EP1300862A1

EP1300862A1 - Elektronische Anordnung zur Steuerung eines Schützantriebes

Info

Publication number: EP1300862A1
Application number: EP01123720A
Authority: EP
Inventors: Wilhelm Melchert; Wolfgang Meid
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zur Steuerung eines aus einer Antriebsspule (2) und einem Magnetanker bestehenden Schützantriebes, die eine an eine ungeregelte Gleichspannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung aus der Antriebsspule (2) und einer pulsbreitengesteuerten elektronischen Schaltvorrichtung (4) und weiterhin eine Steuereinrichtung (8) enthält. Die Steuereinrichtung (8) bestimmt unter Berücksichtigung der von der Gleichspannungsquelle gelieferten Versorgungsspannung (Vcc) die Pulsbreiten der Steuerimpulse (Vst) für die Schaltvorrichtung (4) beim Anzugsvorgang einerseits und beim Haltebetrieb anderseits. Um den Einfluss von Änderungen in den Kennwerten maßgeblicher Bauteile weitestgehend auszugleichen, ist mit der Antriebsspule (2) eine Messspule (3) gekoppelt, dieser eine Ermittlungseinrichtung (26) zur laufenden Ermittlung des aktuellen Mittelwertes (Vmist) der Antriebsspulenspannung (V2) nachgeordnet und ein Regelungsmittel (28) zur laufenden Korrektur der Pulsbreite der Steuerimpulse (Vst) im Sinne der Annäherung an den Sollmittelwert (Vmsoll) vorgesehen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zur Steuerung eines Schützantriebes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift EP 0 789 378 A1 ist eine Antriebssteuerung bekannt, die eine von einer Speisespannung betriebene Gleichrichterschaltung enthält, an die sich die Reihenschaltung aus der Antriebsspule, einem Schalttransistor und einem Messwiderstand zur Lieferung eines Messsignals für den Spulenstrom anschließt. Parallel dazu ist ein Spannungsteiler zur Lieferung einer von der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung abgeleiteten Steuerspannung angeordnet. Die Steuerspannung, eine Referenzspannung und das Messsignal werden einer Steuerschaltung mit einem Mikroprozessor zugeführt, die ein Impulssignal mit gesteuerter Pulsbreite an den Schalttransistor ausgibt. Mit dieser Schaltung wird der Anzugsvorgang für den Magnetanker mit einer von der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung weitgehend unabhängigen mittleren Spulenspannung und der anschließende Haltevorgang mit geregeltem Spulenstrom vorgenommen. Vor Einleitung des Anzugsvorgangs wird aus der Steuerspannung die für die Dauer des Anzugsvorgangs maßgebliche Pulsbreite des Impulssignals bestimmt. Während des Haltevorgangs für den Magnetanker wird die Pulsbreite des Impulssignals ständig in Abhängigkeit der Differenz des Messsignals von der Referenzspannung nachgeregelt.

Aus der Druckschrift DE 29909901 U1 ist eine Anordnung für einen aus einer Antriebsspule und einem Magnetanker bestehenden Schützantrieb bekannt. Die Anordnung enthält eine über Steuereingänge gespeiste Gleichrichterschaltung, eine seriell mit der Antriebsspule und einem Freilaufmittel verbundene, pulsbreitengesteuerte elektronische Schaltvorrichtung, eine der Gleichrichterschaltung nachgeschaltete Entkopplungsdiode und einen dieser nachgeschalteten sowie parallel zur Antriebsspule und Schaltvorrichtung angeordneten Pufferkondensator sowie eine Steuereinrichtung für ausgangsseitige Pulsbreiten, die während des Anziehens des Ankers der aktuellen Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung und während des Haltens des Ankers der aktuellen Spannung über dem Entkoppelkondensator zugeordnet sind. Durch die jeweilige Pulsbreite wird beim Anzugsvorgang einerseits und beim Haltevorgang anderseits nahezu unabhängig von der Versorgungsspannung eine mittlere Spannung über der Antriebsspule gewährleistet, die so gewählt ist, dass der Anker mit optimaler Einschaltdynamik angezogen und mit minimaler Leistung sicher gehalten wird. Die Steuereinrichtung enthält entweder Tabellenspeicher oder Programmspeicher von Berechnungsformeln für die Werte der jeweiligen Pulsbreite in Abhängigkeit von der ermittelten Höhe der Versorgungsspannung. Zur Kompensation des Temperaturganges ist die Steuerschaltung mit temperaturabhängigen Verstärkerschaltungen ausgestattet, um die Pulsbreite zusätzlich unter Berücksichtigung der Wicklungstemperatur der Antriebsspule zu steuern. Nach der bereits zitierten DE 29909904 U1 ist es bekannt, die Schaltvorrichtung in einen Halbleiterschalter hoher Stromtragfähigkeit, beispielsweise einen IGBT, für den Haltestrom und in einen Halbleiterschalter hoher Schaltgeschwindigkeit, beispielsweise einen FET, für den Anzugsstrom aufzuteilen, wobei die beiden Halbleiterschalter parallel geschaltet sind und mit einer Freilaufdiode über der Antriebsspule verbunden sind.

Nachteilig bei derartigen Anordnungen ist die Abhängigkeit von Bauteilstreuungen innerhalb des die Antriebsspule einschließenden Strompfades. Insbesondere können die in der Schaltvorrichtung verwendeten Halbleiterschalter verschiedener Hersteller in dem Maße streuen, dass sich bei gleicher Pulsbreite erheblich unterschiedliche Anzugs- bzw. Halteströme einstellen. Um innerhalb des zulässigen Temperaturbereiches die Änderung des Wicklungswiderstandes der Antriebsspule von etwa 30% auszugleichen, sind temperaturkompensierende Maßnahmen, beispielsweise wie in der zitierten DE 29909901 U1 beschrieben, erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Einfluss von umgebungsbedingten Änderungen und herstellerabhängigen Abweichungen in den Kennwerten maßgeblicher Bauteile zu minimieren.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Durch die Messspule und die Ermittlungseinrichtung wird ein genaues Abbild des Mittelwertes der Antriebsspulenspannung erhalten. Der Vergleich mit dem vorgegebenen Sollmittelwert über das Regelungsmittel dient zur weitestgehenden Anpassung des tatsächlichen Mittelwertes der Antriebsspulenspannung an den Sollmittelwert mittels einer Korrektur der Pulsbreite der Steuerimpulse. Durch diese Ausregelung des Mittelwertes werden in vorteilhafter Weise Exemplarstreuungen der elektronischen Schaltvorrichtung und gleichzeitig Temperatureinflüsse auf den Wicklungswiderstand der Antriebsspule sowie auf den Durchgangswiderstand der Schaltvorrichtung kompensiert.

In vorteilhafter Weise ist das Regelungsmittel als speicherprogrammierter Regler ausgebildet. Die Ermittlung des aktuellen Mittelwertes kann in zweckmäßiger Weise durch ein gespeichertes Programm oder durch eine an sich bekannte Anordnung aus einer Diode und einem Kondensator erfolgen, wobei in letzterem Fall in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Kondensator nach jedem Erfassungsvorgang für den Mittelwert zur Vermeidung von Messfehlern entladen wird. Die erfindungsgemäße Anpassung des Mittelwertes an den Sollmittelwert erfolgt zweckmäßigerweise nur während des Anzugsvorganges.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen

Figur 1:: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zur Steuerung eines Schützantriebes;
Figur 2:: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zur Steuerung eines Schützantriebes

In Fig. 1 ist von dem Schützantrieb nur die Antriebsspule 2 dargestellt. Die Antriebsspule 2 ist mit ihrem eine Anschluss mit einer ungeregelten Gleichspannung Vcc und mit ihrem anderen Anschluss mit der Schaltstrecke einer elektronischen Schaltvorrichtung 4, z.B. einem Leistungsschalttransistor, verbunden, die anderseitig mit dem Bezugspotential verbunden ist. Parallel zur Antriebsspule 2 ist ein Freilaufmittel 6 in Form einer üblichen Freilaufdiode angeordnet. Eine durch unterbrochene Linien dargestellte Steuereinrichtung 8 steuert mittels ausgangsseitiger Steuerimpulse Vst über einen stromverstärkenden ersten Inverter 11 die Steuerelektrode der Schaltvorrichtung 4. Die Steuereinrichtung 8 enthält als wichtigsten Bestandteil einen Mikrocontroller 16 und weiterhin einen Spannungsteiler 18, der nach Anlegen der Versorgungsspannung Vcc über einen stromverstärkenden zweiten Inverter 12 einen zur Versorgungsspannung Vcc proportionalen ersten Messwert an einen ersten Eingang 19 des Mikrocontrollers 16 liefert. Die erfasste Versorgungsspannung Vcc wird innerhalb des Mikrocontrollers 16 über einen ersten AD-Wandler 21 in einen numerischen Wert umgewandelt, der einer Speichereinrichtung 24 im Mikrocontroller 16 zugeführt wird. Aus dem numerischen Wert für die Versorgungsspannung Vcc und einem für den Anzugsvorgang des Schützantriebes vorgegebenen Sollmittelwert für die gepulste Antriebsspulenspannung V2 leitet die Speichereinrichtung 24 zu Beginn des Anzugsvorgangs einen ersten Näherungswert für die Pulsbreite der Steuerspannung Vst ab. Der sich aus diesem ersten Näherungswert ergebende aktuelle Mittelwert für die Antriebsspulenspannung V2 ist abhängig von exemplarabhängigen Kennwerten der Schaltvorrichtung 4 und dem temperaturabhängigen Wicklungswiderstand der Antriebsspule 2. Mit der Antriebsspule 2 ist eine Messspule 3 magnetisch gekoppelt. Die Antriebsspule 2 und die Messspule 3 sind gegensinnig gewickelt, wie durch die Punkte an beiden Spulen 2, 3 angedeutet ist. Die Messspule 3 ist hochohmig über einen dritten stromverstärkenden Inverter 13 mit einem zweiten Eingang 20 des Mikrocontrollers 16 verbunden. Die Messspannung an dem zweiten Eingang 20 ist ein mit dem Übertragungsverhältnis zwischen den Spulen 2 und 3 beaufschlagtes Abbild der pulsförmigen Antriebsspulenspannung V2. Die Messwerte an dem zweiten Eingang 20 werden durch einen zweiten AD-Wandler 22 in numerische Werte umgewandelt und einer Ermittlungseinrichtung 26 zugeführt. Die Ermittlungseinrichtung 26 ermittelt aus der Impulshöhe und der Impulsbreite der Messspannung am zweiten Eingang 20 sowie aus der in der Speichereinrichtung 24 abgelegten Periodendauer der Steuerimpulse Vst und unter Berücksichtigung des Übertragungsverhältnisses zwischen den Spulen 2 und 3 den tatsächlichen Mittelwert Vmist der Antriebsspulenspannung V2. Durch ein Regelungsmittel 28 wird der tatsächliche Mittelwert Vmist mit dem von der Speichereinrichtung 24 gelieferten Sollmittelwert Vmsoll verglichen. Aus diesem Vergleich ergibt sich ein Korrekturwert, welcher der Speichereinrichtung 24 zugeführt wird, die daraus einen genaueren Wert der Pulsbreite für die Steuerimpulse Vst ableitet. Der Regelungsvorgang läuft so lange ab, bis der tatsächliche Mittelwert Vmist der Antriebsspulenspannung V2 mit hinreichender Genauigkeit mit dem erstrebten Sollmittelwert Vmsoll übereinstimmt. Sollten sich erneut Abweichungen von dem Sollmittelwert Vmsoll ergeben, dann werden diese in der beschriebenen Weise ausgeregelt.

Das Regelungsmittel 28 kann als programmierter Regler ausgeführt sein und beispielsweise einen PD-Regler realisieren. Die Speichereinrichtung 24, die Ermittlungseinrichtung 26 und das Regelungsmittel 28 können wahlweise als Programmspeicher oder als Tabellenspeicher ausgeführt sein. Die AD-Wandler 21 und 22, die Speichereinrichtung 24, die Ermittlungseinrichtung 26 und das Regelungsmittel 28 können teilweise oder vollständig auf einem integrierten Schaltkreis untergebracht sein. Der vorstehende Arbeitsweise der Anordnung wurde für den Anzugsvorgang dargestellt. In vielen Fällen ist die Ausregelung des tatsächlichen Mittelwertes Vmist der Antriebsspulenspannung V2 für den Anzugsvorgang ausreichend. Die Anordnung kann allerdings auch für die Ausregelung des Mittelwertes der Antriebsspulenspannung V2 für den Haltebetrieb verwendet werden, wobei der vorgegebene Sollmittelwert der Antriebsspulenspannung V2 für den Haltebetrieb erheblich kleiner als der Sollmittelwert für den Anzugsvorgang ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird der erste Näherungswert für die Pulsbreite der Steuerimpulse Vst in der gleichen Weise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 bestimmt. Hierzu sind wiederum in einer Steuereinrichtung 9 ein mit der Versorgungsspannung Vcc verbundener Spannungsteiler 18 eine zweiter Inverter 12 und ein Mikrocontroller 17 mit einem ersten Eingang 19, einem ersten AD-Wandler 21 und einer Speichereinrichtung 25 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 9 weist eine Ermittlungseinrichtung 27 auf, die aus der Reihenschaltung einer mit ihrer Anode mit der Messspule 3 verbundenen Gleichrichterdiode 32 und einem zu dem Bezugspotential führenden Kondensator 34 besteht. Der aus den Spulen 2, 3 gebildete Übertrager, die Schaltvorrichtung 4 und die Ermittlungseinrichtung 27 bilden einen Eintakt-Sperrwandler. Somit steht über dem Kondensator 34 eine Gleichspannung an, die dem mit dem Übertragungsverhältnis zwischen den Spulen 2 und 3 beaufschlagten tatsächlichen Mittelwert Vmist der Antriebsspulenspannung V2 entspricht. Dieser Messwert wird über einen zweiten Eingang 30 des Mikrocontrollers 17 einem zweiten AD-Wandler 22 zugeführt. Der durch den zweiten AD-Wandler 22 gebildete numerische Wert und der in der Speichereinrichtung 25 abgelegte Sollmittelwert Vmist für die Antriebsspulenspannung V2 werden einem Regelungsmittel 29 zugeführt, das unter Berücksichtigung des Übertragungsverhältnisses zwischen den Spulen 2 und 3 einen Korrekturwert an die Speichereinrichtung 25 liefert, die daraus einen korrigierten Wert für die Pulsbreite der Steuerimpulse Vst in dem Sinne bildet, dass sich der tatsächliche Mittelwert Vmist der Antriebsspulenspannung V2 schon wesentlich genauer dem erstrebten Sollmittelwert Vmsoll genähert hat. Die Ermittlungseinrichtung 27 ist zur Vermeidung von Messfehlern, insbesondere wenn die mittlere Spannung an der Messspule 3 absinkt, zusätzlich mit einem elektronischen Entladungsschalter 36 in Form eines Schalttransistors parallel zum Kondensator 34 versehen, um den Kondensator 34 nach jedem Einlesen des dem tatsächlichen Mittelwert Vmist entsprechenden Messwertes in den Mikrocontroller 17 zu entladen. Dazu wird der Steuerelektrode des Entladungsschalters 36 von der Speichereinrichtung 25 ein entsprechendes Signal zum Durchschalten geliefert.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So lässt sich die Erfindung beispielsweise in der Weise ausbilden, dass das Regelungsmittel 28 bzw. 29 und die Speichereinrichtung 24 bzw. 25 in der Weise zusammenwirken, dass durch abgelegte Kennfeldtabellen oder durch Berechnung der Wert für die Pulsbreite der Steuerimpulse Vst im Sinne einer weitestgehenden Annäherung des tatsächlichen Mittelwertes Vmist der Antriebsspulenspannung V2 an den vorgegebenen Sollmittelwert Vmsoll ermittelt wird.

Claims

Elektronische Anordnung zur Steuerung eines aus einer Antriebsspule (2) und einem Magnetanker bestehenden Schützantriebes, enthaltend

eine an eine ungeregelte Gleichspannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung aus der Antriebsspule (2) mit einem Freilaufmittel (6) und einer pulsbreitengesteuerten elektronischen Schaltvorrichtung (4) und

eine Steuereinrichtung (8; 9) zur eingangsseitigen Erfassung der Höhe der von der Gleichspannungsquelle gelieferten Versorgungsspannung (Vcc) und zur ausgangsseitigen Abgabe von Steuerimpulsen (Vst) an die Schaltvorrichtung (4), wobei die Pulsbreiten im Sinne eines vorgegebenen Sollmittelwertes (Vmsoll) der Antriebsspulenspannung (V2) für den Anzugsvorgang einerseits und für den Haltevorgang anderseits aus der ermittelten Höhe der Versorgungsspannung (Vcc) bestimmt werden,

gekennzeichnet durch

eine mit der Antriebsspule (2) magnetisch gekoppelte Messspule (3),

eine der Messspule (3) nachgeordnete Ermittlungseinrichtung (26; 27) als Bestandteil der Steuereinrichtung (8; 9) zur laufenden Ermittlung des aktuellen Mittelwertes (Vmist) der Antriebsspulenspannung (V2) und

ein mit der Ermittlungseinrichtung (26; 27) verbundenes Regelungsmittel (28; 29) als Bestandteil der Steuereinrichtung (8; 9) zur laufenden Korrektur der Pulsbreite der Steuerimpulse (Vst) im Sinne der Annäherung an den Sollmittelwert (Vmsoll).
Anordnung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das28; 29) als ein die Differenz zwischen dem Sollmittelwert (Vmsoll) und dem tatsächlichen Mittelwert (Vmist) der Antriebsspulenspannung (V2) verarbeitender programmierter Regler ausgebildet ist
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungseinrichtung (26) als Programmspeicher zur Ermittlung des aktuellen Mittelwertes (Vmist) der Antriebsspulenspannung (V2) aus der Pulshöhe und Pulsbreite der Messspulespannung sowie der Periodendauer der Steuerimpulse (Vst) ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungseinrichtung (27) als Reihenschaltung einer eingangsseitigen Gleichrichterdiode (32) und einem ausgangsseitigen Kondensator (34) ausgebildet ist.
Anordnung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Kondensator (34) ein Entladungsschalter (36) angeordnet ist, der von der Steuerrichtung (9) jeweils nach Erfassung des aktuellen Mittelwertes (Vmist) der Antriebsspulenspannung (V2) ein Signal zum Durchschalten empfängt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungsmittel (28; 29) ein nur beim Anzugsvorgang aktiviertes Regelungsmittel ist.