[0001] Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zur Steuerung eines Schützantriebes
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Einfluss von umgebungsbedingten
Änderungen und herstellerabhängigen Abweichungen in den Kennwerten maßgeblicher Bauteile
zu minimieren.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
1. 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).
2. 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
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungsmittel (28; 29) ein nur beim Anzugsvorgang aktiviertes Regelungsmittel
ist.