吸油煙機自動活動部件及其控制電路的設計與安全

陳常山　呂惠政　王悅　祝賀　岳洪霞

山東省計量科學研究院　山東濟南　250014

1　引言

隨著人們對潔凈電動器具的美觀化、與家居環境一體化的追求，家電企業開始研發一些結構多樣帶有自動活動部件的吸油煙機產品，并逐漸進入家庭和餐飲行業。

帶有自動活動部件的吸油煙機產品通常有這樣的結構：當打開吸油煙電源或排風扇開始工作前，器具會首先自動打開位于器具外殼上的自動門（或電動板），露出進風口及風扇護網等功能部件；反之，當關閉吸油煙電源或排風扇結束工作后，器具會自動關閉位于器具外殼上的自動門（或電動板），隱藏進風口及風扇護網等功能部件，達到器具與環境整潔、一體的效果，并在一定程度上防止因室內外壓差造成的污染空氣回流。

雖然在現行的吸油煙機安全標準GB 4706.28-2008《家用和類似用途電器的安全 吸油煙機的特殊要求》中并無規定這種易觸及自動活動部件的相關條款，但在IEC 60335-2-31:2012（Ed5.0）（家用和類似用途電器的安全 第2-31部分：吸油煙機及其他烹飪煙氣吸排裝置的特殊要求）中已有相關條款的規定，在研發這類產品時，應滿足其相關條款的安全要求。

2　一例吸油煙機自動活動部件的結構

圖1中所示的吸油機自動活動部件是一種翻轉板結構，主要由活動部件、直流電機驅動機構、驅動電路組成。當活動部件向上翻轉時，打開吸油煙機進風口，吸油煙機開始工作；反之，當活動部件向下翻轉時，關閉吸油煙機進風口，吸油煙機停止工作。

IEC 60335-2-31:2012（Ed5.0）第20.101條要求：如果吸油煙機或下排式系統的一部分可以自動移動，應沒有夾住或受傷的危險。器具在額定電壓下工作并打開和關閉運動部件,運動部件應：

（1）當接近可能發生夾住的任何位置的最后50mm行程應降速至低于15mm/s；或

（2）將IEC 61032的32號試驗探棒放在任何可能造成潛在夾住的點，覆蓋開口的寬和高：

——在接觸試驗探棒之前停止并向相反方向運動；或

——如果運動部件接觸試驗探棒：

不在試驗探棒上產生超過100N的力；或不在試驗探棒上產生剪切力。

3　自動活動部件的安全控制方法

圖1中所示結構的活動部件部件，經常見到的設計是使用一個直流電機、減速機構、開關電路來驅動活動部件打開或關閉。但為了防止其周圍邊緣夾傷使用人員的手，還應對其驅動機構的控制進行合理設計，并滿足上述安全標準IEC 60335-2-31:2012（Ed5.0）第20.101條款的要求。

圖1　一例吸油煙機自動活動部件的結構

圖2　自動活動部件直流電機驅動機構的控制電路圖

其中一個較易實現的方法是使用較高減速比的直流電機驅動機構，使活動部件周圍邊緣打開和關閉的速度低于15mm/s，但當活動部件行程較大時（例如為了使吸油煙機有較好的通風量），其過慢的開關速度會降低使用效率。

為了較好地控制圖1所示的活動部件，圖2給出了一種控制電路（圖中略去了控制器、電源等電路），主要包括一個直流電機、4個MOSFET三極管、電流檢測電阻及其他控制和檢測電路等，安全控制原理如下：

當活動部件關閉過程中受到手或其它外力阻擋時，直流電機受到的阻力增大或堵轉，從而流過電阻R的電流迅速增大，導致TS端的電壓信號變大，控制器檢測到TS端的電壓信號達到預設定的安全限值時，立即停止施加在DH、DL端的控制信號，直流電機驅動機構立即停止關閉動作，或活動部件停止關閉動作后，立即在UH、UL端施加信號使直流電機驅動機構反向動作從而防止夾手的危險。反之亦然，在活動部件打開過程中，除了施加控制信號端不同、安全限值可能不同外，控制原理與活動部件關閉過程相同。

TS端電壓的安全限值整定方法：首先使用IEC 61032的32號試驗探棒確定活動部件關閉或打開時可能發生夾手的部位，再使用拉/壓力計檢測活動部件這些可能夾手部位對試驗探棒產生的作用力，同時測量TS端的電壓，當試驗探棒受到的作用力達到小于100N的某個安全值時（這個安全值應充分考慮到電機驅動活動部件需要克服阻力的變化以及控制器、控制電路產生的時間延遲的影響），記錄TS端的電壓作為安全限值。

根據活動部件及其驅動機構的結構，活動部件打開與關閉的安全限值可能不相同，注意這時控制器需要分別使用不同的安全限值進行控制。

4　電子線路單一故障時控制電路的安全性分析

分析圖2所示的控制電路可以看出，其安全控制依賴于電子線路，對此IEC 60335-2-31:2012（Ed5.0）第20.101條要求：……，如果符合性依賴于電子電路的動作，該試驗分別在下述條件下重復進行：

—— 每次施加一個19.11.2 的a）到g）中的故障情況到

電子線路上；

——19.11.4.1到19.11.4.7的電磁現象試驗施加到器具上。運動部件應：

（1）當接近可能發生夾住的任何位置的最后50mm行程應降速至低于15mm/s；或

（2）將IEC 61032的32號試驗探棒橫跨在運動部件的任何可能造成潛在夾住的點，覆蓋開口的寬和高：

——在接觸試驗探棒之前停止并向相反方向運動；或

——如果運動部件接觸試驗探棒：不在試驗探棒上產生超過100N的力；或不在試驗探棒上產生剪切力。

在圖2所示的控制電路中，因活動部件的打開或關閉動作都是由兩路獨立的電子線路完成的，所以當Q1、Q2、Q3、Q4及其驅動電路的任何一個電子元件發生故障時，都可以不影響直流電機驅動機構的安全控制。例如，當Q1發生擊穿導通時，活動部件的打開或停止動作，仍可由Q4完成，而在執行活動部件的關閉動作時，在DH、DL端施加信號使Q2、Q3導通，由于Q1擊穿導通，導致TS端電壓信號超過安全設定值，控制器可立即停止關閉動作。同理，當Q2、Q3、Q4中的任一個電子元件發生擊穿導通時情況也是這樣；另外當控制器發出打開或關閉活動部件控制的信號時，如果沒有同時檢測到TS端對應電機運轉的電壓信號時，也立即停止輸出控制信號，以防止因檢測電路或TS輸入端口故障導致發生危險。

圖3所示是一種簡化設計的直流電機控制電路，跟圖2的控制電路比較，使用了2個繼電器取代了4個MOSFET三極管，輸入控制信號也由4個簡化為2個。

當使用圖3所示的控制電路時，在安全控制方法上應有別于圖2的電路。原因是在圖3所示的電路中，當發生單一電子元件故障時，例如，當發生三極管P1或P2擊穿故障或控制器UH或DH信號故障時（例如類似集成電路端口持續輸出高電平故障），繼電器K1或K2持續得電吸合，直流電機會持續運轉導致活動部件控制失效。此時只有在另一信號輸入端（例如DH端或UH端）輸入高電平控制信號，使繼電器K2或K1同時吸合，才能切斷直流電機電源，使活動部件停止運動。

所以當使用圖3所示或類似的控制電路時，器具一旦上電，TS端的電壓信號就應被控制器持續檢測，如果控制器在即沒有發出UH信號也沒有發出DH信號的狀態下，卻仍檢測到TS端對應電機運轉的電壓信號時，控制器應立即同時輸出UH和DH信號，以切斷電機電源，防止危險發生；另外，同圖2的控制電路一樣，當控制器發出打開或關閉活動部件控制信號時，未同時檢測到TS端對應電機運轉的電壓信號時，也應立即停止輸出控制信號，以防止因檢測電路或TS輸入端口故障而發生危險。

當然也可以在圖3所示控制電路的基礎上增加一路VC（電源）開關控制電路，在活動部件不工作的狀態下或發生電子線路故障時，切斷電機電源。上述電子線路故障也可以由控制器以故障代碼的方式顯示出來，以便于故障檢查和排除。

5　另一類吸油煙機自動活動部件結構

圖4中所示的吸油機自動活動部件，是一種伸縮式進風口結構，當進風口組件下降時打開進風口，吸油煙機開始工作；反之當進風口組件提升時關閉進風口，吸油煙機停止工作。其電機驅動機構中使用了皮帶傳動，以較易實現較大的開、關行程。電機驅動電路仍可采用圖2或圖3所示的控制電路，但在進風口提升過程中需要克服進風口組件自身的重力，而當進風口下降時，進風口組件的重力連同電機驅動機構共同提供向下的作用力，所以使用圖2或圖3所示的控制電路時，TS端電壓的安全限值在打開和關閉進風口時應有較大的區別。

僅從圖4所示吸油煙機結構自身來說，容易被認為當打開進風口時不會發生夾手等傷害，因而不需要考慮打開進風口時的安全問題，但實際上在日常使用環境中，進風口打開時，存在因觸碰到其下方的灶臺、灶具等物體而產生傷害的危險，所以仍要考慮打開進風口時的安全限值，同時在設計時要盡量減少進風口組件自身的重量。必要時在進風口組件的底部設計擋板和開關觸發裝置，以防止因與外部環境物體發生觸碰產生的危險。

圖3　簡化的控制電路圖

圖4　一例吸油煙機伸縮式進風口自動活動部件的結構

在圖3所示的結構中，還應考慮皮帶傳動斷裂時活動部件（進風口組件）因重力突然砸落的危險，可以設置下降的機械阻尼來克服進風口組件的重力，或者使用機械減速推桿傳動取代皮帶傳動。

6　小結

市場需求推動著廚衛家電產品結構的不斷變化，相關的安全標準將會隨之更新。當我們研發帶有自動活動部件的吸油煙機產品時，即要符合安全標準的相關要求又需要充分考慮到不同的產品結構在實際應用中可能發生的不安全因素，在投入到市場應用前進行全面的考慮，使新產品更安全可靠。

[1] GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全第1部分：通用要求》.

[2] GB 4706.28-2008《家用和類似用途電器的安全 吸油煙機的特殊要求》.

[3] IEC 60335-2-31：2012（Ed5.0）Household and similar electrical appliances–Safety–Part 2-31： Particular requirements for range hoods and other cooking fume Extractors 家用和類似用途電器的安全第2-31部分：吸油煙機及其他烹飪煙氣吸排裝置的特殊要求.