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浅谈无刷直流电机与控制模组UL安规认证

文章来源 : 广东优科检测 发表时间:2019-04-24

电机UL认证

串激式电机的应用与特性
串激式电机 (Series Motors) 也称作电刷式电机 (Conventional Motors),具备高扭力输出的特性,常常被运用在毋需精确转速控制的电动工具中,例如手提式电钻、圆盘锯或是台式木工锯床、木工角度切割锯床等;其在构造上使用机械式换相器 (Commutator) ,将电源供应给电机转子绕组 (Armature)。由于采用接触式机械结构供应电源给电机转子绕组,所以业界也常常将换相器中的供电接触器称作电刷,常用的电刷多以石墨或是铜箔做为材质。

因为电刷长期与电动机的转子摩擦,会造成相当程度的噪音 (Noise)、震动 (Vibration)、电磁干扰 (EMI, Electromagnetic Interference) 以及电弧 (Arcing) 等状态,同时所磨耗的导电物质粉末也会充斥在电机内部,而导致若干程度的电气污染 (Pollution Degree)。因此,该产品的制造商或研发者应就产品安全、可靠度、或是维护成本的角度,进行较深入的考虑。

此外,电机转速或是扭力控制也是属于较为复杂的层面,因此一般会需要使用外部的角度编码器 (Encoder) 或是转速发电机 (Tachogenerator),检测电机运转的资料;再者,由于转动的绕组无法安置温度保护开关 (Thermostat) 或是温度保险丝 (Thermal Cut-Off),因此必须依靠测试各个部位的绝缘材料,如轴、线槽、换相器…等,评估产品是否会有电击与火灾的危险。

无刷式直流电机的应用与原理
无刷直流电机 (Brushless DC Motors, BLDC) 是利用电子换相电路将直流电源供应到电机转子绕组,因为没有机械式的电刷,所以被称作无刷直流电机。由于无刷直流电机具备了高效率、精淮的控制性能、以及能够利用电子构装来达到安全规范的要求等特性,所以在全球大力要求节能、减碳的诉求下,目前已被广泛的应用在冷冻空调范畴,如现今时兴的 DC 变频、无刷直流;或如在油电混合车的运用、及如吊扇等某些高经济价值的家电产品中。

目前最常用到的电子驱动方式,有利用霍尔效应元件 (Hall effect sensors) 或是反电动势 (Back EMF) 来侦测电机转子绕组的机械角度 (Mechanical Angle) 或电机角度 (Electrical Angle),然后淮确的控制 MOSFET 的开关,以达到电机持续的运转。

以利用霍尔元件的方式为例,霍尔效应符合以下的关系式:
以利用霍尔元件的方式为例,霍尔效应符合以下的关系式
其中 VH 为霍尔电压,IH 为霍尔电流,KH/d 为霍尔元件电磁系数,K 为霍尔组件不平衡系数,B 为磁通密度 (Magnetic flux)。

由此关系式可以了解,霍尔电压与磁通密度 (也就是电机运转的磁场强度) 及霍尔电流成正比,因此,当转子的磁轴与霍尔组件不同轴时,磁通较小。为了维持固定的霍尔电压,必须增大霍尔电流,如此便能精确的算出电机转子的导通顺序与时间。

《图一》为霍尔元件与直流电机所构成的两相式 (Two Phases) 无刷电机的电路模型。

《图一》霍尔组件式直流电机
《图一》霍尔组件式直流电机

   
当转子磁轴与霍尔组件同轴时,霍尔组件与 S 极的距离变得最短,磁通密度则为最高,造成霍尔元件 A 端子的电压较大,使得电晶体 Q1 导通,i1 电流在线圈 L1 内流通,线圈 L1 因而呈激磁状态,依据右手定则,得知线圈 L1 右侧为 S 极,故转子反转。

当转子 S 极远离霍尔元件时,磁通密度便向下降,此时 A、B 端不再产生霍尔电压,电晶体 Q1、Q2 呈OFF 状态,转子因受惯性作用,继续反向旋转。

当转子 N 极转至霍尔元件时,霍尔元件 B 端子的电压便相对较大,使得电晶体 Q2 导通,此时线圈 L2 内有 i2 电流流通,因此线圈 L2 呈激磁状态,转子再度受磁力作用反转。依照如此程式,转子持续转动。

无刷式直流电机的特性
霍尔组件式无刷直流电机由于利用霍尔元件来感应激磁顺序与时间,转子的相位为 /2 时便可令定子 (Stator) 导通,因此能减少不必要的电能浪费,同时也可以适时的提供转子转动所需的电磁力,大幅提升电机输出扭矩与效率,这也是所有无刷直流电机所能提供的最大优势。

在无刷直流电机的硬体中,以电子回路取代了机械式换相器与电刷,电气污染的问题也不会出现。同时,对于电子电路所撷取到的电气讯号,还可以利用其他的逻辑电路做讯号的放大、比较,而使电机运转的效率提升。

更重要的是,原先无法利用外加硬体保护装置来保护电机的问题,在无刷直流电机上可以利用微处理器 (Micro Processor) 与软件,来判断电子电路所截取到的电气讯号,而达成电机堵转 (Locked Rotor)、欠相 (Lost of Phase)、过负载 (Running Overload)、以及其他与安全功能相关的管理与保护。

相对而言,对于提供了电子保护功能的无刷直流电机,由于使用了大量的电子装置来撷取与处理电气讯号,因此必须接受电磁相容性 (EMC, Electromagnetic Compatibility) 评估;至于软件的可靠度,与有否考虑到相关的风险,并且在软件中有加以管理以及保护,也必须予以评估。

控制模组UL安规认证
UL 1004 电动机安全标淮中包含了对电子保护式电机 (Electronically-Protected Motors) 的规范,其 UL 产品类别编号 (CCN, Category Control Number) 为 XDNW。该标淮的章节 18B 中清楚的要求,凡具有电子保护控制器的电机,如属于商业或家庭用途,有关控制器便必须符合 UL 60730-1A 标淮;倘若具有电子保护控制器的电机将只会使用在工业用途上,有关控制器则必须符合 UL 508 标淮。

UL 60730-1 标淮的适用范围则为家庭用 (也包含类似用途,例如商业用途) 电器产品的控制器,这是一本与 IEC 60730-1A 标淮合併的安全规范,在其附录 H (Annex H) 内提供了针对电子式控制器的相关安全规范,且包含了软件及电磁相容的条文。

UL 60730-1A 将控制器依照用途,划分成运转用途 (Operating Control) 及保护用途 (Protective Control) 两大类。顾名思义,运转用途控制器指的是在正常操作条件下,使设备启动、运行的控制器,例如机械式单相交流电机启动开关 (Motor Starting Relay),就属于运转用途控制器;而保护用途控制器,指的则是当设备在非正常的操作条件下,提供危害防护功能的控制器,例如防止无刷直流电机因为堵转、欠相或是过负载,而造成功能不正常,甚至导致电击、火灾发生的控制器,就属于保护用途控制器。

控制模组UL安规认证案例
一个具有软件保护功能、商业或是家庭用途的无刷直流电机,在 UL认证的要求上来说,需要符合下表所示的安全规范:

产品无刷直流电机控制器控制软件
安规标淮UL 1004, 
UL 2111
UL 60730-1AANSI/
UL 1998
UL 产品类别编号(CCN)XDNW2XACN3UZQM3


在认证的流程上来说,首先要确认此一无刷直流电机的最终产品使用者为谁,以及其最终使用产品的安规是否接受以 UL 60730-1A 做为控制器的评估标淮。

在确认无误后,会先执行控制软件的UL安规认证,包括与客户以面对面的方式审查、测试软件,在取得软件认证后,紧接着的是控制器硬件的审查与评估,最后才会是无刷直流电机的认证。

与其他产品随机认证的模式不同的是,这三个认证评估有相当紧密的从属关系,也就是软件会决定硬件电路的配置,也会影响最终无刷直流电机的功能与硬件结构,因此三者无法同步进行,必须循着顺序,一一完成认证。

此外,上表中的 ANSI/UL 1998 同时亦是美国国家标淮 (America National Standard, ANSI),其名称为 Software in Programmable Components,是针对可程式电子元件 (如Microprocessor, Microelectronics) 所使用的软件 (也称作软件或编程) 的安全及性能所编写。在安规中对于 Microelectronics 的明确定义为:内含 1,000 个以上的数位逻辑闸 (Logic gate),或是∕以及有多于 24 个功能,或是∕以及可以重复编写程式的电子元件。与一般消费性电子商品最大不同处在于,软件并没有实体视觉上的结构可以直接观察,因此只能透过编码程式看到原始程式码,或是利用模拟器,甚至是在最终产品上,才可以看到其设计功能的展现,所以在审查的方式上与消费性电子商品完全不同。

我们可以说软件设计相当于文学、词曲创作,因此,进行认证时除了审查其设计能否实现最终功能外,更重要的是,其设计的历程及轨迹是否有完整的考虑到所有与安全相关的议题,这也是为何软件的UL安规认证一定要以面对面的方式审查。

在审查的初期,客户必须先提供电路图或含有硬件电路设计描述的设计书,以及安全风险评估计画与分析报告。在面对面的审核时,UL 工程师会依据电路设计图,询问讯号的流向,与确认相关的物理量,例如时间、电流、电压等后,即依据客户所提供的资料,来判定哪些软件的功能必须以测试的方式再次验证,这其中亦包含客户宣告的功能测试、以及在程式码中注入的错误码、或是将硬件电路予以开∕短路,来确认非正常情况下的保护模式。

在透过软件认证后,会以程式的版本号码及回圈校验和 (Checksum),或是其他方式,来为软件设定独一无二的识别标示。此时专案即可以进行到下一阶段,也就是以 UL 60730-1A 标淮审核控制器硬件。

UL 60730-1A 主要评估是控制器硬件的安全与性能,UL 60730 工程师会依据 UL 1998 工程师的结案报告,与客户所提供的产品结构及功能宣告表单 (CDF) 进行审查。

该审查流程将包含结构审核、以及产品测试与结案审查。UL 60730-1A 是一本包含了功能安全 (Functional Safety) 概念的安规标淮,在测试方面除了传统的产品安全性 (电击、火灾、人员伤害的风险) 评估,如温升 (Heating)、耐压 (Electric Strength)、耐用性 (Endurance) 与电气绝缘间隙 (Creepage and Clearance) 等评估外,还涵盖了产品功能性安全的评估,如宣告功能的飘移测试 (Deviation and Drift)、电磁相容测试 (EMC)、以及环境老化测试 (Environmental Stress) 等。

UL 60730-1A 虽为通用的安规要求,但针对特定的产品类别,还需要加上第二部规范的评估 (详见表二),如温控器要符合 UL 60730-1A 及 UL 60730-2-9;另认证的方式可以是限定用途的元件 (Unlisted Component) 或是非限定用途元件 (Recognized Component),如绝大多数的无刷直流马达控制器是使用在特定的马达上,同时其最终产品的用途也固定,就会被视为限定用途的元件,产品类别编号则为 XACN3。

标淮编号适用产品类别UL 产品类别编号 (CCN)
UL 60730-1A依据物理现象变化实现控制能量,以用在製冷、制热、通风及其他类似运用设备的控制器XACN
UL 60730-2-3萤光灯启动器用温度保护器XADM2
UL 60730-2-4利用温度的变化运作的马达温度保护器XADM2
UL 60703-2-6利用压力变化来控制能量的电子∕机械式控制器XAAK
UL 60730-2-9利用温度的变化来控制能量电子∕机械式控制器XACX
UL 60730-2-10A马达启动器-
UL 60730-2-11A能量调节器XACD2
UL 60730-2-12A电子∕机械式门锁控制器、用来避免门户在使用中的异常开启XABJ2
UL 60730-2-13利用湿度的变化来控制能量控制器XACI
UL 60730-2-14电子∕机械式节气阀控制器XABE
UL 60730-2-16A电子∕机械式浮球水位控制器-


《表二》UL 60730 系列适用的产品类别范例概述


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