常见的控制器组 件。当控制器发生故障或失控时，传统的用于解决失控的电动机的问题的方 法是通过用于安全门锁和制动机械装置的独立的机械方法来实现的。此方法 由分立继电器、计时器和具有用于过压保护的功率晶体管的撬杆开关组成， 所述过压保护与机械制动协作运转。虽然此机械方法是可行的，但相当昂贵 和复杂，并且同样容易出现机械故障。如果发生控制器故障，永磁电动机会出现两种潜在的危险情况。 一种情 况为永磁电动机在惰行减速时高速旋转。在此情况下，如果洗衣机的门或盖 子被打幵，若人体试图接近旋转的滚筒，将会产生导致人身伤害的安全危险。 因此，必要的是，在电动机运转时，门或盖子必须被锁住，且如果发生控制 器故障，那么优选地，旋转速度必须尽快降至停止状态(制动)。另一种情况为，当控制器因为控制器故障而停止供给电动机电能时，永 磁电动机会在DC总线上产生过电压。这是由于电动机在顺畅运转时产生了 反电动势。当电动机在弱磁控制下工作以达到很高旋转运行时，所述电压可 以非常高。如果这时候发生故障，所产生的电压会相当高。所述电压与电动 机转速(w)和永磁体通过相对于线圈的运动产生的通量(O)的乘积成比 例关系。在弱磁模式下，如果控制器发生故障且无法控制电动机，那么当电 动机转速达到其运转模式转速决定的额定运转速度的三至四倍时，由于通量 弱化的损失，弱化的通量变为满额通量。如果在弱磁运行中发生这种控制器 故障的情况下不采取任何行动，那么对230伏AC均方根输入主电压，额定 值约为310伏DC的DC总线电压，将会达到大约1000伏(为额定DC总 线电压的三或四倍)。这样会导致系统中的电力设备和高压集成电路的损坏， 因为对于230伏AC均方根主输入，所述电力设备和高压集成电路的电压值 通常为600伏。DC总线电容器也会被损坏。 一旦在电力系统中发生损坏， 由于电路板上的任何电路也将可能被损坏或失效，从而将可能无法再提供安
全门锁/制动机械装置。因此，有必要1)在控制器出现故障的情况下防止这 种过压情况发生，2)迅速降低电动机和滚筒转速，以及3)提供安全联锁以 防止人体伤害。
发明内容
本发明不需要任何用于制动的机械组件或额外的电力设备来移除或耗 尽存储于旋转状态的电动机中的多余的动能。本发明提供一种通过单一或多 个集成电路，或通过分立或整体组件来实现的简单电路，该简单电路可以实 现上述所有目的。
根据本发明，提供一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供控制信号，该控制信号用于控制通过DC总线供电的直流到交流变频器并 驱动永磁电动机，所述电路包含第一电路，所述第一电路用于监视DC总线 电压，并在DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情 况下，用于产生信号至控制器，以便为变频器提供开关状态，从而使所述反 电动势在永磁电动机的电动机电路电阻中由变频器的开关状态提供的短路 情况而被充分地耗尽，由此，防止变频器的DC总线电压超过第一阈值，并 导致永磁电动机转速降低。
根据本发明另外的方面，当所述DC总线电压被降低至第二阈值以下时， 产生短路情况的所述开关状态被移除。如果所述DC总线电压再次升高到超 过第一阈值，那么产生短路情况的开关状态将再次被恢复，并重复多次直至 将电动机转速降低至基本值。所述第一电路还产生联锁信号，例如，门锁信 号，以防止接近所述电动机驱动组件。监视反电动势电动机相电压的第二电 路用以防止联锁信号在达到停止状态前被移除。本发明的其他目的、特点和优点将从以下的详细描述中变得显而易见。
下面将参考附图对本发明做更加详细的描述，其中图1显示了在控制器故障期间的波形；图2显示了在弱磁运行下的转矩速度的曲线示意图；图3显示了本发明的过压保护、自动制动和安全门锁电路的结构/示意图；图4显示了如何通过使用零向量达到永磁电动机制动和短路保护；图5显示了用于基于洗衣机的永磁电动机的安全门锁的电路的具体情况；图6显示了惰行减速时永磁电动机的相电压；以及图7显示了在图5中点A处的永磁电动机的线电压求和后的电压。
具体实施方式
现在参考附图，图1显示了如果控制器在旋转模式下的电动机的弱磁运 行期间发生故障所出现的最危险情况的状态。所示的运行模式处于具有永磁 电动机深弱磁运行状态的高速旋转模式。在所示情况下，当进行到旋转模式 的最后时刻，转速达到旋转模式的最高值，并且弱磁运行处于最深区域时， 所述控制器发生故障。所述故障由图1的顶部图(图1A)中的星形显示。 图2显示了电动机扭矩转速曲线图。如图2所示，故障点靠近高速旋转运行 的末端，如示例所示，接近每分钟8800转。图3显示了驱动变频器I的控制器C电路的一部分，众所周知，所述变 频器包括含有绝缘栅双极晶体管(IGBT)的三个半桥。施加到控制器C的 控制信号通过微处理器或数字信号处理器(DSP)提供，提供信号HIN1、 LIN1、 HIN2、 LIN2禾卩HIN3、 LIN3，在图中未示出。所述信号被提供给驱 动器级D、停滞时间电路DT (以确保高边和低边开关不同时导通)，并且之后所述信号被提供给零向量插入电路24。高边控制信号被水平移动(25)， 并被提供给高边驱动器HS。所述低边信号被提供给低边控制器LS。来自驱 动器HS和LS的信号被提供给栅极驱动电路10，且之后到达各自的IGBT 栅极。如所示，处理器可以经由栅极G提供制动请求信号。然而，如下所述， 如果处理器发生故障，那么制动请求信号22同样可以通过包括比较器20的 电路被命令。当控制器发生故障时，通常所有用于栅极驱动电路IO，如高压栅极驱动 器IC10的栅极信号均不出现。电动机基本上惰行。如果处于运行的弱磁模 式下，那么所述电动机和滚筒高速旋转，例如，转速为每分钟6000至9000 转。DC总线电压V立即开始显现比额定电压更高的电压，例如，在末端的 前期，当采用230伏AC均方根主输入和二极管整流电路时，DC总线电压 升至310伏。这是由于电动机产生了反电动势。根据本发明，所述DC总线 电压一旦达到最高允许电压，例如此例中为430伏，那么所述栅极驱动电路 10就自动地将开关状态提供给IGBT变频器，所述开关状态将使电动机线圈、 即零向量短路。这是通过具有跨接于DC总线的感测电路的第一电路完成的， 例如，配置为跨接于DC总线的电阻分压器RA。当DC总线电压超过由参 考21确定的阈值时，比较器20进行感测，并在线路22上提供信号给维持 零向量的零向量注入电路24。所述零向量电压插入可以为当所有高边IGBT 关闭时响应于图3中的所有低电平引脚IGBT的导通状态的OOO状态，或为 当所有低边IGBT关闭时响应于所有高边IGBT的导通状态的111状态，或 者在预定的周期循环内的OOO和111向量的结合。作为选择地，可以只导通 部分的IGBT，但优选为导通所有顶部或所有底部的开关，从而使所有电动 机相位均被短路。此时，信号22也启动图3中的RS触发器闭锁30以设置 如图3中示为"安全锁"的门联锁信号，从而将门锁住并且防止接近旋转滚筒。
如实施例所示，零向量保护由控制器故障(所有栅极驱动器输入等于零) 和DC总线上的过压的结合来触发。在这种情况下，所有输入到栅极G的输 入都将是低的，从而触发制动请求信号。仅当发生控制器故障时，DC总线 上的过压不能通过控制器自身进行处理。因此在这种情况下，所有输入到栅极G的输入都是低的，从而触发制动请求信号。一旦零向量栅极信号模式被提供给IGBT变频器，那么永磁电动机通过 IGBT被短路，并且短路电流在如图4所示的短路定子线圈内流动。由电动 机产生的反电动势在图4中由wO表示。因此，储存于电动机中的动能主要 通过定子电阻Rs消耗，因此，对于额定总线电压来说，DC总线电压减小， 在此例中所述DC总线电压大约为310伏DC。当DC总线电压达到所述的 360伏的第二阈值电压时，所述第二阈值电压可以通过比较器20中的迟滞现 象来设置，那么之后零向量的注入停止，并且提供给每一个IGBT的所有的 栅极驱动信号被关闭。 一旦关闭所有的IGBT，仍然在低速旋转的永磁电动 机开始再次增大DC总线电压，并且如果DC总线电压再次达到第一阈值， 例如430伏，那么此时电路将再次插入零向量。这种零向量的插入和脱离将 不断重复，直至电动机转速低于基本转速，在此例中为低于每分钟3100转。所述电动机转速由第二电路40监视，所述第二电路40在电动机惰行减 速时监视电动机相电压。当处于基本转速时，由于反电动势电压低于额定 DC总线电压，所述电动机不再在DC总线上产生过压。因此，零向量的注 入将不再必需低于基本转速，并且将不再执行零电压的注入。所述电动机将 通过依惯性转动至零转速而惰行减速。在此减速期间，如图3和图5中所示 的第二电路40监视所述三相电动机电压，并且检测电动机仍然旋转的情况。 图5显示了图3中的电路40的细节，所述电路40包括电压移位器/衰减电路 41 (三个电阻分压器电路)和电压加法器43，以及图3中的低通滤波器45 和比较器50。所述比较器50被提供与滤波相电压相比较的参考51。 一旦电使得能够和不能进行局部供电的改进的电气插座和插头 技术领域本发明总的来说涉及电气技术。更具体地，本发明涉及使 得能够和不能进行局部供电的改进的电气插座和插头。
背景技术：
大多数家庭包括至少一个提供家用电器、电视机、计算机 等工作所需的电的电气插座。美国的标准电气插座包括两个垂直插槽(slot)和这两个插槽正下方的一个圆形孔(hole)。左边的 垂直插槽是"零线(neutral)"插槽，并且稍微大于作为"火线(hot)" 插槽的右边的垂直插槽。这两个插槽下方的孔被指定为"接地"。通过电线将每一电气插座与家用断路器连接。断路器是当 电流流动升高到特定阈值以上时切断对电气插座的供电的安全 装置。例如，如果将电线接在火线插槽和零线插槽中，将会有 巨大的电流流过电线。断路器会检测到该电涌(surge)并切断对 电气插座的供电，以防止发生火灾或其它危害。然而，直到电 流流动超过该阈^直前，电气插座具有恒定的电力供应。电气插座处提供的电在存在从火线插槽到零线插槽的完全 连接前，不会开始流动。例如，当将真空吸尘器等家用电器插 入电气插座时，完成了该连接。电从火线插槽开始流经真空吸 尘器以使电动机运转，再返回到零线插槽。另一例子可以包括 插入插座的电灯泡。电从火线插槽开始流经灯丝，再返回到零 线插槽，在该过程中发光。几乎所有年幼儿童的父母有时都会担心他们的孩子在家中 电气插座周围的安全。通常插座被安装在儿童视线水平的高度 或其附近，并且儿童的好奇心驱使儿童去探究。儿童可能将物
权利要求
1.一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供用于控制通过DC总线供电的直流至交流变频器和驱动永磁电动机的控制信号，所述电路包括第一电路，用于监视DC总线电压，并在所述DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情况下，用于产生发送给所述控制器的信号，以便为所述变频器提供开关状态，从而使所述反电动势在所述永磁电动机的电动机电路电阻中由所述变频器开关状态导致的短路情况而被充分地耗尽，由此，防止所述变频器的DC总线电压超过所述第一阈值，并使得所述永磁电动机转速降低。
2. 根据权利要求1所述的电路，进一步地，其中所述第一电路发出联 锁信号，所述联锁信号在所述电动机旋转的情况下保持收容所述永磁电动机 或由锁定的电动机驱动的设备的围护。
3. 根据权利要求2所述的电路，其中所述永磁电动机驱动洗衣机的滚 筒，并且安全联锁信号防止门被敞开，所述门提供进入所述永磁电动机驱动 的转动着的滚筒的通路。
4. 根据权利要求2所述的电路，其中所述第一电路包括与DC总线耦 合的第一感测电路，用于监视所述DC总线电压；以及比较器，用于将感测 到的电压和参考电压相比较并且用于产生第一信号以使得所述控制器提供 引起短路情况的开关状态。
5. 根据权利要求4所述的电路，其中所述联锁信号从所述第一信号中产生。
6. 根据权利要求4所述的电路，其中所述开关状态包括零向量。
7. 根据权利要求6所述的电路，其中所述零向量为开关状态111或000。
8. 根据权利要求1所述的电路，其中当所述DC总线电压被降低至第 二阈值以下时，产生所述短路情况的开关状态被移除。
9. 根据权利要求8所述的电路，其中所述第二阈值在额定DC总线电 压之上。
10. 根据权利要求8所述的电路，其中，如果所述DC总线电压再次升 高至超过所述第一阈值，那么所述产生短路情况的开关状态通过所述第一电 路被再次恢复，并重复多次直至所述电动机转速降低至基本值。
11. 根据权利要求2所述的电路，所述电路还包括第二电路，用于监视 由所述电动机产生的反电动势。
12. 根据权利要求11所述的电路，其中所述第二电路包括用于所述永 磁电动机的每个相位的第二感测电路，每一个所述第二感测电路向电压总和 电路提供输出，所述电压总和电路用以将所述输出求和，以便将求和后的输 出提供给下一个比较器的输入，所述下一个比较器用于将所述求和后的输出 与另一个阈值进行比较，以便确定何时将所述电动机的转速降至停止状态。
13. 根据权利要求IO所述的电路，其中所述求和后的输出在被提供给 所述下一个比较器之前被低通滤波。
14. 根据权利要求l所述的电路，其中所述开关状态包括应用于离散时间周期中的000或111向量或者所述000和111向量的结合。
15. 根据权利要求4所述的电路，其中所述第一感测电路包括电阻分压器。
16. 根据权利要求12所述的电路，其中所述第二感测电路中的每一个 包括电阻分压器电路。
17. 根据权利要求12所述的电路，其中所述电压总和电路包括运算放 大器电路。
18. 根据权利要求11所述的电路，其中所述第二电路防止所述联锁信 号在所述电动机转速实质为零前被移除。
19. 根据权利要求2所述的电路，其中所述第一电路将信号提供给用于 发出所述联锁信号的锁存电路。
20. 根据权利要求l所述的电路，其中所述永磁电动机包括三相永磁电 动机。
21. 根据权利要求l所述的电路，其中所述电动机电路电阻包括所述电 动机的定子的电阻。
22. 根据权利要求19所述的电路，其中所述第一电路产生提供至所述 锁存电路的一个输入的第一信号，并且所述第二电路产生提供至所述锁存电 路的第二输入的第二信号。
23. 根据权利要求22所述的电路，其中所述第一信号设置所述锁存电路以提供所述联锁信号，且所述第二电路重置所述锁存电路以移除所述联锁信号。
24. 根据权利要求1所述的电路，其中所述电动机以弱磁运行。
全文摘要
一种用于防止控制器故障的电路，其中所述控制器提供用于控制通过DC总线供电的直流至交流变频器并驱动永磁电动机的控制信号，所述电路包括第一电路，所述第一电路用于监视DC总线电压，并在DC总线电压超过由电动机产生的反电动势引起的第一阈值的情况下，用于产生发送给控制器的信号，以便为变频器提供开关状态，从而使所述反电动势在永磁电动机的电动机电路电阻中由变频器开关状态提供的短路情况而被充分地耗尽，由此，防止变频器的DC总线电压超过第一阈值，并使得永磁电动机的转速降低。
文档编号H02M5/00GK101120504SQ200680004845
公开日2008年2月6日 申请日期2006年2月14日 优先权日2005年2月14日
发明者G·加利, T·塔卡哈希 申请人:国际整流器公司