專利名稱：安全裝置和功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)造順應(yīng)多種類型的安全標(biāo)準(zhǔn)的安全裝置的技術(shù)，具體涉及實(shí)現(xiàn) 諸如逆變器或驅(qū)動電機(jī)的伺服放大器之類的功率轉(zhuǎn)換器或由可編程邏輯控制器(PLC)等 等控制的儀器的安全功能的一種安全裝置，且涉及一種功率轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
近年來，由于節(jié)能的必要性，以可變速度驅(qū)動電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)變得流行。同 時，因為會出現(xiàn)電氣設(shè)備的異常操作導(dǎo)致嚴(yán)重事故，所以安全功能的改善是制造商所需要 的。而且，建立了嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)以將在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造、維護(hù)以及廢棄的每個步驟中 對人體的傷害保持在容限范圍內(nèi)。作為一種國際安全標(biāo)準(zhǔn)，例如，規(guī)定了 IS013849。具體而言，在涉及電氣設(shè)備 時，存在支配諸如逆變器或伺服放大器之類的稱為IEC61508的高級概念安全標(biāo)準(zhǔn)和稱為 IEC61800-5-2的從屬標(biāo)準(zhǔn)。在日本，順應(yīng)這些國際標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)控制設(shè)備的開發(fā)正在積極地 進(jìn)行。而且，在歐洲，順應(yīng)IEC61800-5-2標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)控制設(shè)備正投入市場。為了遵守這 些安全標(biāo)準(zhǔn)，必須不僅用文檔記載開發(fā)結(jié)構(gòu)和概念并接收是否遵守安全標(biāo)準(zhǔn)的合格證，還 要監(jiān)測受控儀器或控制設(shè)備的一場，且當(dāng)檢測到異常時，根據(jù)規(guī)范安全地停止受控儀器。這種類型的安全標(biāo)準(zhǔn)不時被再審查，而且需要大量的開發(fā)成本和時間來新開發(fā)具 有安全功能的控制設(shè)備(下文稱為“安全裝置”)。而且，因為所需安全標(biāo)準(zhǔn)水平和使用受控 設(shè)備的環(huán)境根據(jù)客戶而不同，所以必須提供適合于各個客戶所需安全水平的安全裝置。由 于這些原因，考慮將控制功能與安全功能分離，并通過僅開發(fā)需要單獨(dú)處理的部分來實(shí)現(xiàn) 開發(fā)成本的降低和開發(fā)周期的縮短。作為涉及安全功能的現(xiàn)有已知技術(shù)，例如，美國專利No. 7，253，577中描述了一種 設(shè)置有獨(dú)立于產(chǎn)生用于驅(qū)動電機(jī)的控制信號的控制器的安全功能單元的安全裝置，其實(shí)現(xiàn) 對該控制器的異常監(jiān)測。當(dāng)該安全功能單元檢測到設(shè)備中的異常時，該安全裝置通過使從 控制器到控制對象的控制信號輸出中斷而使電機(jī)停止。然而，雖然在所描述的已知現(xiàn)有技術(shù)中描述了承擔(dān)控制功能的控制器和承擔(dān)安全 功能的安全功能單元獨(dú)立地設(shè)置，但存在多種類型的安全功能單元，而且未考慮通過組合 各種類型的安全功能部分和控制器來配置安全裝置的情況。在多種類型的安全功能單元存 在的情況下，設(shè)想受控設(shè)備需要的安全功能因為附連或去除一安全功能單元時的錯誤或組 合錯誤而不工作。為避免因安全功能的這種類型的不工作而發(fā)生的危險情況，必須準(zhǔn)確地 確定正確的安全功能以正確的組合正確地連接。

發(fā)明內(nèi)容
在以上情況下已經(jīng)作出了本發(fā)明，且本發(fā)明的目的是提供一種安全裝置和功率轉(zhuǎn) 換器，其中具有控制功能和安全功能分離的配置的該安全裝置能準(zhǔn)確地確定承擔(dān)期望標(biāo)準(zhǔn)
3的安全功能的安全功能單元已正確安裝?；旧习ㄏ率鰡卧母鶕?jù)本發(fā)明的安全裝置由產(chǎn)生用于控制受控設(shè)備的控制 信號的控制器、以及連接至該控制器的執(zhí)行預(yù)定安全功能的安全功能單元構(gòu)成。該控制器和安全功能單元二者均可利用安裝在一個單元上的基板實(shí)現(xiàn)，并利用專 用電纜或內(nèi)部總線來實(shí)現(xiàn)標(biāo)識信號的交換，或者它們可分別被構(gòu)造成單個裝置或模塊，并 通過專用電纜連接。該控制器具有作為基本功能的以下單元a到d。a.選擇用于標(biāo)識應(yīng)當(dāng)連接的安全功能單元的類別的單元。該類別具有作為該安全功能單元的標(biāo)識信息的意義，但不限于此。例如，在安全功 能單元設(shè)置用于各種安全標(biāo)準(zhǔn)(或安全功能)的情況下，它還具有作為該安全標(biāo)準(zhǔn)(安全 功能)的標(biāo)識信息的意義。只要它能至少標(biāo)識該安全功能單元，它就被包括在“類別”中。b.向安全功能單元發(fā)送用于產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)類別標(biāo)識的類別標(biāo)識信號的基準(zhǔn)信號的單兀。c.基于從安全功能單元返回的類別標(biāo)識信號確定所連接的安全功能單元的類別 是否與以上a中所選定類別一致、并輸出確定的結(jié)果的單元。d.在所確定的結(jié)果表示所連接的安全功能單元的類別與以上a中所選定的類別 不一致的情況下禁止控制信號的輸出的單元。此外，該安全功能單元還具有以下單元e。e.基于從控制器傳送的基準(zhǔn)信號并且按照與安全功能單元的類別相適應(yīng)的過程 產(chǎn)生類別標(biāo)識信號、并將該信號返回控制器的單元。S卩，在本發(fā)明中，基準(zhǔn)信號從控制器被發(fā)送至安全功能部分。在該安全功能部分 中，基于該基準(zhǔn)信號，類別標(biāo)識信號按照對該安全功能單元唯一的過程產(chǎn)生，并被返回至該 控制器。在該控制器中，確定該類別標(biāo)識信號的模式(以下稱為“信號模式”)與預(yù)先選擇 的類別的信號模式是否一致，且在它們不一致的情況下禁止該控制信號的輸出。作為產(chǎn)生該類別標(biāo)識信號的方式，例如，存在一種方法，通過該方法連續(xù)固定周期 信號作為基準(zhǔn)信號從控制器被發(fā)送至安全功能單元，而該安全功能單元利用該固定周期信 號通過在預(yù)定頻率降低條件下將其頻率降低而產(chǎn)生類別標(biāo)識信號。該頻率降低條件(例如 降低至一半、降低至四分之一等)按照該安全功能單元的類別唯一地判定。該控制器確定所返回的類別標(biāo)識信號的周期與按照預(yù)先選擇的類別固定的周期 是否一致，且在它們不一致的情況下，假定該預(yù)先選擇類別的安全功能單元未安裝，并閉鎖 該控制信號。作為產(chǎn)生類別標(biāo)識信號的另一種方法，代替采用頻率降低條件，類別標(biāo)識信號的 產(chǎn)生也可在與該安全功能單元的類別相適應(yīng)的時間或相位條件下被延遲。而且，在該安全功能單元因為來自外部或異常監(jiān)測功能的輸入而必須立即停止受 控設(shè)備的情況下，該安全功能單元可在專用信號線上向控制器發(fā)送停止請求信號，但也可 產(chǎn)生與按照與該類別相適應(yīng)的過程產(chǎn)生的原始類別標(biāo)識信號不同的信號，并將該信號作為 類別標(biāo)識信號返回控制器。因為該原因，因為該控制器假定正確的安全功能單元未安裝，并 禁止該控制信號的輸出，所以有可能利用較少信號線獲得等效的優(yōu)勢。優(yōu)選對安全功能單元是否正常安裝的確認(rèn)以比受控設(shè)備所需的安全功能的所需工作時間短的時間間隔來進(jìn)行。控制器以這些時間間隔將基準(zhǔn)信號發(fā)送至安全功能單元， 并通過每次基于從安全功能單元返回的類別標(biāo)識信號進(jìn)行確認(rèn)，可在存在異常時以適當(dāng)?shù)?時序進(jìn)行對控制輸出的閉鎖。根據(jù)本發(fā)明，因為該配置使得控制器與安全功能單元分離，所以有可能實(shí)現(xiàn)開發(fā) 成本的降低和開發(fā)周期的縮短。具體而言，因為在從安全功能單元沒有返回類別與預(yù)先選 擇的類別相同的類別標(biāo)識信號的情況下，控制器不向受控設(shè)備輸出控制信號，所以有可能 防止由分離控制器和安全功能單元引起的安全功能的不工作或誤操作。此外，因為對每個類別的安全功能設(shè)置了專用安全功能單元，所以有可能高效地 實(shí)現(xiàn)該安全功能。此外，即使在安全功能類別因為標(biāo)準(zhǔn)的修改或客戶要求的多樣化而增多 的情況下，也有可能靈活地響應(yīng)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的包括安全裝置的功率轉(zhuǎn)換器的功能框圖；圖2是其上安裝有另一安全功能基板的包括圖1的安全裝置的功率轉(zhuǎn)換器的功能 框圖；圖3是根據(jù)實(shí)施例1的類別識別電路的電路構(gòu)造圖；圖4是當(dāng)圖3中適當(dāng)?shù)陌踩δ芑逡堰B接時的工作波形的示例的圖示；圖5是當(dāng)圖3中安全功能基板未連接或當(dāng)收發(fā)器電路(信號線)中存在開路故障 時的工作波形的示例的圖示；圖6是當(dāng)圖3中的收發(fā)器電路(信號線)短路時的工作波形的示例的圖示；圖7是當(dāng)在圖3中不適當(dāng)?shù)陌踩δ芑逡堰B接時的工作波形的示例1的圖示；圖8是當(dāng)在圖3中不適當(dāng)?shù)陌踩δ芑逡堰B接時的工作波形的示例2的圖示；圖9是根據(jù)實(shí)施例2的類別識別電路的電路構(gòu)造圖；圖10是圖9的類別識別電路的工作波形的示例的圖示；圖IlA和IlB是圖9的一致性確定電路的示例，圖IlA是利用ROM實(shí)現(xiàn)該一致性 確定電路的情況下的電路圖，而圖IlB是示出圖IlA的ROM的地址與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的圖 表；圖12是根據(jù)實(shí)施例3的類別識別電路的電路構(gòu)造圖；圖13A和13B是圖12的一致性確定電路的示例，圖13A是利用ROM實(shí)現(xiàn)該一致性 確定電路的情況下的電路圖，而圖13B是示出圖13A的ROM的地址與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的圖 表；以及圖14是根據(jù)實(shí)施例4的類別識別電路的電路構(gòu)造圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將以驅(qū)動作為控制對象的電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器為例給出本發(fā)明的實(shí)施例 的描述。圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括安全裝置的功率轉(zhuǎn)換器的功能框圖。在圖1中， 功率轉(zhuǎn)換器50包括主電路30，該主電路30利用半導(dǎo)體開關(guān)元件產(chǎn)生預(yù)定頻率的交變電 流并將其輸入作為控制對象的電機(jī)；控制基板10，其向主電路30輸出用于使半導(dǎo)體開關(guān)元件工作的控制信號；以及連接至控制基板10的安全功能基板20A，其執(zhí)行對異常等等的監(jiān) 測。安全裝置1由控制基板10和安全功能基板20A構(gòu)成。圖1中所示的構(gòu)造顯示安全裝置1由多個基板構(gòu)成，但本發(fā)明不限于此，也有可能 將安全裝置1實(shí)現(xiàn)為多個裝置或模塊。接著，將描述功率轉(zhuǎn)換器50的功能要點(diǎn)。在功率轉(zhuǎn)換器50的主電路30中，交變電流從電源經(jīng)由連接器38輸入，該電流通 過整流電路31和平滑電容器32整流，且交變電流由按照從控制基板10傳遞的控制信號接 通和斷開的開關(guān)電路33的半導(dǎo)體開關(guān)元件產(chǎn)生。該交變電流經(jīng)由連接器39被發(fā)送至電機(jī)?？刂苹?0包括工作單元11，其基本功能是執(zhí)行對主電路30的控制。工作單元 11從外部接收開始/停止命令和位置/速度/扭矩命令，并基于諸如電機(jī)速度檢測信號之 類的輸入信號產(chǎn)生用于使主電路30的開關(guān)電路33工作的控制信號。所產(chǎn)生的控制信號經(jīng) 由門電路12被發(fā)送至主電路30。具有不同安全功能的多個安全功能基板可連接至控制基板10。作為連接至控制基 板10的安全功能基板，存在安全功能基板20A和安全功能基板20B，其中安全功能基板20A 僅具有順應(yīng)諸如IS013849或EN954之類的安全標(biāo)準(zhǔn)的安全扭矩關(guān)閉功能，而安全功能基板 20B具有順應(yīng)IEC61508或IEC61800-5-2等的安全扭矩關(guān)閉或限速功能。在下文中，將以這 兩種類型的安全功能基板20A和20B為例給出描述。接著，將給出具有上述構(gòu)造的安全裝置1的操作的描述。在圖1中，控制基板10在操作命令系列信號從外部輸入時利用諸如微計算機(jī)之類 的處理器執(zhí)行用于控制電機(jī)的操作。作為來自外部的操作命令系列信號，存在開始/停止 命令、位置、速度、扭矩命令等等?？刂苹?0的運(yùn)算單元11通過利用諸如編碼器和電流 互感器(CT)之類的傳感器單個地檢測旋轉(zhuǎn)角和電機(jī)電流來進(jìn)行反饋控制，并輸出用于控 制主電路30的開關(guān)電路33的半導(dǎo)體元件的控制信號。除處理器之外，運(yùn)算單元11還可利 用諸如門陣列之類的集成邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。因為反饋控制功能不是本發(fā)明的主題，所以在 附圖中省去了對該功能的描述及其詳細(xì)描述?？刂苹?0包括用于識別所連接安全功能基板的基板類別的類別識別電路13。 該類別識別電路13確定連接至控制基板10的安全功能基板20A和20B的安裝狀態(tài)，并基 于該安裝狀態(tài)產(chǎn)生允許運(yùn)算單元11執(zhí)行控制操作的操作允許信號。從類別識別電路13輸出的操作允許信號被輸入至運(yùn)算單元11。運(yùn)算單元11通過 檢測該操作允許信號來執(zhí)行控制操作，并輸出控制信號?？刂菩盘柋话l(fā)送至門電路12。僅 在半導(dǎo)體開關(guān)元件操作允許信號已被輸入的情況下，該門電路12才向主電路30發(fā)送用于 控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的控制信號，從而使開關(guān)電路33的半導(dǎo)體開關(guān)元件工作。此外，類別識別電路13確定應(yīng)連接的安全功能基板20A和20B是否已連接，并在 它們未正確連接的情況下向門電路12輸出門截止信號。在接收到門截止信號時，門電路12 強(qiáng)制切斷對來自運(yùn)算單元11的主電路30輸出的控制信號，從而執(zhí)行門截止。此外，在安全扭矩關(guān)閉(以下稱為ST0)命令被輸入安全功能基板20A的情況下， 安全功能基板20A的運(yùn)算單元21A輸出STO命令作為安全功能基板20A狀態(tài)信號。該STO 命令經(jīng)由內(nèi)部總線或連接電纜被發(fā)送至控制基板10的類別識別電路13。當(dāng)STO命令被輸 入時，控制基板10的類別識別電路13向門電路12發(fā)送門截止信號。在接收到門截止信號時，門電路12強(qiáng)制切斷來自運(yùn)算單元11的控制信號。此外，在從類別識別電路13輸出的 門截止信號被作為狀態(tài)輸入時，運(yùn)算單元11通過將該狀態(tài)與操作允許信號的狀態(tài)進(jìn)行比 較來檢測STO命令已被輸出。因此，因為有可能不用通過控制基板10的運(yùn)算單元11來獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)STO功能，所 以即使在運(yùn)算單元11非預(yù)期地表現(xiàn)或出故障的情況下，安全裝置1也能可靠地中斷用于控 制半導(dǎo)體開關(guān)元件的控制信號。雖然未示出，但也可能復(fù)制圖1的控制基板10的構(gòu)造中的門電路12。此外，除復(fù) 制該門電路之外，還可能通過用文檔記錄開發(fā)過程以接收IS013849-1安全標(biāo)準(zhǔn)(其歐洲標(biāo) 準(zhǔn)為 EN954-1)。圖2中所示的安全功能基板20B是通過設(shè)置兩個運(yùn)算單元來復(fù)制檢測功能的示 例。安全功能基板20B的運(yùn)算單元21B和22B分別具有監(jiān)測控制基板10的操作的功能。此 外，安全功能基板20B包括端子28，該端子除輸入STO命令之外，還輸入作為安全功能的安 全相關(guān)系列信號，諸如在降低轉(zhuǎn)速之后停止電機(jī)的命令(下文稱為減速/停止命令)或確 定最大速度的限速命令。當(dāng)諸如減速/停止命令之類的安全相關(guān)系列命令被輸入至安全功能基板20B時， 該安全相關(guān)系列信號通過諸如串行通信或并行通信之類的數(shù)據(jù)通信被發(fā)送至控制基板10 的運(yùn)算單元11?？刂苹?0基于所發(fā)送的安全相關(guān)系列命令信號來控制電機(jī)。此外，安全功能基板20B監(jiān)測控制基板10的運(yùn)算單元是否正常工作，且當(dāng)檢測到 它偏離正常工作時通知控制基板10有異常情況。當(dāng)接收到該異常情況通知時，控制基板10 的類別識別電路13向門電路12發(fā)送門截止信號。因此，因為門截止不通過控制基板10的運(yùn)算單元11可能的，所以即使在基于安全 相關(guān)系列信號工作的情況下，也有可能甚至在控制基板10的運(yùn)算單元11非預(yù)期表現(xiàn)的情 況下迅速將門截止。因為安全功能基板20B的運(yùn)算單元21B和22B被復(fù)制，所以人們可能在安裝在安 全功能基板20B上的另一運(yùn)算單元中檢測到異常。因此，不僅當(dāng)STO命令被輸入安全功能 基板20B時，且當(dāng)另一運(yùn)算單元中檢測到異常時，門截止信號都經(jīng)由類別識別電路13被發(fā) 送至門電路12，且有可能強(qiáng)制中斷從運(yùn)算單元11輸出的控制信號。而且，有可能為安全功能基板20B提供制動信號，以及操作外部機(jī)械開關(guān)的輸出 信號。在圖2中，安全功能基板20B的構(gòu)造被簡化，但本發(fā)明不限于此。例如，有可能采 用多種構(gòu)造，諸如類似于控制電源或時鐘的復(fù)制功能，或與國際標(biāo)準(zhǔn)的安全要求水平相適 應(yīng)的相互監(jiān)測功能。實(shí)施例1接下來，利用圖3，將給出根據(jù)具有上述基板構(gòu)造的安全裝置1的實(shí)施例1的類別 識別電路13的描述。根據(jù)該實(shí)施例的類別識別電路13經(jīng)由指定線路發(fā)送和接收作為用于 標(biāo)識控制基板10所發(fā)送的類別的信號的方波連續(xù)信號。在該實(shí)施例中，其中被控制基板10 接收的返回信號的周期是所發(fā)送信號周期的兩倍的情況被確定為表示適當(dāng)?shù)幕逡堰B接。以下，將詳細(xì)描述類別識別電路13的操作。首先，控制基板10將由方波發(fā)生器61 產(chǎn)生的信號發(fā)送至安全功能基板20A。當(dāng)用于標(biāo)識安全功能基板的類別標(biāo)識信號由安全功
7能基板20A產(chǎn)生時，該信號用作基準(zhǔn)信號。安全功能基板20A通過利用諸如T觸發(fā)器91A之類的邏輯電路將基準(zhǔn)信號的脈沖 的周期改成兩倍長而產(chǎn)生類別標(biāo)識信號，并將其返回至控制基板10。以發(fā)送信號的上升沿 作為觸發(fā)的控制基板10的D觸發(fā)器62保持所返回的類別標(biāo)識信號。而且，控制基板10的 D觸發(fā)器63接收D觸發(fā)器62的輸出信號，并保持緊鄰的前一時鐘的類別標(biāo)識信號。因為 EX-OR (異或)電路65在D觸發(fā)器62和63中僅一個的輸出為H電平的情況下輸出H電平， 所以當(dāng)所接收信號的周期是所發(fā)送信號的周期兩倍時，EX-OR電路65的輸出恒定處于H電 平。EX-OR電路65的輸出由D觸發(fā)器64調(diào)整形狀，從而產(chǎn)生操作允許信號(正邏輯)。此 外，從安全功能基板20A傳遞的STO命令(負(fù)邏輯)和操作允許信號二者均為與電路66的 輸入，與電路66的輸出是門截止信號(負(fù)邏輯)。圖4是當(dāng)圖3中所示電路構(gòu)造中連接有適當(dāng)?shù)陌踩δ芑?0A時的工作波形的 示例。周期為基準(zhǔn)信號兩倍的類別標(biāo)識信號由根據(jù)該實(shí)施例的類別識別電路13檢測，且操 作允許信號處于H電平。圖5是當(dāng)圖3中所示電路中未連接有適當(dāng)?shù)陌踩δ芑?0A時的工作波形的示 例。當(dāng)安全功能基板20A未連接時，沒有類別標(biāo)識信號被返回控制基板10，且輸入信號不 變。在圖5中，類別標(biāo)識信號恒定處于L電平。在這種情況下，因為D觸發(fā)器62和63的輸 出值(A和B) —致，所以EX-OR電路65的輸出C以及操作允許信號均處于L電平。此外， 不論STO命令的狀態(tài)如何，門截止信號也處于L電平。作為正邏輯的操作允許信號處于無 效狀態(tài)(“假”)，而作為負(fù)邏輯的門截止信號處于有效狀態(tài)(“真”)。因為該原因，有可能檢測到安全功能基板未正常連接，且有可能截止門電路12。此 外，運(yùn)算單元11可根據(jù)操作允許信號檢測安全功能未正常工作。即使在基準(zhǔn)信號和類別標(biāo) 識信號發(fā)送系統(tǒng)中出現(xiàn)開路故障的情況下，該操作也相同，且可能檢測異常。圖6是當(dāng)圖3中所示電路中的控制基板10的發(fā)送信號輸出和返回信號輸入短路 時的工作波形的示例。因為當(dāng)返回信號與發(fā)送信號相同時，D觸發(fā)器62和63的輸出值(A 和B)固定于H電平，所以EX-OR電路65的輸出C、操作允許信號以及門截止信號均處于L 電平。因為該原因，有可能將門電路12置于截止?fàn)顟B(tài)。圖7是當(dāng)不適當(dāng)?shù)陌踩δ芑暹B接至圖3所示電路中的控制基板10，且周期為 發(fā)送信號周期四倍的類別標(biāo)識信號被返回時的工作波形的示例。在圖3的類別識別電路 13中，當(dāng)周期不是基準(zhǔn)信號周期的兩倍的信號輸入時，D觸發(fā)器62和63的輸出值(A和B) 變?yōu)橄嗤?，如圖7所示。即，出現(xiàn)輸出值均處于H電平或均處于L電平的時序。因此，出現(xiàn) EX-OR電路65的輸出C、操作允許信號以及門截止信號均處于L電平的時序。因為該原因， 有可能檢測到基板連接中的異常，且有可能禁止半導(dǎo)體開關(guān)元件的操作。雖然在圖7中，當(dāng) 通過基準(zhǔn)信號頻率被降低的周期確定基板類別時，該操作允許信號是切換類型，但通過與 具有最長周期的基板類別同步地對各個基準(zhǔn)信號用相關(guān)周期采樣類別標(biāo)識信號上的數(shù)據(jù)， 并確定所采樣到的數(shù)據(jù)是否與期望基板類別的信號模式相對應(yīng)，也可能使操作允許信號為 穩(wěn)定信號，其在安裝了正確的安全功能基板時穩(wěn)定處于H電平，而在安裝了不正確的安全 功能基板時穩(wěn)定處于L電平。圖8是當(dāng)不適當(dāng)?shù)陌踩δ芑暹B接至圖3中所示電路中的控制基板10，且作為 基準(zhǔn)信號逆的逆邏輯信號返回時的工作波形的示例。當(dāng)作為基準(zhǔn)信號逆的逆邏輯信號輸入時，控制基板10的D觸發(fā)器62和63的輸出值(A和B)均處于L電平。因此，EX-OR電路 65的輸出C、操作允許信號以及門截止信號均處于L電平。因此，控制基板10可檢測安全 功能基板連接異常，且通過截止門電路12可禁止主電路30的半導(dǎo)體開關(guān)元件的操作。根據(jù)該實(shí)施例，基板標(biāo)識時鐘信號從類別識別電路13發(fā)出，該時鐘信號被輸入安 全功能基板20A和20B中的每一個中、被改變成各個基板唯一的時鐘周期、以及被返回至控 制基板10。該控制基板10接收該返回信號、確定它是否是應(yīng)當(dāng)正確安裝的安全功能基板的 周期、并產(chǎn)生操作允許信號和門截止信號。對安全功能基板唯一的時鐘周期對應(yīng)于該安全 功能基板的識別碼。實(shí)施例2圖9是當(dāng)控制基板10所接收的返回信號的周期是發(fā)送信號周期四倍的情況被定 義為表示適當(dāng)?shù)陌踩δ芑逡堰B接的情況下的電路的示例。圖9所示的類別識別電路13使周期為圖3中的電路構(gòu)造中的發(fā)送信號的周期兩 倍的返回信號現(xiàn)在是周期為該發(fā)送信號的周期四倍的返回信號。該安全功能基板20B的運(yùn) 算單元21B利用T觸發(fā)器91B和92B產(chǎn)生周期為所接收基準(zhǔn)信號的周期四倍的信號，并將 其輸出作為返回信號。在接收到該返回信號時，類別識別電路13利用D觸發(fā)器71到74保 持四個時鐘信號，并利用一致性確定電路76確定各個觸發(fā)器的輸出(D、E、F以及G)的輸出 是否一致。一致性確定電路76在來自D觸發(fā)器71到74的輸入信號與預(yù)定信號模式一致 (在該實(shí)施例中，周期為基準(zhǔn)信號周期四倍的信號模式)的情況下以H電平輸出，而在它們 不一致的情況下以L電平輸出。D觸發(fā)器75保持一致性確定電路76的輸出，并產(chǎn)生操作允 許信號。同樣，以與圖3中相同的方式，門截止信號按照操作允許信號和STO命令的與運(yùn)算 情況而產(chǎn)生。圖10是圖9的類別識別電路13的時序圖。一致性確定電路76在觸發(fā)器71到74 的輸出(D、E、F以及G)為(H、H、L以及L)、(L、H、H以及L)、(L、L、H以及H)或(H、L、L以 及H)時以H電平輸出。即，當(dāng)輸出D到G可視為周期性時，一致性確定電路76在兩個連續(xù) 位為“H”且兩個連續(xù)位為“L”時輸出“H”，而在另一種信號模式下輸出“L”。因為該原因， 控制基板10可確定適當(dāng)?shù)陌踩δ芑?0B已安裝。除圖1IA中所示的ROM和EEPROM類型之外，一致性確定電路76還可利用例如ASIC 或分立邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。在下文中，將給出以ROM為例的情況的描述。在利用ROM實(shí)現(xiàn)一 致性確定電路76的情況下，用于數(shù)據(jù)輸出的芯片選擇信號或讀取信號可被恒定地置于有 效狀態(tài)，或數(shù)據(jù)可利用來自方波發(fā)生器61的基準(zhǔn)信號等等以D觸發(fā)器75中的閉鎖時序輸
出ο在圖IlA中，觸發(fā)器71到74的輸出連接至一致性確定電路76的地址。空地址固 定于L電平或H電平。然后，當(dāng)?shù)刂份斎胄盘柵c對應(yīng)于基板類別的特定信號模式一致時，數(shù) 據(jù)的特定位(圖IlA和IlB中的DO)被設(shè)置為“H”，否則被設(shè)置為“L”，如圖IlB所示。通 過將寫入這些數(shù)據(jù)的ROM用作為一致性確定電路76，有可能實(shí)現(xiàn)圖10的時序圖的操作。當(dāng) 然，代替使用R0M，還可能利用按照圖IlB的邏輯工作的ASIC、邏輯電路等來構(gòu)造。實(shí)施例3圖12是一實(shí)施例，其中有可能利用安裝在控制基板10上的開關(guān)來選擇安全功能 基板，并確定是否安裝了正確的安全功能基板。
其與圖9的不同之處在于選擇電路78設(shè)置在一致性確定電路76的輸入側(cè)。通過 將信號模式變成用于按照從選擇電路78輸出的選擇信號作出確定，一致性確定電路76確 定是否安裝了所需的安全功能基板。圖13A是根據(jù)該實(shí)施例的一致性確定電路76和選擇電路78的電路構(gòu)造的示例。 該選擇電路78由開關(guān)82和上拉電阻器81構(gòu)成。因此，當(dāng)開關(guān)82切斷時，“H”被輸入至一 致性確定電路76的地址AlO，而當(dāng)開關(guān)82接通時，“L”被輸入至地址AlO。對應(yīng)于該地址， 當(dāng)構(gòu)成一致性確定電路76的ROM的地址AlO為“L”時，對應(yīng)于地址AO到A3的安全功能基 板20B信號模式的數(shù)據(jù)DO被設(shè)置為“H”，否則設(shè)置為“L”。此外，當(dāng)構(gòu)成一致性確定電路76 的ROM的地址AlO為“H”時，對應(yīng)于地址AO到A3的安全功能基板20A信號模式的地址的 數(shù)據(jù)DO被設(shè)置為“H”，否則設(shè)置為“L。，，在該實(shí)施例的情況下，地址與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖 13B所示。因此，當(dāng)選擇電路78被截止時，返回基準(zhǔn)信號頻率被降低一半的類別標(biāo)識信號的 安全功能基板20A被檢測出，而當(dāng)選擇電路78接通時，返回基準(zhǔn)信號頻率被降低至四分之 一的類別標(biāo)識信號的安全功能基板20B被檢測出，當(dāng)適當(dāng)?shù)幕逡寻惭b時操作允許信號被 輸出。實(shí)施例4在以上描述的實(shí)施例中的每一個中，STO命令與類別標(biāo)識信號分離地從安全功能 基板20A和20B被發(fā)送至控制基板10，且利用該信號和操作允許信號，門截止信號在控制基 板10側(cè)產(chǎn)生，但在該實(shí)施例的情況下，當(dāng)STO命令被發(fā)送時，類別標(biāo)識信號的模式在安全功 能基板側(cè)被改變，且STO命令在控制基板10側(cè)從類別標(biāo)識信號中被檢測到。圖14是根據(jù)該實(shí)施例的類別識別電路13的電路構(gòu)造的示例。在該圖中，安全功 能基板20B包括在T觸發(fā)器92B的輸出與T觸發(fā)器93B的輸出之間切換的開關(guān)電路94B，其 中T觸發(fā)器92B輸出基準(zhǔn)信號頻率被降低至四分之一的信號，而T觸發(fā)器93B將基準(zhǔn)信號 頻率降低至八分之一。當(dāng)無STO命令輸入時，開關(guān)電路94B選擇T觸發(fā)器92B的輸出，而當(dāng) STO命令輸入時，開關(guān)電路94B選擇T觸發(fā)器93B的輸出，且將它們作為類別識別信號返回 至控制基板10。具有移位寄存器79的控制基板10的類別識別電路13按照來自方波發(fā)生器61的 基準(zhǔn)信號將輸入類別標(biāo)識信號順序地移位，并將它們輸入至輸出QO到Q7。從移位寄存器輸 出的信號被輸入至一致性確定電路76。有可能用ROM等來構(gòu)造一致性確定電路76，對應(yīng)于STO命令信號模式的地址的第 二數(shù)據(jù)位(Dl)被設(shè)置為“H”。在該實(shí)施例的情況下，當(dāng)存在STO命令時，返回其中基準(zhǔn)信號 頻率被降低至八分之一的信號，當(dāng)移位寄存器的輸出QO到Q7被視為具有周期性時，其中四 個連續(xù)位為“H”且四個連續(xù)位為“L”的地址的數(shù)據(jù)Dl被設(shè)置為“H”，且其他地址的數(shù)據(jù)Dl 被設(shè)置為“L”。數(shù)據(jù)DO的設(shè)置與實(shí)施例3中相同。從一致性確定電路76的數(shù)據(jù)DO和Dl 輸出的數(shù)據(jù)分別被輸入至D觸發(fā)器75和D觸發(fā)器80的D輸入端。來自方波發(fā)生器61的 基準(zhǔn)信號被輸入至D觸發(fā)器75和80中的每一個的時鐘輸入端。D觸發(fā)器75的輸出為操作 允許信號。此外，該操作允許信號和來自D觸發(fā)器80的反相輸出端的輸出信號被輸入至與 電路77，該與電路77的輸出作為門截止信號被輸出。在以此方式構(gòu)造的類別識別電路13中，當(dāng)類別標(biāo)識信號從安全功能基板20B被正常輸入其中時，一致性確定電路76的輸出DO變成“H”而Dl變成“L”，D觸發(fā)器75的輸出 變成“H”，而D觸發(fā)器80的反相輸出也變成“H”。因此，與電路77的輸出變成“H”。因此， 該操作允許信號處于有效狀態(tài)，而門截止信號處于無效狀態(tài)。當(dāng)STO命令在此情況下從安全功能基板20B輸出時，一致性確定電路76的輸出DO 變成“L”而Dl變成“H”。因此，D觸發(fā)器75的輸出變成“L”，而D觸發(fā)器80的反相輸出也 變成“L”。因此，與電路77的輸出變成“L”，門截止信號處于有效狀態(tài)，從而門電路12截止。根據(jù)該實(shí)施例，因為有可能用同一信號線發(fā)送類別標(biāo)識信號和STO命令，所以有 可能減少電纜數(shù)量和總線數(shù)量。實(shí)施例5
作為另一實(shí)施例，通過使控制基板10所發(fā)送的信號以恒定循環(huán)間隔發(fā)送，也可實(shí) 現(xiàn)基板類別標(biāo)識。通過以比受控設(shè)備所需安全功能所需的工作時間短的時間間隔輸出基板 類別標(biāo)識信號，并確認(rèn)適當(dāng)?shù)陌踩δ芑逡堰B接，有可能實(shí)現(xiàn)所需安全功能。此外，因為通過利用具有恒定周期間隔的信號有可能將非周期性信號模式用于基 板類別標(biāo)識信號，所以有可能應(yīng)用多種信號模式。此外，通過向連接至控制基板10的安全功能基板20A和20B提供將信號延遲一定 時間的延遲單元，通過安全功能基板20A和20B響應(yīng)于所接收的基準(zhǔn)信號返回延遲預(yù)定時 間而產(chǎn)生的信號作為類別標(biāo)識信號，也可能實(shí)現(xiàn)基板類別的標(biāo)識。通過在考慮收發(fā)器電路、 傳輸線等的延遲時間以及延遲單元延遲時間的情況下確定延遲時間容限范圍，以及控制基 板確定返回信號延遲時間的范圍，有可能確認(rèn)適當(dāng)?shù)陌踩δ芑逡堰B接。還可能按相位 指定延遲情況。作為被返回的反相邏輯信號的示例，具有180度延遲的信號波形與圖8的 類別標(biāo)識信號的波形相同。到現(xiàn)在為止，按照根據(jù)本實(shí)施例的安全裝置，通過準(zhǔn)備承擔(dān)安全功能的多種類型 的安全功能基板，并通過按照規(guī)范切換它們來利用這些安全功能基板，有可能容易地實(shí)現(xiàn) 符合客戶所要求的安全標(biāo)準(zhǔn)水平的最優(yōu)安全裝置。此外，還可能靈活地響應(yīng)規(guī)范的改變。具體而言，僅在已連接安全功能基板的類別與控制基板中初始設(shè)定的安全功能兼 容的情況下，控制基板的類別識別電路才激活操作允許信號，從而啟用控制過程。而且，在 STO命令或其他嚴(yán)重異常發(fā)生的情況下，類別識別電路發(fā)出門截止信號，從而立即切斷門電 路。因此，有可能防止因為切換安全功能基板時出現(xiàn)的連接錯誤所引起的安全功能的不工 作或故障，而且有可能以響應(yīng)于裝置故障迅速和可靠地停止受控設(shè)備的方式進(jìn)行控制，這 意味著有可能構(gòu)造高度可靠的系統(tǒng)。通過利用按照本實(shí)施例的多個實(shí)施例的方法來產(chǎn)生類別標(biāo)識信號，不僅可能檢測 安全功能基板的錯誤安裝，還有可能防止因類別標(biāo)識信號的傳輸線短路而發(fā)生的安全功能 的不工作或故障。而且，因為通過使請求強(qiáng)制扭矩關(guān)閉時的類別標(biāo)識信號與正常時的信號不同可使 類別標(biāo)識信號執(zhí)行請求強(qiáng)制扭矩關(guān)閉的功能，所以有可能減少信號線的數(shù)量，且可能降低 產(chǎn)品的成本。不限于上述實(shí)施例的本發(fā)明可利用多種修改來實(shí)現(xiàn)，而不背離本發(fā)明的范圍。例如，在實(shí)施例4中，STO命令也作為具有50%占空比的切換信號而產(chǎn)生，其中該 基準(zhǔn)信號的頻率以與基板類別標(biāo)識信號相同的方式降低，但它也可作為基于基準(zhǔn)信號的可
11選、唯一信號模式而產(chǎn)生。在這種情況下，利用諸如ROM之類的非易失性存儲器元件來實(shí)現(xiàn) 一致性確定電路是高效的，如實(shí)施例3和4中所述。通過輸入利用基準(zhǔn)信號采樣的類別標(biāo) 識信號作為地址，并在存儲器單元中預(yù)設(shè)與要確定的該信號模式相對應(yīng)的地址的特定數(shù)據(jù) 位，有可能容易地檢測所需信號模式。
權(quán)利要求
一種安全裝置，包括產(chǎn)生用于控制受控設(shè)備的控制信號的控制器；以及連接至所述控制器的安全功能單元，所述安全功能單元執(zhí)行預(yù)定安全功能，其中所述控制器包括選擇用于標(biāo)識應(yīng)當(dāng)連接的安全功能單元的類別的單元；向所述安全功能單元發(fā)送用于產(chǎn)生可進(jìn)行類別標(biāo)識的類別標(biāo)識信號的基準(zhǔn)信號的單元；基于從所述安全功能單元返回的所述類別標(biāo)識信號確定所連接的安全功能單元的所述類別是否與所選類別一致、并輸出所述確定的結(jié)果的單元；以及在所述確定的所述結(jié)果表示所連接的安全功能單元的所述類別與所選類別不一致的情況下禁止所述控制信號的輸出的單元，且其中所述安全功能單元包括基于從控制器傳送的所述基準(zhǔn)信號并且按照與所述安全功能單元的所述類別相適應(yīng)的過程產(chǎn)生類別標(biāo)識信號、并將所述信號返回所述控制器的單元。
2.如權(quán)利要求1所述的安全裝置，其特征在于所述控制器向所述安全功能單元發(fā)送連續(xù)的固定周期信號作為所述基準(zhǔn)信號，以及 所述安全功能單元基于所述固定周期信號向所述控制器返回其頻率在適合于所述安 全功能單元的所述類別的頻率降低條件下降低的信號作為所述類別標(biāo)識信號。
3.如權(quán)利要求1所述的安全裝置，其特征在于所述安全功能單元在適合于所述安全功能單元的所述類別的時間或相位條件下延遲 從所述控制器發(fā)送的所述基準(zhǔn)信號，并將經(jīng)延遲的信號返回至所述控制器作為所述類別標(biāo) 識信號。
4.如權(quán)利要求1所述的安全裝置，其特征在于所述控制器以比所述受控設(shè)備所需的安全功能所需的操作時間短的時間間隔向所述 安全功能單元發(fā)送所述基準(zhǔn)信號。
5.如權(quán)利要求1所述的安全裝置，其特征在于在因為來自所述外部或異常監(jiān)控功能的輸入而必須立即停止所述受控設(shè)備時，所述安 全功能單元產(chǎn)生與按照與所述安全功能單元的所述類別相適應(yīng)的過程產(chǎn)生的所述類別標(biāo) 識信號不同的信號，并將所述信號發(fā)送至所述控制器作為類別標(biāo)識信號。
6.一種利用如權(quán)利要求1所述的安全裝置的功率轉(zhuǎn)換器，包括設(shè)置有半導(dǎo)體開關(guān)元件的主電路，所述主電路通過利用所述控制信號接通和切斷所 述半導(dǎo)體開關(guān)元件的柵極將直流轉(zhuǎn)換成交流，并將所述交流提供給作為所述受控設(shè)備的電 機(jī)，其中所述控制器包括基于從外部輸入的所述電機(jī)的位置、速度以及扭矩中的至少一個的命令值來運(yùn)算所述 控制信號的運(yùn)算單元；以及允許所述控制信號的所述輸出通過或者截止所述控制信號的所述輸出通過的門電路， 在因為來自所述外部或反常監(jiān)控功能的輸入而必須立即停止所述所述電機(jī)時，所述安 全功能單元向所述控制器發(fā)送緊急停止信號，以及當(dāng)從所述安全功能單元接收到所述緊急停止信號時，所述控制器通過切斷所述門電路 來中斷所述控制信號，從而使其不通過所述運(yùn)算單元。
全文摘要
為了準(zhǔn)確地確定承擔(dān)所需標(biāo)準(zhǔn)的安全功能的安全功能單元已正確安裝在具有基本控制功能與安全功能分離的構(gòu)造的安全裝置中。一種安全裝置由控制器和安全功能單元構(gòu)成，其中該控制器設(shè)置有選擇用于標(biāo)識應(yīng)當(dāng)連接的安全功能單元的類別的單元；向該安全功能單元發(fā)送基準(zhǔn)信號的單元；基于從安全功能單元返回的用于標(biāo)識類別的類別標(biāo)識信號確定所連接的安全功能單元的類別是否與所選類別一致、并輸出確定結(jié)果的單元；以及在確定結(jié)果表示所連接的安全功能單元的類別與所選類別不一致的情況下禁止控制信號的輸出的單元，且其中該安全功能單元設(shè)置有基于從控制器傳送的基準(zhǔn)信號并且按照與安全功能單元的類別相適應(yīng)的過程產(chǎn)生類別標(biāo)識信號、并將該信號返回控制器的單元。
文檔編號G05B9/02GK101937191SQ20101021983
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者佐藤以久也, 藤田憲司, 高橋弘, 鷹見裕一 申請人:富士電機(jī)控股株式會社