專利名稱：用于永磁電動機驅動的安全聯鎖和保護電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在DC-AC (直流-交流)變頻器電動機控制器中驅 動永磁電動機的安全聯鎖和保護電路，例如，驅動洗衣機的滾筒。根據本發 明的電路執行門鎖功能，并且在當永磁電動機仍然運轉時主電動機控制器發 生故障以及失控的情況下提供過壓保護和電動機制動。
背景技術：
永磁電動機較感應電動機具有更高的功率密度和每安培轉矩。感應電動 機過去通常用于洗衣機。永磁電動機用于更現代的洗衣機，并且己經成為如 洗衣機、以及包括空調和冰箱在內的節能電器的重要能源。永磁電動機通常通過以AC電源供電的DC-AC變頻器電路驅動，即首 先將AC主電源轉換為DC電壓，該DC電壓保持在DC總線中，且DC總 線電壓之后被提供給變頻器以轉換為用于永磁電動機的每個相位的AC信 號，所述永磁電動機通常為三相。不同于感應電動機，永磁電動機需要額外 的安全電路和機械裝置，特別在應用于具有以旋轉模式運行的高速滾筒的洗 衣機時更是如此。微控制器和/或DSP (數字信號處理器)是用于控制變頻器電源開關(通常為IGBT或者FET)，以便向永磁電動機提供期望電壓的常見的控制器組 件。當控制器發生故障或失控時，傳統的用于解決失控的電動機的問題的方 法是通過用于安全門鎖和制動機械裝置的獨立的機械方法來實現的。此方法 由分立繼電器、計時器和具有用于過壓保護的功率晶體管的撬桿開關組成， 所述過壓保護與機械制動協作運轉。雖然此機械方法是可行的，但相當昂貴 和復雜，并且同樣容易出現機械故障。如果發生控制器故障，永磁電動機會出現兩種潛在的危險情況。 一種情 況為永磁電動機在惰行減速時高速旋轉。在此情況下，如果洗衣機的門或蓋 子被打幵，若人體試圖接近旋轉的滾筒，將會產生導致人身傷害的安全危險。 因此，必要的是，在電動機運轉時，門或蓋子必須被鎖住，且如果發生控制 器故障，那么優選地，旋轉速度必須盡快降至停止狀態(制動)。另一種情況為，當控制器因為控制器故障而停止供給電動機電能時，永 磁電動機會在DC總線上產生過電壓。這是由于電動機在順暢運轉時產生了 反電動勢。當電動機在弱磁控制下工作以達到很高旋轉運行時，所述電壓可 以非常高。如果這時候發生故障，所產生的電壓會相當高。所述電壓與電動 機轉速(w)和永磁體通過相對于線圈的運動產生的通量(O)的乘積成比 例關系。在弱磁模式下，如果控制器發生故障且無法控制電動機，那么當電 動機轉速達到其運轉模式轉速決定的額定運轉速度的三至四倍時，由于通量 弱化的損失，弱化的通量變為滿額通量。如果在弱磁運行中發生這種控制器 故障的情況下不采取任何行動，那么對230伏AC均方根輸入主電壓，額定 值約為310伏DC的DC總線電壓，將會達到大約1000伏(為額定DC總 線電壓的三或四倍)。這樣會導致系統中的電力設備和高壓集成電路的損壞， 因為對于230伏AC均方根主輸入，所述電力設備和高壓集成電路的電壓值 通常為600伏。DC總線電容器也會被損壞。 一旦在電力系統中發生損壞， 由于電路板上的任何電路也將可能被損壞或失效，從而將可能無法再提供安
全門鎖/制動機械裝置。因此，有必要1)在控制器出現故障的情況下防止這 種過壓情況發生，2)迅速降低電動機和滾筒轉速，以及3)提供安全聯鎖以 防止人體傷害。
發明內容
本發明不需要任何用于制動的機械組件或額外的電力設備來移除或耗 盡存儲于旋轉狀態的電動機中的多余的動能。本發明提供一種通過單一或多 個集成電路，或通過分立或整體組件來實現的簡單電路，該簡單電路可以實 現上述所有目的。
根據本發明，提供一種用于防止控制器故障的電路，其中所述控制器提供控制信號，該控制信號用于控制通過DC總線供電的直流到交流變頻器并 驅動永磁電動機，所述電路包含第一電路，所述第一電路用于監視DC總線 電壓，并在DC總線電壓超過由電動機產生的反電動勢引起的第一閾值的情 況下，用于產生信號至控制器，以便為變頻器提供開關狀態，從而使所述反 電動勢在永磁電動機的電動機電路電阻中由變頻器的開關狀態提供的短路 情況而被充分地耗盡，由此，防止變頻器的DC總線電壓超過第一閾值，并 導致永磁電動機轉速降低。
根據本發明另外的方面，當所述DC總線電壓被降低至第二閾值以下時， 產生短路情況的所述開關狀態被移除。如果所述DC總線電壓再次升高到超 過第一閾值，那么產生短路情況的開關狀態將再次被恢復，并重復多次直至 將電動機轉速降低至基本值。所述第一電路還產生聯鎖信號，例如，門鎖信 號，以防止接近所述電動機驅動組件。監視反電動勢電動機相電壓的第二電 路用以防止聯鎖信號在達到停止狀態前被移除。本發明的其他目的、特點和優點將從以下的詳細描述中變得顯而易見。
下面將參考附圖對本發明做更加詳細的描述，其中圖1顯示了在控制器故障期間的波形；圖2顯示了在弱磁運行下的轉矩速度的曲線示意圖；圖3顯示了本發明的過壓保護、自動制動和安全門鎖電路的結構/示意圖；圖4顯示了如何通過使用零向量達到永磁電動機制動和短路保護；圖5顯示了用于基于洗衣機的永磁電動機的安全門鎖的電路的具體情況；圖6顯示了惰行減速時永磁電動機的相電壓；以及圖7顯示了在圖5中點A處的永磁電動機的線電壓求和后的電壓。
具體實施方式
現在參考附圖，圖1顯示了如果控制器在旋轉模式下的電動機的弱磁運 行期間發生故障所出現的最危險情況的狀態。所示的運行模式處于具有永磁 電動機深弱磁運行狀態的高速旋轉模式。在所示情況下，當進行到旋轉模式 的最后時刻，轉速達到旋轉模式的最高值，并且弱磁運行處于最深區域時， 所述控制器發生故障。所述故障由圖1的頂部圖(圖1A)中的星形顯示。 圖2顯示了電動機扭矩轉速曲線圖。如圖2所示，故障點靠近高速旋轉運行 的末端，如示例所示，接近每分鐘8800轉。圖3顯示了驅動變頻器I的控制器C電路的一部分，眾所周知，所述變 頻器包括含有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的三個半橋。施加到控制器C的 控制信號通過微處理器或數字信號處理器(DSP)提供，提供信號HIN1、 LIN1、 HIN2、 LIN2禾卩HIN3、 LIN3，在圖中未示出。所述信號被提供給驅 動器級D、停滯時間電路DT (以確保高邊和低邊開關不同時導通)，并且之后所述信號被提供給零向量插入電路24。高邊控制信號被水平移動(25)， 并被提供給高邊驅動器HS。所述低邊信號被提供給低邊控制器LS。來自驅 動器HS和LS的信號被提供給柵極驅動電路10，且之后到達各自的IGBT 柵極。如所示，處理器可以經由柵極G提供制動請求信號。然而，如下所述， 如果處理器發生故障，那么制動請求信號22同樣可以通過包括比較器20的 電路被命令。當控制器發生故障時，通常所有用于柵極驅動電路IO，如高壓柵極驅動 器IC10的柵極信號均不出現。電動機基本上惰行。如果處于運行的弱磁模 式下，那么所述電動機和滾筒高速旋轉，例如，轉速為每分鐘6000至9000 轉。DC總線電壓V立即開始顯現比額定電壓更高的電壓，例如，在末端的 前期，當采用230伏AC均方根主輸入和二極管整流電路時，DC總線電壓 升至310伏。這是由于電動機產生了反電動勢。根據本發明，所述DC總線 電壓一旦達到最高允許電壓，例如此例中為430伏，那么所述柵極驅動電路 10就自動地將開關狀態提供給IGBT變頻器，所述開關狀態將使電動機線圈、 即零向量短路。這是通過具有跨接于DC總線的感測電路的第一電路完成的， 例如，配置為跨接于DC總線的電阻分壓器RA。當DC總線電壓超過由參 考21確定的閾值時，比較器20進行感測，并在線路22上提供信號給維持 零向量的零向量注入電路24。所述零向量電壓插入可以為當所有高邊IGBT 關閉時響應于圖3中的所有低電平引腳IGBT的導通狀態的OOO狀態，或為 當所有低邊IGBT關閉時響應于所有高邊IGBT的導通狀態的111狀態，或 者在預定的周期循環內的OOO和111向量的結合。作為選擇地，可以只導通 部分的IGBT，但優選為導通所有頂部或所有底部的開關，從而使所有電動 機相位均被短路。此時，信號22也啟動圖3中的RS觸發器閉鎖30以設置 如圖3中示為"安全鎖"的門聯鎖信號，從而將門鎖住并且防止接近旋轉滾筒。
如實施例所示，零向量保護由控制器故障(所有柵極驅動器輸入等于零) 和DC總線上的過壓的結合來觸發。在這種情況下，所有輸入到柵極G的輸 入都將是低的，從而觸發制動請求信號。僅當發生控制器故障時，DC總線 上的過壓不能通過控制器自身進行處理。因此在這種情況下，所有輸入到柵極G的輸入都是低的，從而觸發制動請求信號。一旦零向量柵極信號模式被提供給IGBT變頻器，那么永磁電動機通過 IGBT被短路，并且短路電流在如圖4所示的短路定子線圈內流動。由電動 機產生的反電動勢在圖4中由wO表示。因此，儲存于電動機中的動能主要 通過定子電阻Rs消耗，因此，對于額定總線電壓來說，DC總線電壓減小， 在此例中所述DC總線電壓大約為310伏DC。當DC總線電壓達到所述的 360伏的第二閾值電壓時，所述第二閾值電壓可以通過比較器20中的遲滯現 象來設置，那么之后零向量的注入停止，并且提供給每一個IGBT的所有的 柵極驅動信號被關閉。 一旦關閉所有的IGBT，仍然在低速旋轉的永磁電動 機開始再次增大DC總線電壓，并且如果DC總線電壓再次達到第一閾值， 例如430伏，那么此時電路將再次插入零向量。這種零向量的插入和脫離將 不斷重復，直至電動機轉速低于基本轉速，在此例中為低于每分鐘3100轉。所述電動機轉速由第二電路40監視，所述第二電路40在電動機惰行減 速時監視電動機相電壓。當處于基本轉速時，由于反電動勢電壓低于額定 DC總線電壓，所述電動機不再在DC總線上產生過壓。因此，零向量的注 入將不再必需低于基本轉速，并且將不再執行零電壓的注入。所述電動機將 通過依慣性轉動至零轉速而惰行減速。在此減速期間，如圖3和圖5中所示 的第二電路40監視所述三相電動機電壓，并且檢測電動機仍然旋轉的情況。 圖5顯示了圖3中的電路40的細節，所述電路40包括電壓移位器/衰減電路 41 (三個電阻分壓器電路)和電壓加法器43，以及圖3中的低通濾波器45 和比較器50。所述比較器50被提供與濾波相電壓相比較的參考51。 一旦電使得能夠和不能進行局部供電的改進的電氣插座和插頭 技術領域本發明總的來說涉及電氣技術。更具體地，本發明涉及使 得能夠和不能進行局部供電的改進的電氣插座和插頭。
背景技術：
大多數家庭包括至少一個提供家用電器、電視機、計算機 等工作所需的電的電氣插座。美國的標準電氣插座包括兩個垂直插槽(slot)和這兩個插槽正下方的一個圓形孔(hole)。左邊的 垂直插槽是"零線(neutral)"插槽，并且稍微大于作為"火線(hot)" 插槽的右邊的垂直插槽。這兩個插槽下方的孔被指定為"接地"。通過電線將每一電氣插座與家用斷路器連接。斷路器是當 電流流動升高到特定閾值以上時切斷對電氣插座的供電的安全 裝置。例如，如果將電線接在火線插槽和零線插槽中，將會有 巨大的電流流過電線。斷路器會檢測到該電涌(surge)并切斷對 電氣插座的供電，以防止發生火災或其它危害。然而，直到電 流流動超過該閾^直前，電氣插座具有恒定的電力供應。電氣插座處提供的電在存在從火線插槽到零線插槽的完全 連接前，不會開始流動。例如，當將真空吸塵器等家用電器插 入電氣插座時，完成了該連接。電從火線插槽開始流經真空吸 塵器以使電動機運轉，再返回到零線插槽。另一例子可以包括 插入插座的電燈泡。電從火線插槽開始流經燈絲，再返回到零 線插槽，在該過程中發光。幾乎所有年幼兒童的父母有時都會擔心他們的孩子在家中 電氣插座周圍的安全。通常插座被安裝在兒童視線水平的高度 或其附近，并且兒童的好奇心驅使兒童去探究。兒童可能將物
權利要求
1.一種用于防止控制器故障的電路，其中所述控制器提供用于控制通過DC總線供電的直流至交流變頻器和驅動永磁電動機的控制信號，所述電路包括第一電路，用于監視DC總線電壓，并在所述DC總線電壓超過由電動機產生的反電動勢引起的第一閾值的情況下，用于產生發送給所述控制器的信號，以便為所述變頻器提供開關狀態，從而使所述反電動勢在所述永磁電動機的電動機電路電阻中由所述變頻器開關狀態導致的短路情況而被充分地耗盡，由此，防止所述變頻器的DC總線電壓超過所述第一閾值，并使得所述永磁電動機轉速降低。
2. 根據權利要求1所述的電路，進一步地，其中所述第一電路發出聯 鎖信號，所述聯鎖信號在所述電動機旋轉的情況下保持收容所述永磁電動機 或由鎖定的電動機驅動的設備的圍護。
3. 根據權利要求2所述的電路，其中所述永磁電動機驅動洗衣機的滾 筒，并且安全聯鎖信號防止門被敞開，所述門提供進入所述永磁電動機驅動 的轉動著的滾筒的通路。
4. 根據權利要求2所述的電路，其中所述第一電路包括與DC總線耦 合的第一感測電路，用于監視所述DC總線電壓；以及比較器，用于將感測 到的電壓和參考電壓相比較并且用于產生第一信號以使得所述控制器提供 引起短路情況的開關狀態。
5. 根據權利要求4所述的電路，其中所述聯鎖信號從所述第一信號中產生。
6. 根據權利要求4所述的電路，其中所述開關狀態包括零向量。
7. 根據權利要求6所述的電路，其中所述零向量為開關狀態111或000。
8. 根據權利要求1所述的電路，其中當所述DC總線電壓被降低至第 二閾值以下時，產生所述短路情況的開關狀態被移除。
9. 根據權利要求8所述的電路，其中所述第二閾值在額定DC總線電 壓之上。
10. 根據權利要求8所述的電路，其中，如果所述DC總線電壓再次升 高至超過所述第一閾值，那么所述產生短路情況的開關狀態通過所述第一電 路被再次恢復，并重復多次直至所述電動機轉速降低至基本值。
11. 根據權利要求2所述的電路，所述電路還包括第二電路，用于監視 由所述電動機產生的反電動勢。
12. 根據權利要求11所述的電路，其中所述第二電路包括用于所述永 磁電動機的每個相位的第二感測電路，每一個所述第二感測電路向電壓總和 電路提供輸出，所述電壓總和電路用以將所述輸出求和，以便將求和后的輸 出提供給下一個比較器的輸入，所述下一個比較器用于將所述求和后的輸出 與另一個閾值進行比較，以便確定何時將所述電動機的轉速降至停止狀態。
13. 根據權利要求IO所述的電路，其中所述求和后的輸出在被提供給 所述下一個比較器之前被低通濾波。
14. 根據權利要求l所述的電路，其中所述開關狀態包括應用于離散時間周期中的000或111向量或者所述000和111向量的結合。
15. 根據權利要求4所述的電路，其中所述第一感測電路包括電阻分壓器。
16. 根據權利要求12所述的電路，其中所述第二感測電路中的每一個 包括電阻分壓器電路。
17. 根據權利要求12所述的電路，其中所述電壓總和電路包括運算放 大器電路。
18. 根據權利要求11所述的電路，其中所述第二電路防止所述聯鎖信 號在所述電動機轉速實質為零前被移除。
19. 根據權利要求2所述的電路，其中所述第一電路將信號提供給用于 發出所述聯鎖信號的鎖存電路。
20. 根據權利要求l所述的電路，其中所述永磁電動機包括三相永磁電 動機。
21. 根據權利要求l所述的電路，其中所述電動機電路電阻包括所述電 動機的定子的電阻。
22. 根據權利要求19所述的電路，其中所述第一電路產生提供至所述 鎖存電路的一個輸入的第一信號，并且所述第二電路產生提供至所述鎖存電 路的第二輸入的第二信號。
23. 根據權利要求22所述的電路，其中所述第一信號設置所述鎖存電路以提供所述聯鎖信號，且所述第二電路重置所述鎖存電路以移除所述聯鎖信號。
24. 根據權利要求1所述的電路，其中所述電動機以弱磁運行。
全文摘要
一種用于防止控制器故障的電路，其中所述控制器提供用于控制通過DC總線供電的直流至交流變頻器并驅動永磁電動機的控制信號，所述電路包括第一電路，所述第一電路用于監視DC總線電壓，并在DC總線電壓超過由電動機產生的反電動勢引起的第一閾值的情況下，用于產生發送給控制器的信號，以便為變頻器提供開關狀態，從而使所述反電動勢在永磁電動機的電動機電路電阻中由變頻器開關狀態提供的短路情況而被充分地耗盡，由此，防止變頻器的DC總線電壓超過第一閾值，并使得永磁電動機的轉速降低。
文檔編號H02M5/00GK101120504SQ200680004845
公開日2008年2月6日 申請日期2006年2月14日 優先權日2005年2月14日
發明者G·加利, T·塔卡哈希 申請人:國際整流器公司