SCHALTUNGSANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM ENERGIEOPTIMIERTEN BETRIEB ELEKTROMAGNETISCHER TRIEBSYSTEME

Abstract

 Eine Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems umfasst eine Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung, eine Ansteuerstufe zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten des mechanischen Systems während eines Schaltvorgangs und einer Steuerschaltung zum Steuern der Ansteuerschaltung, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, einen eine Temperatur des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert zu setzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung.

[0002] Eine derartige Schaltungsanordnung umfasst eine Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung, eine Ansteuerstufe zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten des mechanischen Systems während eines Schaltvorgangs und eine Steuerschaltung zum Steuern der Ansteuerschaltung.

[0003] Elektromagnetische Triebsysteme werden in der Elektrotechnik zur Kraftbeaufschlagung beweglicher mechanischer Bauteile eingesetzt. Elektromagnetische Triebsysteme sind beispielsweise Zug-, Hub- oder Schubmagnete, aber auch andere auf elektromagnetischer Basis arbeitende Bauteile. Anwendung finden elektromagnetische Triebsysteme beispielsweise in elektromechanischen Vorrichtungen wie Schützen, Schutzschaltern, Relais und Magnetventilen.

[0004] Ein elektromagnetisches Triebsystem weist üblicherweise ein magnetisches System in Form einer Spule auf, die durch eine Steuerspannungsquelle erregt wird. Ein durch die Erregung der Spule induziertes Magnetfeld wirkt auf ein mechanisches System, z.B. einen Anker oder ein Hebelsystem, und beschleunigt dieses. Durch die Beschleunigung des mechanischen Systems wird die mechanische Wirkung des Triebsystems erreicht. Die mechanische Wirkung kann beispielsweise in dem Schließen eines Schalters oder dem Schließen eines Ventils bestehen.

[0005] Kraftverlauf und Schließgeschwindigkeit des mechanischen Systems sind von der Höhe der angelegten Spannung, der Temperatur sowie von den konstruktiven Gegebenheiten des Triebsystems abhängig. Eine direkte Beaufschlagung des Triebsystems mit der zur Verfügung stehenden Steuerspannung hat somit in der Regel den Nachteil, dass die eingespeiste Steuerspannung nicht dem erforderlichen Kraftverlauf des mechanischen Systems angepasst ist.

[0006] Zur Anpassung der Steuerspannung an die erforderliche Weg-Zeit-Charakeristik des Kraftverlaufs werden üblicherweise Vorschaltgeräte eingesetzt, die die Energieversorgung des Triebsystems so steuern, dass bei Betätigung des Triebsystems die Weg-Zeit-Charakteristik des Kraftverlaufs den Erfordernissen des mechanischen Systems entspricht.

[0007] Ein Vorschaltgerät taktet das Triebsystem direkt über einen oder mehrere elektronische Schalter. Nachteilig ist hierbei, dass die Steuerspannung so nur reduziert werden kann. Es gibt jedoch Einsatzfälle, beispielsweise Unterspannungssituationen, in denen eine Erhöhung der Steuerspannung erforderlich ist. Die direkte Taktung durch das Vorschaltgerät erzeugt ein Störspannungsspektrum, das sich negativ auf andere elektronische Bauteile auswirken kann. Die getaktete Betriebsweise führt zu einer Beaufschlagung mit steilen Spannungspulsen. Die Wicklungen elektromagnetischer Triebsysteme sind jedoch regelmäßig nur für den Gleichspannungsbetrieb oder einen niederfrequenten Wechselspannungsbetrieb ausgelegt, so dass es die getaktete Betriebsweise Schäden am Triebsystem verursachen kann.

[0008] In der WO 2017/093552 ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems und ein Verfahren zum Betrieb derselben offenbart, wobei das Triebsystem mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf gespeist wird. Die Schaltungsanordnung weist eine getaktete transformatorische Wandlerstufe und eine Steuerschaltung auf, wobei die Steuerschaltung die für den spezifischen Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems erforderliche Speisecharakteristik im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ohne gepulste Beaufschlagung des Triebsystems bereitstellt.

[0009] Nachteilig hierbei ist, dass der eingespeiste Steuerstrom auf einer Zeitsteuerung basiert.

[0010] Werden derartige Triebsysteme an elektrischen Spannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich betrieben, ergeben sich aus der zeitlichen Steuerung regelmäßig unnötige Wärmebelastungen der Triebsysteme. Dies führt zu einer thermisch bedingten Degradation der Isolierstoffe und somit zu einer reduzierten Lebensdauer des Triebsystems. Die Taktung der möglichen Einschaltungen wird darüber hinaus nachteilig begrenzt.

[0011] Besondere Anforderungen bestehen beispielsweise für elektromagnetische Triebsysteme, beispielsweise Zugmagnete, von Batterieschutzschaltern, insbesondere in Batteriemanagementsystemen von Schienenfahrzeugen wie sie in DE 10 2018 109 594 offenbart und die oftmals für den Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind. Diese müssen über einen weiten Spannungsbereich und einen weiten Temperaturbereich, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, einen sicheren Anzug gewährleisten. Im Gegensatz zu Schützen besteht bei Schutzschaltern dieser Art ein zeitlich stark ansteigender Kraftbedarf.

[0012] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb elektromagnetischer Triebsysteme zur Verfügung zu stellen, die einen sicheren, mechanisch schonenden und energieoptimierten Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ermöglichen, ohne dass eine wesentliche Störaussendung verursacht wird. Insbesondere soll die sichere Auslösung solcher Triebsysteme gewährleistet sein, die einen zeitlich stark ansteigenden Kraftverlauf aufweisen und für eine Tieftemperaturanwendung vorgesehen sind.

[0013] Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0014] Demnach ist die Steuerschaltung ausgebildet, einen eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwerts zu setzen.

[0015] Die Ansteuerung erfolgt somit spezifisch in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert. Der Ansteuerparameter wird in Abhängigkeit von dem eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts und dem die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwert bestimmt. Insbesondere wird der Absteuerparameter in Abhängigkeit von ersten und zweiten Kennwert so gewählt, dass eine sichere Auslösung, insbesondere ein sicherer Anzug, des elektromagnetischen Triebsystems gewährleistet ist.

[0016] Durch die individuelle, der vorliegenden Temperatur und Steuerspannung angepassten Wahl des Ansteuerparameters, wird ein energieoptimierter Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems ermöglicht. Insbesondere für Triebsysteme, die auch bei tiefen Temperaturen zum Einsatz kommen und mit Steuerspannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich betrieben werden, lässt sich somit der Energiebedarf reduzieren und die mögliche Einschalthäufigkeit erhöhen. Unnötige Wärmebelastungen des Triebsystems werden durch die angepasste Einschaltdauer vermieden, wodurch sich die Lebensdauer des Triebsystems und seiner Komponenten erhöht.

[0017] Das elektromagnetische Triebsystem ist beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Anker als mechanisches System. Das elektromagnetische Triebsystem ist insbesondere ein Zugmagnet. In einer Ausgestaltung ist das elektromagnetischen Triebsystem, insbesondere der Zugmagnet, in einem Schutzschalter, beispielsweise einem Schutzschalter eines Batteriemanagementsystems, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, angeordnet.

[0018] Die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems ist beispielsweise die Temperatur des magnetischen Systems des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere die in den Wicklungen einer Spule des magnetischen Systems vorliegende Temperatur.

[0019] Die Umgebungstemperatur ϑ_a ist beispielsweise die Temperatur in einer Umgebung des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere des magnetischen Systems des Triebsystems. Beispielsweise ist die Umgebungstemperatur ϑ_a die in einer dem elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere dem magnetischen Systems des Triebsystems, vor- oder nachgesschalteten elektrischen Komponente auftretende Temperatur.

[0020] Die Steuerspannung U_B ist in einer Ausgestaltung die von einer Batterie, insbesondere einer Batterie eines Schienenfahrzeugs, zur Verfügung gestellte Betriebsspannung.

[0021] Insbesondere weist die Steuerschatung eine Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts auf. Die Spannungserfassungschaltung weist bevorzugt ein Eingangsfilter auf.

[0022] In einer Ausgestaltung ist die Ansteuerstufe ausgebildet, das Triebsystem durch Anlegen der Steuerspannung U_B zum Schalten des mechanischen Systems zu bestromen. Insbesondere erfolgt eine Beaufschlagung des magnetischen Systems der elektromagnetischen Triebsystems mit der Steuerspannung U_B. Die Ansteuerstufe ist beispielsweise mit der Steuerspannungsquelle zur Erzeugung der Steuerspannung U_B, insbesondere der Batterie eines Schienenfahrzeugs, verbunden.

[0023] Gemäß einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung ausgebildet, als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer Δt_n zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zu setzen. Die Einschaltdauer Δt_n ist die Zeitspanne, während der die Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere des magnetischen Systems des Triebsystems, mit einer Spannung, insbesondere der Steuerspannung U_B, erfolgt.

[0024] Die Einschaltdauer Δt_n wird gemäß dieser Ausgestaltung in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert, somit insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Steuerspannung U_B gewählt. Während bei einer Zeitsteuerung für die Beaufschlagung des Triebsystems die maximale Zeitdauer gewählt werden muss, die notwendig ist, um eine sichere Auslösung, beispielsweise einen sicheren Anzug, des Triebsystems im gesamten Temperatur- und Steuerspannungsbereich zu gewährleisten, ermöglicht die Schaltungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung eine Anpassung der Einschaltdauer Δt_n an den Energiebedarf des Triebsystems bei gegebener, erfasster Temperatur ϑ_c bzw. ϑ_a und Steuerspannung U_B. Die so bestimmte Einschaltdauer Δt_n ist immer kürzer oder gleich der maximalen Zeitdauer, die für eine Zeitsteuerung verwendet werden muss. Die Einschaltdauer Δt_n ist beispielsweise die minimale Zeitdauer, die notwendig ist, um eine sichere Auslösung, insbesondere einen sicheren Anzug, des Triebsystems zu gewährleisten. In einer Ausgestaltung umfasst die Einschaltdauer Δt_n ein Sicherheitsintervall ts.

[0025] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerschaltung eine Verknüpfungsschaltung auf, wobei die Verknüpfungsschaltung den Ansteuerparameter anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt. Insbesondere wird der Ansteuerparameter in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert so gewählt, dass die sichere Auslösung, insbesonder der sichere Anzug, des elektromagnetischen Triebsystems gewährleistet ist. Das Kennlinienfeld weist insbesondere eine Charakteristik auf, die den Zeitpunkt der Auslösung, insbesondere des sicheren Anzugs, des Triebsystems kennzeichnet.

[0026] Das Kennlinienfeld beschreibt beispielsweise den zeitlichen Verlauf der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a einerseits und der Steuerspannung U_B andererseits. Als Kennlinienfeld kann auch der zeitliche Verlauf des Stroms I_ZM am elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a einerseits und der Steuerspannung U_B andererseits verwendet werden.

[0027] Durch Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems mit einer Steuerspannung entsteht am elektrischen Triebsystem eine Spannung U_ZM und ein Strom I_ZM. Der zeitliche Verlauf der Spannung U_ZM am bzw. des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem ist von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems bzw. der Umgebungstemperatur ϑ_a und der angelegten Steuerspannung U_B abhängig. Die Spannung U_ZM am bzw. der Strom I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur ϑ_c bzw. ϑ_a und Steuerspannung U_B definiert ein dreidimensionales Kennlinienfeld. Für eine bestimmte, erfasste Temperatur ϑ_c bzw. ϑ_a und eine bestimmte, erfasste Steuerspannung U_B ist die Spannung U_ZM am bzw. der Strom I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem eine Funktion der Zeit.

[0028] Das elektromagnetische Triebsystem löst aus, wenn die Anzugkraft des elektromagnetischen Triebsystems erreicht wird. Der der Anzugkraft entsprechende Wert der Spannung U_ZM am Triebsystem bzw. der der Anzugskraft entsprechende Wert des Stroms I_ZM ist der Anzugswert. In einer Ausgestaltung ist die Einschaltdauer Δt_n der dem Anzugswert auf einer durch die erfasste Temperatur und die erfasste Steuerspannung definierten Kennlinie zugeordnete Zeitwert.

[0029] In einer Ausgestaltung der Erfindung gibt die Verknüpfungsschaltung ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer Δt_n aus. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Steuerschaltung eine Sollwertaufbereitungsstufe zur Erzeugung einer angepassten Spannung U_tSoll zur Weiterleitung an die Ansteuerstufe auf, wobei der Sollwertaufbereitungsstufe das in der Verknüpfungsschaltung erzeugte Spannungsäquivalent zugeleitet wird.

[0030] In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Temperaturerfassungsschaltung mit der Verknüpfungsschaltung verbunden und weist einen Temperatursensor zum Messen des eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts auf. Der Temperatursensor ermöglicht die Bestimmung des die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a kennzeichnenden ersten Kennwerts. Der Temperatursensor ist mit dem elektromagnetischen Triebsystem verbunden und weist beispielsweise einen Heißleiter, insbesondere einen NTC-Widerstand (negative temperature coefficient thermistor, NTC), auf. Somit ist eine direkte Erfassung des die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts durch den Widerstand des Heißleiters, insbesondere des NTC-Widerstands, möglich.

[0031] Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung angeordnet, wobei die Temperaturerfassungsschaltung eine Schaltung zur Berechnung des eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts anhand eines elektrischen Widerstands des elektromagnetischen Triebsystems aufweist.

[0032] Somit kann auf einen Temperatursensor verzichtet werden. Dies minimiert etwaige Störsignale oder sonstige mit dem Temperatursensor verbundene Fehlerquellen sowie zeitliche Verzögerungen. Der die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigende erste Kennwert wird durch die Verknüpfungsschaltung direkt bestimmmt.

[0033] Beispielsweise erfolgt die Berechnung unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands des Materials des magnetischen Systems des Triebsystems, insbesondere des Materials der Wicklungen des magnetischen Systems. Insbesondere erfolgt die Berechnung des ersten Kennwerts unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands von Kupfer.

[0034] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Temperaturerfassungsschaltung einen Riemannintegrator zur Integration der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem und des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem auf. Der Riemannintegrator weist in einer Ausgestaltung einen Analogschalter in Zweifachausführung auf, dem der im elektromagnetischen Triebsystem anliegende Strom und die am elektromagnetischen Triebsystem anliegende Spannung zugeführt werden. Der Analogschalter ist mit einer monostabilen Kippstufe verbunden. Die monostabile Kippstufe gibt das Integrationsintervall vor. Weiterhin weist der Riemannintegrator beispielsweise einen als Divisor betriebenen Operationsverstärker und eine nachgeschaltete Multiplikatorstufe zur Bildung des Quotienten aus Spannung und Strom auf.

[0035] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Sollwertaufbereitungsstufe eine Abtast-Halte-Schaltung auf. Die Sollwertaufbereitung weist beispielsweise weiter einen Negator auf. Der Negator verbindet die monostabile Kippstufe des Riemannintegrators mit dem Steuereingang der Abtast-Halte-Schaltung. Der Abtast-Halte-Schaltung ist in einer Ausgestaltung ein Spannungsteiler nachgeschaltet. Der Spannungsteiler leitet ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer der Ansteuerstufe zu.

[0036] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Ansteuerstufe eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung) mit einer monostabiler Kippstufe auf, wobei ein Steuereingang der monostabilen Kippstufe mit der Steuerschaltung verbunden ist und ein Ausgang der monostabilen Kippstufe mit der Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist. Die monostabile Kippstufe stellt somit eine Einschaltzeitbegrenzung dar. Die Pulsdauer der PWM-Schaltung wird mittels der monostabilen Kippstufe durch die von der Steuerschaltung ausgegebenen Spannung bestimmt und entspricht der Einschaltdauer Δt_n.

[0037] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Leistungsstufe auf und die Ansteuerstufe eine Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe auf.

[0038] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuerschaltung und die Pulsweitenmodulationsschaltung als Microcontrollerschaltung ausgeführt. Dies ermöglicht eine kompakte Umsetzung sowie einen schnellen und kompakten Einbau der Schaltungsanordnung mit geringem Verdrahtungsaufwand. Insbesondere sind die Schaltungsteile Spannungserfassungsschaltung, Riemannintegrator, Abtast-Halte-Schaltung und PWM-Schaltung mit monostabiler Kippstufe als Microcontrollerschaltung ausgeführt.

[0039] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Steuerschaltung, die Pulsweitenmodulationsschaltung und die Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) oder in einem Hybridschaltkreis angeordnet. Insbesondere sind die Schaltungsteile Spannungserfassungsschaltung, Riemannintegrator, Abtast-Halte-Schaltung, PWM-Schaltung mit monostabiler Kippstufe und die Treiberschlatung der Leistungsstufe in einer ASIC oder in einem Hybridschaltkreis vereint.

[0040] Gemäß einer Ausgestaltung weist die Leistungsstufe einen Ausgangsgleichrichter, insbesondere mit Glättung, auf. Somit wird das elektromagnetische Triebsystem mit Gleichspannung beaufschlagt. Die Leistungsstufe weist in einer Ausgestaltung einen Leistungstransistor und einen Übertrager auf.

[0041] Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

[0042] Bei einem solchen Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung nach der vorangehend beschriebenen Art wird durch die Steuerschaltung ein eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigender erster Kennwert und ein die Steuerspannung U_B anzeigender zweiter Kennwert erfasst und durch die Steuerschaltung zumindest ein Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert gesetzt.

[0043] Das erfindungsgemäße Verfahren setzt die Vorteile der Schaltungsanordnung auf Verfahrensebene um. Insbesondere wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem ein elektromagnetisches Triebsystem energieoptimiert betrieben wird.

[0044] Gemäß einer Ausgestaltung wird das Triebsystem durch Anlegen der Steuerspannung U_B zum Schalten des mechanischen Systems durch die Ansteuerstufe bestromt.

[0045] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Steuerschaltung als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer Δt_n zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems gesetzt.

[0046] Dabei wird die Einschaltdauer Δt_n insbesondere so gewählt, dass eine Auslösung des Triebsystems, insbesondere der Anzugswert, innerhalb der Einschaltdauer Δt_n erreicht wird. Der Anzugswert ist abhängig von der Temperatur des Triebsystems ϑ_c bzw. der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Steuerspannung U_B. Die Einschaltdauer Δt_n wird bevorzugt minimal gewählt. Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb. Bevorzugt weist die Einschaltdauer Δt_n ein Sicherheitsintervall ts auf. Das Sicherheitsintervall ts stellt eine zuverlässige Auslösung des Triebsystems innerhalb der Mess- und Schaltungstoleranzen sicher.

[0047] Gemäß einer Ausgestaltung wird die Einschaltdauer Δt_n unter Berücksichtigung eines Endlagenkriteriums mittels des dreidimensionalen Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am oder des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem als Funktion der Steuerspannung U_B, der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Zeit bestimmt.

[0048] Bevorzugt ist der Anzugswert durch ein Endlagenkriterium des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_ZM am oder des Stroms I_ZM im Triebsystem bei einer bestimmten, erfassten Temperatur ϑ_c des Triebsystems bzw. einer bestimmten, erfassten Umgebungstemperatur ϑ_a des Triebsystems und einer bestimmten, erfassten Steuerspannung U_B definiert. Bevorzugt ist der Anzugswert durch eine Spannungsspitze des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_ZM am Triebsystem definiert. Der Anzugswert kann auch durch einen Stromeinbruch des zeitlichen Verlaufs des Stroms I_ZM im Triebsystem definiert werden.

[0049] Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1

ein Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem bei festgehaltener Steuerspannung U_B als Funktion der Zeit t für verschiedene Werte der Umgebungstemperatur ϑ_a;

Fig. 2

ein Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am und des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem bei festgehaltener Umgebungstemperatur ϑ_a als Funktion der Zeit t für verschiedene Werte der Steuerspannung U_B;

Fig. 3

ein Prinzipalschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 4

ein Prinzipalschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung; und

Fig. 5

eine schematische Darstellung der Bestimmung des Widerstands R_ZM des elektromagnetischen Triebsystems.

[0050] Fig. 1 zeigt das Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem 41 bei festgehaltener Steuerspannung U_B als Funktion der Zeit t. Die Spannung U_ZM des elektromagnetischen Triebsystems 41 hängt von der Steuerspannung U_B, der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 bzw. der Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 und der seit dem Einschaltmoment to verstrichenen Zeitdauer ab. Im folgenden ist der Nullpunkt als Einschaltmoment gewählt: to=0. Dieses dreidimensionale Kennlinienfeld ist zur Veranschaulichung als zwei-dimensionales Kennlinienfeld für eine festgehaltene Steuerspannung U_B in Fig. 1 und als zweidimensionales Kennlinienfeld für eine festgehaltene Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems in Fig. 2 dargestellt.

[0051] Das elektromagnetischen Triebsystem 41 weist ein Magnetsystem, insbesondere eine Spule mit Kern, und ein mechanisches System 6, insbesondere einen Anker, auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Triebsystem 41 ein Zugmagnet 41. Der Zugmagnet 41 wird mit einer Steuerspannung U_B beaufschlagt. Dabei ist to der Zeitpunkt des Einschaltens der Steuerspannung U_B. Die Beaufschlagung mit der Steuerspannung U_B führt zu einem Anstieg der Spannung U_ZM am Zugmagneten 41. Die magnetische Kraft auf den Anker nimmt zu. Beim Endanschlag des Ankers des Zugmagneten 41 kommt es zu einer Spannungsspitze Z.

[0052] Im vorliegenden Diagramm ist der Verlauf der Spannung U_ZM am Zugmagneten 41 für drei verschiedene Umgebungstemperaturwerte gezeigt: die maximale Umgebungstemperatur damax, die Nenntemperatur ϑ_aNenn und die minimale Umgebungstemperatur ϑ_amin. Der Endanschlag des Ankers muss über den gesamten Funktionstemperaturbereich von ϑ_a=ϑ_amin bis ϑ_a=ϑ_amax gewährleistet sein.

[0053] Der zeitliche Verlauf der Spannung U_ZM weist im Zeitpunkt des Anschlags T_Anschl ein Maximum auf. Die Anschlagszeit T_Anschl ist bei festgehaltener Steuerspannung U_B eine Funktion der Umgebungstemperatur ϑ_a. Je niedriger die Umgebungstemperatur ϑ_a, desto größer die Anschlagszeit T_Anschl : es wird mehr Zeit benötigt, um dem Zugmagneten 41 die zur Auslösung notwendige Energie zuzuführen. Ursache hierfür sind die veränderten magnetischen Eigenschaften des Zugmagneten 41 und die erhöhte Gleitreibung des Ankers des Zugmagneten 41 bei geringerer Temperatur ϑ_a.

[0054] Das Ende des Anschlagvorgangs t_n ist mit dem Abfallen der Flanke der Spannungsspitze Z erreicht. Dabei bezeichnet t₁ das Ende des Anschlagvorgangs bei maximaler Umgebungstemperatur damax, t₂ das Ende des Anschlagvorgangs bei Nenntemperatur ϑ_aNenn und t₃ das Ende des Anschlagsvorgangs bei minimaler Umgebungstemperatur ϑ_amin. Dabei ist das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t₁ kleiner als das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t₂, das wiederum kleiner als das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t₃ ist. Je niedriger die Umgebungstemperatur ϑ_a desto größer die Zeitdauer t_n bis zum Ende des Anschlagvorgangs.

[0055] Das Ende des Anschlagvorgangs und das damit einhergehende Abfallen der Flanke der Spannungsspitze Z stellen ein Endlagenkriterium für das Erreichen der Endlage des Zugmagneten 41 dar. Die Einschaltdauer Δt_n wird durch das Endlagenkriterium bestimmt. Bevorzugt wird eine Sicherheitsintervall ts zum Zeitpunkt t_n des Endes des Anschlagvorgangs addiert. Das resultierende Zeitintervall t_n+t_s ist die Einschaltdauer Δt_n= t_n+t_s. Die Einschaltdauer Δt ist die Zeitdauer, die der Zugmagnet 41 mit der Steuerspannung U_B bei der Umgebungstemperatur ϑ_a beaufschlagt werden muss, damit das Erreichen der Endlage sichergestellt ist.

[0056] Wäre die Umgebungstemperatur ϑ_a nicht bekannt, müsste die Beaufschlagung mit der Steuerspannung U_B mindestens für die Zeitdauer t₃+t_s erfolgen, um das Erreichen der Endlage über den gesamten Temperaturbereich zwischen minimaler und maximaler Umgebungstemperatur ϑ_amin bis ϑ_amax zu gewährleisten. Durch die Bestimmung der Einschaltdauer Δt_n in Abhängigkeit sowohl von der Steuerspannung U_B als auch der Umgebungstemperatur ϑ_a wird die Beaufschlagungszeit verringert.

[0057] Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb des Triebsystems 41 auch für Tieftemperaturanwendungen, wie beispielsweise Batterieschutzschalter von Schienenfahrzeugen, deren erforderlicher Funktionstemperaturbereich zwischen -60°C und 85°C liegt.

[0058] Fig. 2 zeigt das Kennlinienfeld der Spannung U_ZM und des Stroms I_ZM des elektromagnetischen Triebsystems 41 bei festgehaltener Umgebungstemperatur ϑ_a als Funktion der Zeit t in Abhängigkeit von der Steuerspannung U_B.

[0059] Der zeitliche Verlauf der Spannung U_ZM am Triebsystem 41 ist für drei verschiedene Steuerspannungen U_B dargestellt: die maximale Steuerspannung U_Bmax, die Nennspannung U_BNenn und die minimale Steuerspannung U_Bmin. Das sichere Erreichen der Endlage muss über den gesamten Steuerspannungsbereich von U_B=U_Bmin bis U_B=U_Bmax gewährleistet sein.

[0060] Je größer die Steuerspannung U_B, desto schneller wird die Endlage erreicht. Die Endlage ist durch eine Spannungsspitze Z gekennzeichnet. Die Einschaltdauer Δt_n ergibt sich aus der Zeit t_n, zu der die Flanke der Spannungsspitze Z abgefallen ist, zuzüglich eines Sicherheitsintervalls ts.

[0061] Wäre der Wert der Steuerspannung U_B nicht bekannt, müsste als Zeitdauer der Beaufschlagung des Zugmagneten 41 die längste Zeitdauer gewählt werden, d.h. die Zeitdauer t₃+t_s, die für eine Beaufschlagung mit der minimalen Steuerspannung U_Bmin zum Erreichen der Endlage notwendig ist.

[0062] Die Bestimmung der Einschaltdauer Δt_n in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Steuerspannung U_B ermöglicht eine Verringerung der Dauer der Beaufschlagung des Triebsystems 41. Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb des Triebsystems 41, insbesondere für Steuerspannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich, wie beispielsweise für Batterieschutzschalter von Schienenfahrzeugen, bei denen der sichere Anzug in einem weiten Spannungsbereich von 65V bis 150V gewährleistet sein muss, wobei die Nennsteuerspannung der Batterie 110V beträgt.

[0063] In Fig. 3 ist ein Prinzipalschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.

[0064] Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Triebsystem 41 ein Zugmagnet eines Batterieschutzschalters, bevorzugt eines Batteriemanagementsystems in einem Schienenfahrzeug, beispielsweise ein Batterieschutzschalter des Typs BMR-437-01-V-S0-07-110-200A.

[0065] Das elektromagnetische Triebsystem 41 weist ein thermisch abhängiges Anzugverhalten auf. Das Anzugverhalten ist in Fig. 1 und Fig. 2 qualitativ dargestellt. Das Anzugverhalten ist von der Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41, der Steuerspannung U_B und der Beaufschlagungsdauer abhängig. Anstelle der Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 kann auch die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 als Referenzwert verwandt werden.

[0066] Für einen Batterieschutzschalter, insbesondere eines Batteriemanagementsystems eines Schienenfahrzeugs, muss der sichere Anzug des elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere des Zugmagneten, in einem weiten Spannungsbereich U_B von U_Bmin=65V bis U_Bmax=150V sichergestellt sein. Die Nennbatteriespannung U_BNenn beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel U_BNenn=110V. Der erforderliche Funktionstemperaturbereich beträgt -60°C bis 85°C. Das heisst, der sichere Anzug muss im gesamten Intervall von ϑ_amin=-60°C bis ϑ_amax=85°C gewährleistet sein.

[0067] Ein einfaches elektromagnetisches Triebsystem 41 ohne Vorschaltgerät kann einen sicheren Anzug in einem solch weiten Steuerspannungsbereich U_B nicht gewährleisten. Auch ist der sichere Anzug bei tiefen Temperaturen ϑ_a ohne Vorschaltgerät nicht gewährleistet. Bei tiefen Temperaturen ϑ_a verändert sich das Magnetsystem des elektromagnetischen Triebsystems 41, so dass längere Beaufschlagungszeiten notwendig werden, um den sicheren Anzug zu gewährleisten. Beispielsweise verändern sich die magnetischen Eigenschaften und die Gleiteigenschaften des Ankers. Dem Magnetsystem muss bei tieferen Temperaturen ϑ_a mehr Energie zugeführt werden, um den Anzug auszulösen.

[0068] Zur Gewährleistung des sicheren Anzugs auch bei tiefen Temperaturen ϑ_a und bei einem weiten Steuerspannungsbereich U_B ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen. Diese Schaltungsanordnung stellt sicher, dass sowohl bei tiefen Temperaturen ϑ_a, Fig. 1, als auch bei niedriger Steuerspannung U_B, Fig. 2, der Anzug gewährleistet ist, d.h. genügend Zeit zur Verfügung steht, um die notwendige Energie zuzuführen.

[0069] Die Schaltungsanordnung weist deshalb eine Steuerschaltung 1 auf, die der Ansteuerstufe 2 zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems 41 anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert setzt. Der erste Kennwert zeigt eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a an. Der zweite Kennwert zeigt die Steuerspannung U_B an. Insbesondere umfasst der zumindest eine Ansteuerparameter die Einschaltdauer Δt_n. Die Steuerschaltung 1 und die Ansteuerstufe 2 werden mittels einer Stromversorgung 5 mit einer Steuerstromversorgungsspannung Us, vorliegend mit Us=15VDC, gespeist. Die Stromversorgung 5 ist durch einen schnellen Aufbau der Steuerstromversorgungsspannung Us gekennzeichnet.

[0070] Die Schaltungsanordnung weist eine Temperaturfassungsschaltung zur Erfassung des die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Temperaturerfassungsschaltung einen Temperatursensor 42, bevorzugt einen Heissleiter oder NTC-Widerstand. Der Temperatursensor 42 ist mit dem elektromagnetischen Triebsystem 41, insbesondere der Spule des Zugmagneten 41, thermisch gekoppelt.

[0071] Des weiteren weist die Steuerschaltung 1 eine Spannungserfassungsschaltung 11 zur Erfassung des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts auf. Die Spannungserfassungsschaltung 11 erfasst beispielsweise die eingehende Steuerspannung U_B über ein Eingangsfilter.

[0072] Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Verknüpfungsschaltung 12 zur Verknüpfung des ersten Kennwertes und des zweiten Kennwertes auf, wobei die Verknüpfungsschaltung 12 den Ansteuerparameter, insbesondere die Einschaltdauer Δt_n, anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist einen ersten und einen zweiten Eingang auf, wobei der erste Eingang mit einem Ausgang der Spannungserfassungschaltung 11 verbunden ist und wobei der zweite Eingang mit einem Ausgang der Temperaturerfassungsschaltung, insbesondere dem Temperatursensor 42, verbunden ist.

[0073] Die Verknüpfungsschaltung 12 bestimmt die Einschaltdauer Δt_n unter Berücksichtigung des Kennlinienfelds des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem 41 in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a einerseits und der Steuerspannung U_B andererseits. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist einen Ausgang zur Ausgabe eines Spannungsäquivalents der so bestimmten Einschaltdauer Δt_n auf.

[0074] Die Steuerschaltung 1 weist außerdem eine Sollwertaufbereitung 13 zur Erzeugung einer angepassten Spannung U_tsoll auf. Ein Eingang der Sollwertaufbereitung 13 ist mit der Verknüpfungsschaltung 12 verbunden. Die Sollwertaufbereitung 13 erzeugt die angepasste Spannung U_tsoll aus dem von der Verknüpfungsschaltung 12 empfangenen Spannungsäquivalent der Einschaltdauer Δt_n.

[0075] Die Steuerschaltung 1 ist mit der Ansteuerstufe 2 verbunden und stellt dieser den Ansteuerparameter, d.h. insbesondere die unter Berücksichtigung des die Temperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑ_c anzeigenden ersten Kennwerts und des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts bestimmte Einschaltdauer Δt_n, bereit.

[0076] Die Steuerschaltung 1 leitet der Ansteuerstufe 2 die in der Sollwertaufbereitung 13 erzeugte angepasste Spannung U_tsoll zu.

[0077] Dargestellt ist eine Ansteuerstufe 2 mit PWM-Schaltung 21 und einer Treiberschaltung 22 für eine nachgeschaltete Leistungsstufe 3. Die PWM-Schaltung 21 weist eine monostabile Kippstufe 211 auf, mittels derer die in der Sollwertaufbereitung 13 erzeugte angepasste Spannung U_tsoll in ein Einschaltintervall tsoii der PWM-Schaltung 21 umgewandelt wird. Die Impulse der PWM-Schaltung werden über die Treiberschaltung 22 der Leistungsstufe 3 zugeleitet, so dass das elektromagnetische Triebsystem 41 beaufschlagt wird.

[0078] Die Leistungsstufe 3 weist einen Ausgangsgleichrichter 33 mit Glättung auf, so dass die Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems 41 mit Gleichspannung erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Leistungsstufe 3 einen Leistungstransistor 31 und einen Übertrager 32 auf.

[0079] Durch die Speisung des elektromagnetischen Triebsystems 41 mit einer Gleichspannung wird die Störaussendung, insbesondere bei längeren Verbindungsleitungen zwischen der Schaltungsanordnung und dem elektromagnetischen Triebsystems 41, verringert.

[0080] Die Schaltungsanordnung ist ferner mit einer Stromregelung ausgestattet. Über den Shuntwiderstand R_sh wird der Hauptstrom im Leistungskreis 3 erfasst und der Spannungserfassungsschaltung 11 zugeführt.

[0081] Somit wird eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere eines Zugmagneten 41 eines Batterieschutzschalters, zur Verfügung gestellt, die einen energieoptimierten Betrieb ermöglicht.

[0082] In Fig. 4 ist ein Prinzipalschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere eines Zugmagneten 41 eines Batterieschutzschalters, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.

[0083] Gemäß der dargestellten Ausgestaltung ist eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung 12 angeordnet, insbesondere erfolgen Verknüpfung und Temperaturerfassung in einer Schaltung. Die Temperaturerfassungsschaltung bestimmt den die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 anzeigenden ersten Kennwert mittels eines analogen Berechnungsverfahrens und verknüpft diesen mit dem mittels der Spannungserfassungsschaltung 11 erfassten die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwert.

[0084] In der dargestellten Ausführungsform werden die Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem 4 und der Strom I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem 41 über die Erfassungsschaltung 11 erfasst. Die Erfassungsschaltung 11 weist ein Eingangsfilter für U_B und die am Shuntwiderstand R_sh abfallende Spannung U_Rsh auf. Bevorzugt ist das Eingangsfilter auf 500Hz eingestellt. Die Erfassungsschaltung 11 weist eine Einheit 111 zur Potentialtrennung, insbesondere einen Optokoppler z.B. des Typs CNY17-4, auf, dem die Spannung UzM zugeführt wird. Die Filterung von UzM und I_ZM bzw. URSH erfolgt beispielsweise mit einem Filter des Typs LMC 6482.

[0085] Die Ausgangssignale der Erfassungschaltung 11, insbesondere des Eingangsfilters, werden der Verknüpfungsschaltung 12 zugeführt. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist in der dargestellten Ausführungsform einen Riemannintegrator auf. Im Riemannintegrator werden die Spannung U_ZM am Zugmagneten 41 und der Strom I_ZM im Zugmagneten 41 für ein Integrationsintervall t_R gemessen und eine äquivalente Spannung durch Quotientenbildung aus U_ZM und I_ZM bzw. U_RSh gebildet. Das Integrationsintervall t_R wird durch einen Analogschalter 121 in Zweifachausführung, der durch eine monostabile Kippstufe 122 angesteuert wird, definiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Analogschalter 121 beispielsweise vom Typ MAX 320 MJA und die monostabile Kippstufe vom Typ NE 555 FE. Das Stromsignal I_ZM bzw. U_RSh wird über einen Widerstand R₁, beispielsweise R₁₌10kΩ, einem Operationsverstärker 123 für die Division zugeführt. Der Operationsverstärker 123 ist beispielsweise vom Typ AD 711. In der Multiplikatorstufe 124 wird das Produkt aus Spannungssignal U_ZM und inversem Strom 1/I_ZM, d.h. der Quotient aus Spannung U_ZM und Strom I_ZM gebildet.

[0086] Das Integrationsintervall t_R ist dabei sehr viel kleiner gewählt als die minimale Einschaltdauer Δt_min=t_min+t_s. Hierdurch wird sichergestellt, dass die minimale Einschaltdauer Δt_min=t_min+t_s durch die Erzeugung des Spannungsäquivalents bzw. der angepassten Spannung U_tsoll zur Ansteuerung der Ansteuerstufe 2, insbesondere der PWM-Schaltung 21, nicht beeinflusst wird.

[0087] Der Quotient wird der Sollwertaufbereitung 13 zugeleitet. Die Sollwertaufbereitung 13 weist einen Abtast-Halte-Schaltkreis 132 auf. Der Abtast-Halte-Schaltkreis 132 wird über die monostabile Kippstufe 122 als Zeitgeber geschaltet. Dazu wird das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 122 einem Negator 131 zugeleitet, der mit dem Steuereingang des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 wird durch einen Spannungsteiler mit Widerständen R₃, R₄ mit dem In2 verknüpft.

[0088] Für kleine t_R, d.h. kurz nach dem Einschaltmoment to=0, steigen sowohl Spannung U_ZM als auch Strom I_ZM am Zugmagneten 41 exponentiell an, siehe Fig. 5. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Spannungs- bzw. Stromkennlinie U_ZM, I_ZM im Kleinsignalbereich kann das Riemannintegral mit dem Logarithmus von 2, In2≈0,693, verknüpft werden. Die Spule des Zugmagneten 41 ist aus einer Kupferleitung gewickelt. Der Widerstand des Zugmagneten R_ZM lässt sich somit unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands von Kupfer, gegeben für die entsprechende Temperatur, bestimmen zu: R_ZM=[U_ZM/I_ZM]·In2.

[0089] Die Ausgangsspannung des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 liegt, je nach errechnetem Wert, zwischen 0 und 10VDC, so dass durch das Spannungsteilerverhältnis R₃/R₄ die ausgegebene angepasste Spannung U_tsoll quasi normiert hergeleitet wird.

[0090] Die so erzeugte angepasste Spannung U_tsoll gelangt auf den Eingang 211 zur Zeitsteuerung der PWM-Schaltung 21. Mit der Vorsteuerung durch U_B, welche über den Eingang 212 an die PWM-Schaltung 21 gelangt, bestimmt die angepasste Spannung U_tsoll die Einschaltdauer Δt_n entsprechend der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Kennlinienfelder.

[0091] Die Impulse der PWM-Schaltung 21 werden über die Treiberschaltung 22 der Leistungsstufe 3 zugeleitet, so dass der Zugmagnet 41 beaufschlagt wird.

[0092] Die Steuerschaltung 1 sowie die Ansteuerstufe 2 werden durch die Stromversorgung 5 mit 15VDC gespeist. Die Stromversorgung 5 ist durch einen schnellen Aufbau der Versorgungsspannung Us im Einschaltmoment to gekennzeichnet.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0093] 

1

Steuerschaltung

11

Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts

111

Potentialtrennung mit Optokoppler

112

Eingangsfilter

12

Verknüpfungsschaltung zur Verknüpfung Steuerspannung U_B und Temperatur ϑ_a,ϑ_c

121

Analogschalter in Zweifachausführung

122

monostabile Kippstufe (Monoflop)

123

Operationsverstärkerstufe für Division

124

Multiplikatorstufe

13

Sollwertaufbereitung

131

Negator

132

Abstast-und-Halte-Schaltkreis

2

Ansteuerstufe

21

Pulsweitenmodulations-Schaltung mit monostabiler Kippstufe

211

Eingang für Einschaltdauer Δt

212

Eingang für Vorsteuerung durch Steuerspannung U_B

213

Eingang für Stromregelung

22

Treiberschaltung für Leistungsstufe

3

Leistungsstufe

31

Leistungstransistor

32

Übertrager T1

33

Ausgangsgleichrichtung mit Glättung

41

elektromagnetisches Triebsystem

42

Temperatursensor

5

Steuerstromversorgung

6

mechanisches System

Us

Steuerstromversorgungsspannung

U_B

Steuerspannung, Batteriespannung

U_ZM

Spannung am elektromagnetischen Triebsystem

I_ZM

Strom im elektromagnetischen Triebsystem

R_sh

Shuntwiderstand (0,1Ω), induktivitätsarm

R₁

Widerstand (10kΩ)

R₂

Widerstand (10kΩ)

R₃

Widerstand (3,61kΩ)

R₄

Widerstand (6,39kΩ)

MB

Minuspotential des Hauptstroms

t

Zeit

to

Einschaltzeitpunkt

t_R

Integrationsintervall

t_n

Zeitpunkt des Erreichens der Endlage

ts

Sicherheitsintervall

Δt_n

Einschaltdauer

A

Endlage in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_a bei festgehaltener Steuerspannung U_B

B

Endlage in Abhängigkeit von der Steuerspannung U_B bei festgehaltener Temperatur ϑ_a

Z

Spannungsspitze im Anschlagszeitpunkt/Zeitpunkt des Erreichens der Endlage

ϑ_a

Umgebungstemperatur, insbesondere des elektromagnetischen Triebsystems

ϑ_c

Temperatur des elektromagnetischen Triebsystems

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems (41) zum Schalten eines mechanischen Systems (6), mit

einer Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung (U_B),

einer Ansteuerstufe (2) zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) zum Schalten des mechanischen Systems (6) während eines Schaltvorgangs und

einer Steuerschaltung (1) zum Steuern der Ansteuerschaltung (2),

dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) ausgebildet ist, einen eine Temperatur (ϑ_c) des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur (ϑ_a) anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung (U_B) anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwerts zu setzen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerstufe (2) ausgebildet ist, das Triebsystem (41) durch Anlegen der Steuerspannung (U_B) zum Schalten des mechanischen Systems (6) zu bestromen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) ausgebildet ist, als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer (Δt_n) zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) zu setzen.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) eine Verknüpfungsschaltung (12) aufweist, wobei die Verknüpfungsschaltung (12) den Ansteuerparameter anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfungsschaltung (12) ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer (Δt_n) ausgibt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) eine Sollwertaufbereitungsstufe (13) zur Erzeugung einer angepassten Spannung (U_tSoll) zur Weiterleitung an die Ansteuerstufe (2) aufweist, wobei der Sollwertaufbereitungsstufe (13) das in der Verknüpfungsschaltung (12) erzeugte Spannungsäquivalent zugeleitet wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungsschaltung mit der Verknüpfungsschaltung (12) verbunden ist und einen Temperatursensor (42) zum Messen des eine Temperatur (ϑ_c) des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur (ϑ_a) anzeigenden ersten Kennwerts aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung (12) angeordnet ist, wobei die Temperaturerfassungsschaltung eine Schaltung zur Berechnung zur Berechnung des eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts anhand eines elektrischen Widerstands (R_ZM) des elektromagnetischen Triebsystems (41) aufweist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungsschaltung einen Riemannintegrator zur Integration der Spannung (U_ZM) am elektromagnetischen Triebsystem (41) und des Stroms (I_ZM) im elektromagnetischen Triebsystem (41) aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertaufbereitungsstufe (13) eine Abtast-Halte-Schaltung (132) aufweist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerstufe (2) eine Pulsweitenmodulationsschaltung (21) mit einer monostabiler Kippstufe aufweist, wobei ein Steuereingang (211) der monostabilen Kippstufe mit der Steuerschaltung (1) verbunden ist und ein Ausgang der monostabilen Kippstufe mit der Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine Leistungsstufe (3) aufweist und die Ansteuerstufe (2) eine Treiberschaltung (22) zur Ansteuerung der Leistungsstufe (3) aufweist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) und die Pulsweitenmodulationsschaltung (21) als Microcontrollerschaltung ausgeführt sind.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1), die Pulsweitenmodulationsschaltung (21) und die Treiberschaltung (22) zur Ansteuerung der Leistungsstufe (3) in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) oder in einem Hybridschaltkreis angeordnet sind.

15. Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems (41) zum Schalten eines mechanischen Systems (6) mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Steuerschaltung ein eine Temperatur (ϑ_c) des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur (ϑ_a) anzeigender erster Kennwert und ein die Steuerspannung (U_B) anzeigender zweiter Kennwert erfasst werden und durch die Steuerschaltung zumindest ein Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert gesetzt wird.

Zeichnung