論安全檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

　　1 緒論

　　隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高壓電系統(tǒng)的安全性 問題逐漸成為車企與零部件廠商關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，高壓互 鎖信號(hào)(HVIL, High Voltage Interlock Loop)的可靠檢測(cè) 是保障整車電氣安全的重要環(huán)節(jié)。最早提出基于“心跳脈沖 式”檢測(cè)方法的是Markus Demmerle和Harald Reuss，相 較于傳統(tǒng)的純開關(guān)式信號(hào)檢測(cè)，該方法通過特定頻率的脈沖 信號(hào)進(jìn)行回路監(jiān)測(cè)，能夠更靈敏地識(shí)別由插拔不良、接觸抖 動(dòng)、機(jī)械撞擊、老化等因素引起的阻抗變化，屬于一種動(dòng)態(tài) 監(jiān)測(cè)策略。該策略提升了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性與靈敏度，但也更易 受到電磁干擾的影響，因此對(duì)整車線路的屏蔽與電磁兼容設(shè) 計(jì)提出了更高要求。

　　在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)的AVIC Optoelectronics作為汽 車高壓連接器市場(chǎng)的領(lǐng)先供應(yīng)商，已在多款產(chǎn)品中集成了具 備互鎖檢測(cè)功能的接口;而國(guó)際廠商如TE Connectivity則是 全球最大的連接器制造商之一，同樣提供集成高壓互鎖檢測(cè) 能力的產(chǎn)品解決方案。此外，主機(jī)廠商的BMS(電池管理系 統(tǒng))通常具備基礎(chǔ)的HVIL檢測(cè)能力，并通過模塊化的檢測(cè)組 件如Bourns HVIL傳感器、Littelfuse高壓互鎖方案等，實(shí)現(xiàn) 高壓安全的冗余與擴(kuò)展。與汽車領(lǐng)域的高壓安全檢測(cè)類似， 在工業(yè)設(shè)備中，安全模塊也廣泛應(yīng)用于設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)單元 中。例如，通過對(duì)主軸電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)監(jiān)測(cè)，可判斷其 是否處于安全停止?fàn)顟B(tài)，從而允許操作人員開啟安全門等執(zhí) 行后續(xù)操作。若安全模塊的配置、設(shè)定不當(dāng)，同樣可能造成 誤報(bào)警，導(dǎo)致設(shè)備頻繁停機(jī)，甚至在非正常狀態(tài)下操作門無 法打開，引發(fā)次生安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境 中，兼顧動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的監(jiān)測(cè)策略，提高設(shè)備整體安全防護(hù)能 力，成為當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要課題。

圖 1 HVIL 插接件

圖 2 結(jié)構(gòu)圖解析

　　2 電動(dòng)汽車高壓互鎖插接件結(jié)構(gòu)分析

　　為確保電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)的使用安全，業(yè)界普遍采用高 壓互鎖(HVIL)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓連接狀態(tài)的監(jiān)控。圖1所 示為典型的 HVIL 插接件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由母接插件與公 接插件組成，分別連接電源的正負(fù)極和中間互鎖端子。在結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中，互鎖信號(hào)線路通常通過獨(dú)立的輔助觸點(diǎn)與主電源 連接觸點(diǎn)隔離。

　　如圖2所示：電源正極和電源負(fù)極通過主觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力

　　電的傳輸;同時(shí)，公母插頭內(nèi)部的中間互鎖端子在插接完成 前不會(huì)形成閉合回路;只有當(dāng)插接件完全插合后，互鎖端子 才會(huì)導(dǎo)通，形成完整的互鎖電路。該結(jié)構(gòu)確保在插頭未完全 連接或因故障松動(dòng)時(shí)，互鎖回路中斷，從而觸發(fā)整車控制器 斷電或發(fā)出故障警報(bào)，實(shí)現(xiàn)高壓系統(tǒng)的本質(zhì)安全控制。

　　3 PWM心跳信號(hào)檢測(cè)機(jī)制

　　傳統(tǒng)互鎖信號(hào)為簡(jiǎn)單的導(dǎo)通/斷開閉環(huán)判斷，但隨著系 統(tǒng)復(fù)雜度提高，汽車制造商逐漸引入更智能化的PWM心跳信 號(hào)檢測(cè)機(jī)制。如圖3所示為PWM心跳信號(hào)通訊原理示意圖， 其基本原理為：控制器在 HVIL 回路中注入一特定頻率和占 空比的 PWM 信號(hào)，作為“心跳信號(hào)”;下游互鎖模塊對(duì)該信 號(hào)進(jìn)行反饋并閉環(huán)返回;控制器持續(xù)檢測(cè)信號(hào)是否存在及其 波形是否異常。若發(fā)現(xiàn)信號(hào)中斷、幅值變化，頻率變化或占 空比異常，系統(tǒng)將判斷插接件接觸不良、回路被剪斷或插頭 未完全插入，進(jìn)而采取斷電、熔斷等安全措施。

　　PWM信號(hào)的檢測(cè)具有以下優(yōu)勢(shì)：更高的抗干擾性，相 比簡(jiǎn)單開關(guān)量回路，PWM 形式不易被誤觸發(fā);故障診斷能 力增強(qiáng)，可通過信號(hào)波形分析故障類型(如短路、斷路或信 號(hào)畸變);提升整車安全等級(jí)，為滿足 ISO 26262 中 ASIL 級(jí)別要求提供支撐。

　　插接件中的結(jié)構(gòu)互鎖與心跳信號(hào)機(jī)制相輔相成：結(jié)構(gòu)層 面保障了基本的連接完整性與物理接觸可靠性，信號(hào)層面則 提升了監(jiān)控維度與檢測(cè)智能化水平。在實(shí)際應(yīng)用中，許多新 能源汽車廠商會(huì)將互鎖信號(hào)與高壓控制繼電器、BMS(電池 管理系統(tǒng))、VCU(整車控制器)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多重聯(lián)鎖保護(hù)。

　　4 工業(yè)設(shè)備停機(jī)檢測(cè)

　　在工業(yè)設(shè)備的安全停機(jī)檢測(cè)中，主要存在兩種主流的 技術(shù)路徑：以 SICK 為代表的電壓監(jiān)測(cè)型檢測(cè)方式，以及以 Schmersal 和 PILZ為代表的頻率監(jiān)測(cè)型檢測(cè)方式。這兩類檢測(cè) 機(jī)制在原理、應(yīng)用場(chǎng)景和響應(yīng)邏輯上各具優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電 動(dòng)機(jī)、變頻器及高能耗設(shè)備的停機(jī)確認(rèn)與安全聯(lián)鎖控制中。

　　隨著設(shè)備智能化程度的不斷提升，如何選擇合適的檢測(cè) 方式并進(jìn)行精細(xì)化的安裝與調(diào)試，已成為確保工業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定 運(yùn)行與人機(jī)安全不可或缺的重要環(huán)節(jié)。本文將圍繞上述兩種 檢測(cè)技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入探討與對(duì)比分析。

　　圖4展示的是 SICK 靜止監(jiān)控模塊的檢測(cè)工作流程及信號(hào)

圖 3 PWM 心跳信號(hào)通訊原理示意圖

圖 4 SICK 常用安全模塊停機(jī)檢測(cè)原理

　　變化情況。該模塊通過直接檢測(cè)三相電源端(L1、L2、L3) 的電壓幅值來判斷設(shè)備是否已經(jīng)靜止。其主要工作原理如 下：在輸入端 L1、L2、L3 上檢測(cè)電壓，關(guān)鍵參數(shù)有：

　　(1)Uan：用戶設(shè)定的電壓閾值;

　　(2)ts：延遲時(shí)間，即確認(rèn)靜止?fàn)顟B(tài)所需持續(xù)時(shí)間。

　　工作邏輯如下：

　?、佼?dāng)檢測(cè)到電壓低于閾值Uan，并持續(xù)超過設(shè)定的ts時(shí) 間后，判定為“靜止”;

　?、诎踩^電器輸出動(dòng)作：13/14 觸點(diǎn)閉合，41/42 打 開，允許聯(lián)鎖釋放;

　　③若之后電壓再次超過 Uan，立即退出“靜止”狀態(tài)， 繼電器輸出復(fù)位。

　　兩個(gè)不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速變化曲線和觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間線展示 了整個(gè)過程，在圖4中：

　　· 左圖：設(shè)備正在制動(dòng)，電壓逐漸下降，3 秒后低于閾 值，輸出觸點(diǎn)閉合;

　　· 右圖：電壓穩(wěn)定在低值，保持靜止，系統(tǒng)維持“聯(lián)鎖 允許”狀態(tài)。

　　在工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，SCHMERSAL采用的是基于頻 率監(jiān)測(cè)的電機(jī)靜止檢測(cè)方案。其原理電路如圖5所示，系統(tǒng) 以雙通道頻率傳感器為核心，通過對(duì)傳感器脈沖信號(hào)進(jìn)行比 對(duì)，從而判斷電機(jī)是否處于完全靜止?fàn)顟B(tài)。該系統(tǒng)包含以下 關(guān)鍵功能模塊與原理邏輯：

　　· 頻率信號(hào)采集與比較：系統(tǒng)的S12與S22輸入端分別接 入兩個(gè)傳感器的輸出脈沖信號(hào)，并與預(yù)設(shè)的截止頻率(cut- off frequency)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比。如果兩個(gè)傳感器之間的頻 率差異超過20%，則會(huì)被識(shí)別為系統(tǒng)故障，觸發(fā)錯(cuò)誤處理邏 輯，從而防止錯(cuò)誤的安全判斷;

　　· 安全輸出控制邏輯：當(dāng)傳感器信號(hào)低于設(shè)定的截止頻 率時(shí)，系統(tǒng)判斷電機(jī)已靜止，隨后可以通過輸入端X3啟用安 全輸出。如果用戶希望系統(tǒng)在達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)后自動(dòng)輸出安全 信號(hào)，則應(yīng)將X3端口直接接入+24VDC電源電壓;

　　· 用戶交互與復(fù)位功能：系統(tǒng)提供多個(gè)用戶交互接口， 如 S1(附加靜止信號(hào)輸入)、S2(復(fù)位按鈕，用于清除報(bào) 警信息)及 S3(啟動(dòng)按鈕)。用戶可通過這些接口進(jìn)行安全 控制邏輯的啟停與錯(cuò)誤信息清除操作，確保操作的靈活性與 安全性;

　　· 輸出與互鎖控制：系統(tǒng)的安全輸出(K1、K2)連接 至后端互鎖裝置，形成完整的聯(lián)動(dòng)控制邏輯;而信號(hào)輸出端 (例如 Q1、Q2)則用于反饋設(shè)備當(dāng)前安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備 狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示與信息交互。

　　SCHMERSAL不僅實(shí)現(xiàn)了基于頻率的電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)精確

　　識(shí)別，同時(shí)具備雙通道檢測(cè)與輸出控制功能，進(jìn)一步提升了 系統(tǒng)的安全冗余性和響應(yīng)可靠性。這種檢測(cè)方式適用于各種 變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備的安全聯(lián)鎖控制，尤其在存在惰性運(yùn)動(dòng)殘留的 應(yīng)用場(chǎng)景中，表現(xiàn)出更高的敏感性和實(shí)時(shí)性。

　　圖6對(duì)應(yīng)的是SCHMERSAL電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)要求，為 實(shí)現(xiàn)電機(jī)是否靜止的準(zhǔn)確判定，SCHMERSAL系統(tǒng)依賴于高 精度的機(jī)械轉(zhuǎn)盤與雙傳感器檢測(cè)機(jī)制。圖6中所示為典型的 傳感器與轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)要求如下：

　?、俎D(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)要求

　　轉(zhuǎn)盤通常與電機(jī)軸固定安裝，在轉(zhuǎn)盤周邊按一定規(guī)則開 設(shè)多個(gè)缺口或凹槽，形成可識(shí)別的旋轉(zhuǎn)標(biāo)志區(qū)域。這些缺口 在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，會(huì)周期性地遮擋或釋放傳感器的檢測(cè)視線， 從而生成對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)。在該設(shè)計(jì)中，每個(gè)缺口區(qū)域?qū)?yīng) 60°,其中每個(gè)斜邊區(qū)域?yàn)? 30°,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的靈敏檢測(cè)。

　?、陔p傳感器結(jié)構(gòu)配置

　　如圖6所示，兩個(gè)傳感器相互錯(cuò)開角度布置，分別監(jiān)測(cè)不同的缺口區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩傳感器將輸出具有相 位差的脈沖信號(hào)，形成雙通道冗余輸入，提升檢測(cè)的安全等 級(jí)。這種結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的識(shí)別能力，同時(shí)允許 系統(tǒng)通過對(duì)兩通道頻率與相位差的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī) 狀態(tài)識(shí)別。

　?、蹤z測(cè)精度保障機(jī)制

　　借助精密布置的傳感器及規(guī)則刻槽的轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)， SCHMERSAL 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集轉(zhuǎn)盤角速度信息，進(jìn)而通過 頻率比較判斷電機(jī)是否已完全停轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率下降至低于 設(shè)定閾值，系統(tǒng)可判定設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，并根據(jù)邏輯輸出 安全信號(hào)，確保人員與設(shè)備的操作安全。

　　通過以上結(jié)構(gòu)，SCHMERSAL 方案實(shí)現(xiàn)了無需電壓感知即 可準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，特別適用于帶有高慣性負(fù)載或伺服控制 系統(tǒng)的工業(yè)場(chǎng)景，為工業(yè)安全提供了可靠的靜止判斷依據(jù)。

　　圖7展示了 Schmersal 靜止監(jiān)控模塊中基于頻率閾值 判斷設(shè)備是否停止運(yùn)轉(zhuǎn)的核心原理。該模塊接收來自外部的 脈沖發(fā)生器信號(hào)(例如接近開關(guān)或編碼器)，并實(shí)時(shí)測(cè)量 信號(hào)的頻率變化。當(dāng)檢測(cè)頻率下降至設(shè)定的截止頻率(Cut- off frequency)以下，系統(tǒng)開始判斷電機(jī)是否已進(jìn)入靜止 狀態(tài)。若設(shè)備在設(shè)定的600秒內(nèi)未出現(xiàn)低于截止頻率的信號(hào) (圖中①) , 則系統(tǒng)不認(rèn)為其已靜止。另一方面，在使用雙 通道傳感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)允許兩個(gè)傳感器在靜止判定上 的結(jié)果差異存在最多5秒的時(shí)間窗(圖中②),超過該差值 則觸發(fā)故障報(bào)警機(jī)制，切斷安全繼電器回路。此類頻率判定 方法相比傳統(tǒng)的“接點(diǎn)式信號(hào)檢測(cè)”更具靈敏度，能更早識(shí) 別因碰撞、老化等因素導(dǎo)致的機(jī)械停滯;但缺點(diǎn)是易受電磁 干擾，因此需加強(qiáng)屏蔽設(shè)計(jì)，確保信號(hào)采樣穩(wěn)定可靠。

　　表1為SICK安全停機(jī)檢測(cè)與SCHMERSAL安全停機(jī)檢測(cè) 對(duì)比。

　　5 結(jié)論

　　本文圍繞工業(yè)設(shè)備與電動(dòng)汽車領(lǐng)域中的安全檢測(cè)技術(shù)進(jìn) 行了系統(tǒng)探討，重點(diǎn)分析了高壓互鎖結(jié)構(gòu)、PWM心跳信號(hào)檢 測(cè)機(jī)制以及工業(yè)設(shè)備停機(jī)檢測(cè)的兩種主流形式——電壓檢測(cè) 與頻率檢測(cè)。在電動(dòng)汽車中，通過插接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與中間 互鎖端子的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了高壓回路的安全閉合檢測(cè)，并結(jié)合 PWM信號(hào)形成的“心跳”機(jī)制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)性與 容錯(cuò)能力，確保了高壓系統(tǒng)的操作安全。

　　在工業(yè)設(shè)備安全停機(jī)檢測(cè)方面，本文對(duì)比了以SICK為 代表的電壓檢測(cè)法和以SCHMERSAL、PILZ為代表的頻率檢 測(cè)法。電壓檢測(cè)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于傳統(tǒng)電機(jī)回路;而頻 率檢測(cè)方式則借助雙傳感器與帶缺口轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，通過分析傳 感器輸出頻率變化與相位關(guān)系，能夠更精確地識(shí)別電機(jī)是否 靜止，特別適合高慣性或變頻驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜場(chǎng)景。綜合分析表 明，在復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)或新能源汽車領(lǐng)域，安全檢測(cè)技術(shù)的精 度與實(shí)時(shí)性對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性具有決定性意義。在未來 相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況合理選型，結(jié)合電壓、頻 率等多維度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)的冗余安全防護(hù)，進(jìn)一步保障 設(shè)備與人員的操作安全。