1 绪论

　　随着新能源汽车产业的快速发展，高压电系统的安全性 问题逐渐成为车企与零部件厂商关注的焦点。其中，高压互 锁信号(HVIL, High Voltage Interlock Loop)的可靠检测 是保障整车电气安全的重要环节。最早提出基于“心跳脉冲 式”检测方法的是Markus Demmerle和Harald Reuss，相 较于传统的纯开关式信号检测，该方法通过特定频率的脉冲 信号进行回路监测，能够更灵敏地识别由插拔不良、接触抖 动、机械撞击、老化等因素引起的阻抗变化，属于一种动态 监测策略。该策略提升了检测的实时性与灵敏度，但也更易 受到电磁干扰的影响，因此对整车线路的屏蔽与电磁兼容设 计提出了更高要求。

　　在产业应用方面，国内的AVIC Optoelectronics作为汽 车高压连接器市场的领先供应商，已在多款产品中集成了具 备互锁检测功能的接口;而国际厂商如TE Connectivity则是 全球最大的连接器制造商之一，同样提供集成高压互锁检测 能力的产品解决方案。此外，主机厂商的BMS(电池管理系 统)通常具备基础的HVIL检测能力，并通过模块化的检测组 件如Bourns HVIL传感器、Littelfuse高压互锁方案等，实现 高压安全的冗余与扩展。与汽车领域的高压安全检测类似， 在工业设备中，安全模块也广泛应用于设备的关键运动单元 中。例如，通过对主轴电机的状态进行静态监测，可判断其 是否处于安全停止状态，从而允许操作人员开启安全门等执 行后续操作。若安全模块的配置、设定不当，同样可能造成 误报警，导致设备频繁停机，甚至在非正常状态下操作门无 法打开，引发次生安全风险。因此，如何在复杂工业环境 中，兼顾动态与静态的监测策略，提高设备整体安全防护能 力，成为当前工业控制系统设计的重要课题。

图 1 HVIL 插接件

图 2 结构图解析

　　2 电动汽车高压互锁插接件结构分析

　　为确保电动汽车高压系统的使用安全，业界普遍采用高 压互锁(HVIL)技术来实现对高压连接状态的监控。图1所 示为典型的 HVIL 插接件结构。该结构主要由母接插件与公 接插件组成，分别连接电源的正负极和中间互锁端子。在结 构设计中，互锁信号线路通常通过独立的辅助触点与主电源 连接触点隔离。

　　如图2所示：电源正极和电源负极通过主触点实现动力

　　电的传输;同时，公母插头内部的中间互锁端子在插接完成 前不会形成闭合回路;只有当插接件完全插合后，互锁端子 才会导通，形成完整的互锁电路。该结构确保在插头未完全 连接或因故障松动时，互锁回路中断，从而触发整车控制器 断电或发出故障警报，实现高压系统的本质安全控制。

　　3 PWM心跳信号检测机制

　　传统互锁信号为简单的导通/断开闭环判断，但随着系 统复杂度提高，汽车制造商逐渐引入更智能化的PWM心跳信 号检测机制。如图3所示为PWM心跳信号通讯原理示意图， 其基本原理为：控制器在 HVIL 回路中注入一特定频率和占 空比的 PWM 信号，作为“心跳信号”;下游互锁模块对该信 号进行反馈并闭环返回;控制器持续检测信号是否存在及其 波形是否异常。若发现信号中断、幅值变化，频率变化或占 空比异常，系统将判断插接件接触不良、回路被剪断或插头 未完全插入，进而采取断电、熔断等安全措施。

　　PWM信号的检测具有以下优势：更高的抗干扰性，相 比简单开关量回路，PWM 形式不易被误触发;故障诊断能 力增强，可通过信号波形分析故障类型(如短路、断路或信 号畸变);提升整车安全等级，为满足 ISO 26262 中 ASIL 级别要求提供支撑。

　　插接件中的结构互锁与心跳信号机制相辅相成：结构层 面保障了基本的连接完整性与物理接触可靠性，信号层面则 提升了监控维度与检测智能化水平。在实际应用中，许多新 能源汽车厂商会将互锁信号与高压控制继电器、BMS(电池 管理系统)、VCU(整车控制器)联动，实现多重联锁保护。

　　4 工业设备停机检测

　　在工业设备的安全停机检测中，主要存在两种主流的 技术路径：以 SICK 为代表的电压监测型检测方式，以及以 Schmersal 和 PILZ为代表的频率监测型检测方式。这两类检测 机制在原理、应用场景和响应逻辑上各具优势，广泛应用于电 动机、变频器及高能耗设备的停机确认与安全联锁控制中。

　　随着设备智能化程度的不断提升，如何选择合适的检测 方式并进行精细化的安装与调试，已成为确保工业系统稳定 运行与人机安全不可或缺的重要环节。本文将围绕上述两种 检测技术的结构原理与实际应用进行深入探讨与对比分析。

　　图4展示的是 SICK 静止监控模块的检测工作流程及信号

图 3 PWM 心跳信号通讯原理示意图

图 4 SICK 常用安全模块停机检测原理

　　变化情况。该模块通过直接检测三相电源端(L1、L2、L3) 的电压幅值来判断设备是否已经静止。其主要工作原理如 下：在输入端 L1、L2、L3 上检测电压，关键参数有：

　　(1)Uan：用户设定的电压阈值;

　　(2)ts：延迟时间，即确认静止状态所需持续时间。

　　工作逻辑如下：

　　①当检测到电压低于阈值Uan，并持续超过设定的ts时 间后，判定为“静止”;

　　②安全继电器输出动作：13/14 触点闭合，41/42 打 开，允许联锁释放;

　　③若之后电压再次超过 Uan，立即退出“静止”状态， 继电器输出复位。

　　两个不同状态下的转速变化曲线和触点动作时间线展示 了整个过程，在图4中：

　　· 左图：设备正在制动，电压逐渐下降，3 秒后低于阈 值，输出触点闭合;

　　· 右图：电压稳定在低值，保持静止，系统维持“联锁 允许”状态。

　　在工业安全监控系统中，SCHMERSAL采用的是基于频 率监测的电机静止检测方案。其原理电路如图5所示，系统 以双通道频率传感器为核心，通过对传感器脉冲信号进行比 对，从而判断电机是否处于完全静止状态。该系统包含以下 关键功能模块与原理逻辑：

　　· 频率信号采集与比较：系统的S12与S22输入端分别接 入两个传感器的输出脉冲信号，并与预设的截止频率(cut- off frequency)进行实时对比。如果两个传感器之间的频 率差异超过20%，则会被识别为系统故障，触发错误处理逻 辑，从而防止错误的安全判断;

　　· 安全输出控制逻辑：当传感器信号低于设定的截止频 率时，系统判断电机已静止，随后可以通过输入端X3启用安 全输出。如果用户希望系统在达到静止状态后自动输出安全 信号，则应将X3端口直接接入+24VDC电源电压;

　　· 用户交互与复位功能：系统提供多个用户交互接口， 如 S1(附加静止信号输入)、S2(复位按钮，用于清除报 警信息)及 S3(启动按钮)。用户可通过这些接口进行安全 控制逻辑的启停与错误信息清除操作，确保操作的灵活性与 安全性;

　　· 输出与互锁控制：系统的安全输出(K1、K2)连接 至后端互锁装置，形成完整的联动控制逻辑;而信号输出端 (例如 Q1、Q2)则用于反馈设备当前安全状态，实现设备 状态的实时显示与信息交互。

　　SCHMERSAL不仅实现了基于频率的电机静止状态精确

　　识别，同时具备双通道检测与输出控制功能，进一步提升了 系统的安全冗余性和响应可靠性。这种检测方式适用于各种 变频驱动设备的安全联锁控制，尤其在存在惰性运动残留的 应用场景中，表现出更高的敏感性和实时性。

　　图6对应的是SCHMERSAL电机转动检测的结构要求，为 实现电机是否静止的准确判定，SCHMERSAL系统依赖于高 精度的机械转盘与双传感器检测机制。图6中所示为典型的 传感器与转盘结构，具体结构要求如下：

　　①转盘设计要求

　　转盘通常与电机轴固定安装，在转盘周边按一定规则开 设多个缺口或凹槽，形成可识别的旋转标志区域。这些缺口 在转动过程中，会周期性地遮挡或释放传感器的检测视线， 从而生成对应的脉冲信号。在该设计中，每个缺口区域对应 60°,其中每个斜边区域为 30°,实现对转速的灵敏检测。

　　②双传感器结构配置

　　如图6所示，两个传感器相互错开角度布置，分别监测不同的缺口区域。当转盘旋转时，两传感器将输出具有相 位差的脉冲信号，形成双通道冗余输入，提升检测的安全等 级。这种结构不仅增强了对转动方向的识别能力，同时允许 系统通过对两通道频率与相位差的监控，实现更精确的电机 状态识别。

　　③检测精度保障机制

　　借助精密布置的传感器及规则刻槽的转盘设计， SCHMERSAL 系统能够实时采集转盘角速度信息，进而通过 频率比较判断电机是否已完全停转。当转动频率下降至低于 设定阈值，系统可判定设备处于静止状态，并根据逻辑输出 安全信号，确保人员与设备的操作安全。

　　通过以上结构，SCHMERSAL 方案实现了无需电压感知即 可准确检测转动状态，特别适用于带有高惯性负载或伺服控制 系统的工业场景，为工业安全提供了可靠的静止判断依据。

　　图7展示了 Schmersal 静止监控模块中基于频率阈值 判断设备是否停止运转的核心原理。该模块接收来自外部的 脉冲发生器信号(例如接近开关或编码器)，并实时测量 信号的频率变化。当检测频率下降至设定的截止频率(Cut- off frequency)以下，系统开始判断电机是否已进入静止 状态。若设备在设定的600秒内未出现低于截止频率的信号 (图中①) , 则系统不认为其已静止。另一方面，在使用双 通道传感器进行检测时，系统允许两个传感器在静止判定上 的结果差异存在最多5秒的时间窗(图中②),超过该差值 则触发故障报警机制，切断安全继电器回路。此类频率判定 方法相比传统的“接点式信号检测”更具灵敏度，能更早识 别因碰撞、老化等因素导致的机械停滞;但缺点是易受电磁 干扰，因此需加强屏蔽设计，确保信号采样稳定可靠。

　　表1为SICK安全停机检测与SCHMERSAL安全停机检测 对比。

　　5 结论

　　本文围绕工业设备与电动汽车领域中的安全检测技术进 行了系统探讨，重点分析了高压互锁结构、PWM心跳信号检 测机制以及工业设备停机检测的两种主流形式——电压检测 与频率检测。在电动汽车中，通过插接件的结构设计与中间 互锁端子的串联，实现了高压回路的安全闭合检测，并结合 PWM信号形成的“心跳”机制，提高了系统的响应实时性与 容错能力，确保了高压系统的操作安全。

　　在工业设备安全停机检测方面，本文对比了以SICK为 代表的电压检测法和以SCHMERSAL、PILZ为代表的频率检 测法。电压检测方式结构简单，适用于传统电机回路;而频 率检测方式则借助双传感器与带缺口转盘结构，通过分析传 感器输出频率变化与相位关系，能够更精确地识别电机是否 静止，特别适合高惯性或变频驱动的复杂场景。综合分析表 明，在复杂工业系统或新能源汽车领域，安全检测技术的精 度与实时性对系统整体运行稳定性具有决定性意义。在未来 相关系统设计中，应根据实际工况合理选型，结合电压、频 率等多维度信号，实现多层级的冗余安全防护，进一步保障 设备与人员的操作安全。