CN101238536A - 用于将安全装置控制到安全状态的安全切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安全切换装置，通过该安全切换装置，安全相关装置(优选地是电驱动器)可以被控制到安全状态。安全切换装置(900)具有微处理器或微控制器(822)，它可以在紧急开关、保护门开关、和/或双手开关被启动时以及在安全切换装置或电驱动器的错误操作时可以对例如要保护的电驱动器进行控制。为此，微处理器(822)优选地被设计成它可以从至少一个将被测量的模拟信号确定预定参数(优选地是模拟信号的幅度)是否超过预定工作范围。此外，微处理器(822)可以是安全装置的组件，该组件被构建用于安全电驱动器的多通道控制。按照这样的方式，为了将电驱动器控制到安全状态，安全切换装置(900)可以响应多个彼此独立的安全功能。此外，与公知的方法相比较，在小型的安全切换装置中的布线错误可以大大降低。

Description

用于将安全装置控制到安全状态的安全切换装置

技术领域

本发明涉及一种安全切换装置，通过该安全切换装置，安全相关装置(优选地是电驱动器)可以被设置为安全状态。此外，本发明还涉及用于驱动至少一个负载的三相功率放大器，用于测量其幅度会超出预设的工作范围的周期模拟信号的测量装置，以及用于安全相关装置的多通道操作的安全装置；它们一起适合在安全切换装置中使用。

背景技术

由于能使驱动器进入安全状态的安全相关组件、安全继电器、电动机保护开关、或电动机保护继电器和保险丝是必不可少的，因此，电驱动器(例如三相交流电动机)可用于应用或系统中。一旦紧急关闭开关、保护门开关、或双手开关(two hand switch)被启动，安全继电器就被用来关闭电驱动器。电动机保护开关具有这样的任务，例如，如果存在热超负荷，就利用双金属器件使得驱动器进入安全状态。

这种安全措施的缺点在于，这些组件具有大的空间要求和很大的布线复杂性。除了别的之外，这导致高成本和巨大的维护费用。此外，使用的电磁接触器呈现接触磨损。此外，还存在这样的危险，在具有安全相关组件的系统实现中，电动机保护开关和安全继电器会错误地连接到安全相关组件，或者使用了有缺陷的组件，于是系统、电驱动器、和/或操作人员会由于错误操作而发生危险。

于是，本发明基于创造一种小型的安全相关装置的任务，这种装置避免了上述缺点并且确保了当应用、系统、安全相关装置、和/或安全切换装置本身出现错误时安全相关装置尤其是电驱动器可以迅速可靠地转换至希望的安全状态。

发明内容

本发明的一个核心思想可在安全切换装置的设计中看出，该安全切换装置具有例如微处理器、微控制器、或FPGA(现场可编程门阵列)的集成可编程控制单元，它可以在紧急关闭开关、保护门开关、或双手开关被启动时或者在安全切换装置或电驱动器的错误操作时驱使例如要保护的电驱动器进入安全状态。在此，微处理器优选地被实现成它可以从至少一个将要被测量的模拟信号确定预设参数(优选地是模拟信号的幅度)是否超过预设的工作范围。此外，微处理器可以是安全装置的组件，该组件被构建用于安全电驱动器的多通道控制。按照这样的方式，为了使得电驱动器进入安全状态，安全切换装置可以实现响应两个独立的安全功能。此外，对于这样一个小型的安全切换装置，布线错误相对于已知方法来说可以大大降低。

上述技术问题由权利要求1的特征解决。

于是，提供了一种用于将至少一个安全相关装置设置成安全状态的安全切换装置。所述安全切换装置具有用于将所述安全切换装置连接到单相或多相电源装置的第一连接装置；用于连接到安全相关装置的至少一个第二连接装置；用于连接至少一个安全相关输入级的第三连接装置；连接在所述第一连接装置和第二连接装置之间的单相或多相功率放大器，其具有至少一个可驱动开关触头；测量装置；和用于所述功率放大器的多通道驱动的安全装置。此外，所述安全装置具有以下特征：第一控制装置，其具有可编程控制单元和用于产生监控信号的信号产生装置；第二控制装置，其中所述输入级与所述第一控制装置和所述第二控制装置连接，并且所述输入级被构建成用于利用来自所述第一控制装置的所述监控信号调制输入信号，其中如果出现了作为已调制的输入信号的响应的错误，所述第一控制装置和/或第二控制装置驱使所述安全相关装置进入预定的安全状态，其中所述第一控制装置被分配给所述测量装置，并且所述第一控制装置被构建成在所述测量到的模拟信号的预定参数超出预定工作范围时响应于测量到的模拟信号来通过所述功率放大器驱使所述安全相关电装置进入预定的安全状态。

由于这种措施，如果安全相关装置(例如紧急电路断路器)被启动，电源电流超过阈值或者在安全相关装置或安全切换装置中出现错误，则将安全相关装置设置为预定的安全状态是可能的。

从属权利要求的主旨在于一些有利改进。

优选地，功率放大器是三相功率放大器，其具有能通过所述第一连接装置连接到三相交流电源装置的第一、第二和第三线路，其中每一个线路上布置了用于断开和闭合相应线路的至少一个可控开关触头，并且其中所述开关触头中的至少两个可以彼此独立地控制。在这种情况下，例如，所述测量装置测量两个线路内的线路电流并且测试两个电流中的至少一个的预定参数是否超过预定工作范围。

测量装置被用来替换地或额外地测量线路电压。根据测量到的电压和相关的电流，测量装置可以确定有效功率。在这种情况下，安全相关切换装置不仅仅可以用于保护人和电动机，而且还可以用于保护系统，这是因为有效功率与电驱动器的输出扭矩成比例。

为了获取能让错误布线的风险显著降低的小型的、容易操作的安全相关装置，第一连接装置、一个或者多个第二连接装置、第三连接装置、功率放大器、测量装置、和/或控制装置被布置在一个电路板上。

根据本发明的另一个观点，安全装置被创建用于安全相关装置的多通道控制，其可被集成至安全切换装置。

自控系统通常包括可与安全相关和非安全相关致动器、传感器、以及高电平控制和/或低电平控制和监控装置相连接的现场总线系统。例如，致动器可包括诸如三相交流电动机的电驱动器。这种自控系统的一个重要要求就是如果发生了错误，例如致动器或者甚至整个自控系统的安全相关组件可以被转移至安全状态。为了使得自控系统或有缺陷的致动器的安全停用，必须确保的是用于将自控系统转移至安全状态的定义的输入信号总能被正确地解释。

使用了属于某种安全类别的系统和装置(例如多通道监控系统)，其包括能彼此独立操作并且能各自将系统或各个装置转移至安全状态的子系统。多通道或冗余地构建的监控系统进一步被构建使得子系统可以监控其它各个子系统的功能。相互监控通常通过状态数据的双向交换实现。这种已知多通道监控系统被对称地构建。这就意味着，由输入级传递并且控制被监控系统的操作状态的输入信号被直接施加至监控系统的各个子系统，如图9所示。

不同于将由输入级准备的输入信号直接施加到各个子系统的现有对称、多通道监控系统(此后也称为安全装置)，本发明的一个核心思想在于，输入信号以预定的方式被调制之后才被馈入子系统，后面也称为控制装置。特别地，对于根据本发明的安全装置而言，不同的安全装置之间没有相互监控。相反地，作为主机(master)的由微处理器控制的控制装置监控着作为从机(slave)的其他控制装置。

于是，提供了一种用于安全相关装置的多通道控制的安全装置。在此，应该注意到，安全相关装置可包括自控系统的致动器、可执行的安全相关应用、和/或自控系统本身。

为此，提供了形成被称为第一控制通道的第一微处理器控制的控制装置。第一微处理器控制的控制装置具有用于产生监控信号的信号产生装置。第二控制通道具有第二控制装置。

监控信号首先被用于使得安全装置尤其是第二控制装置监控第一微处理器控制的控制装置的适当功能。

被构建成利用来自第一微处理器控制的控制装置的监控信号调制输入信号的输入级被连接到第一微处理器控制的控制装置和第二控制装置。第一微处理器控制的控制装置和/或第二控制装置在有错误发生时响应于已调制输入信号将安全相关装置设置为预定安全状态。

从属权利要求的主旨在于一些有利改进。

为了例如在安全相关观点下处理已调制的输入信号，第一微处理器控制的控制装置优选地执行安全相关程序或程序部分。因此已调制的输入信号可被编码，例如以定义的方式编码。

信号产生装置被构建成由第一微处理器控制的控制装置根据至少一个安全相关程序的处理来产生监控信号。在此，应该注意到，信号产生装置优选地是第一微处理器控制的控制装置的微处理器的组件。

第一微处理器控制的控制装置和第二控制装置与输入级连接。两个控制装置各有用于使输入级启动或停用的装置。特别地，输出级包括可作为中继(relay)的至少一个切换装置。然而，输出级还可以具有能将安全相关装置逐渐停用或软停用的多个切换装置。

第一微处理器控制的控制装置的启动/停用装置具有能连接到地的开关，同时第二控制装置具有能连接到电源电压的开关。可替换地，第一控制装置具有能连接到电源电压的开关，而第二控制装置具有能连接到地的开关。这样，为了将安全相关装置设置成安全状态，控制装置可以相互独立地控制输出级。根据输出级的电路相关实现，只有当由第一控制装置定义的地到输出级的通路闭合而电源电压通过第二控制装置施加在输出级时，安全相关装置才处于工作状态。随后，如果接地通路被断开和/或电源电压从输出级中隔开，那么安全相关装置可通过输出级转换至安全状态。

优选地，第一微处理器控制的控制装置被构建成用于监控输入级和/或第二控制装置。

可以采用逻辑运算器件尤其是AND门电路的方式实现利用第一微处理器控制的控制装置的监控信号对输入信号进行调制。可替换地，通用开关，也就是机械开关，可被用于在断开或闭合开关时调制监控信号。

为了防止由于监控信号错误的、未控制的振荡产生的第一控制装置和/或第二控制装置的错误运行，第一微处理器控制的控制装置必须传递合适的信号形状。为此，第一微处理器控制的控制装置具有用于利用频率大于监控信号频率的信号调制监控信号的调制器。这个更高频率的信号可以是控制第一控制装置的微处理器的时钟信号。在这种情况下，输入级被构建用来调制已调制的监控信号和输入信号。在这种情况下，第二控制装置必须能够检测和估计已调制的输入信号中的不同频谱部分。为此，第二控制装置具有这样一个解调器，当作为对来自输入级的已调制的输入信号的响应以及作为对来自第一微处理器控制的控制装置的已调制监控信号的响应的错误发生时，解调器产生将安全相关装置设置为预定的安全状态的控制信号。

为此，解调器优选地作为一种带阻滤波器。与至少一个切换装置尤其是单稳多谐振荡器相结合，当更高频率信号的频率以预定量改变时，解调器传递一个用来将安全相关装置设置为安全状态的控制信号。

优选地，解调器具有高通滤波器和第一低通滤波器，它们的输入端每个均连接到第一微处理器控制的控制装置的输出端。提供了第一单稳多谐振荡器，其具有复位输入端和连接到高通滤波器的输出端的信号输入端。提供了第二低通滤波器，其输入端连接到第一单稳多谐振荡器的负输出端。此外，提供了第二单稳多谐振荡器，其信号输入端连接到第一低通滤波器的输出端而其复位输入端则连接到第二低通滤波器的输出端。此外，提供了第三单稳多谐振荡器，其信号输入端连接到输入级的输出端而其复位输入端则连接到第二单稳多谐振荡器的负输出端。

优选地，第一微处理器控制的控制装置是基于软件的而第二控制装置是基于硬件的，即根据电路实现。此外，第二控制装置还可以由微处理器控制。

输入信号可包括用于安全相关装置的启动和安全停用的二进制处理信号。

根据本发明另一观点，提供了一种三相功率放大器，它也可以集成至安全切换装置内。

三相功率放大器很久以前就为人所知并且被用于以控制了的方式为负载提供由三相交流发电机产生的三相电流。负载可以连接到功率放大器的一个相或所有的三个相并按照这种方式被提供了交流或三相电流。

图2示出了一种已知的三相功率放大器的示例。总体以10表示的功率放大器具有三条线路20、21、和22，也称为三个相。习惯上，线路终端通向未示出的以L1、L2、和L3表示的三相电源装置。将交流电馈入线路30、31、和32分别由互感器30、31、和32象征性地示出。为了对功率放大器10的电子组件和/或与之连接的负载进行过电压保护，在线路20、21、和22之间存在一个总体以40表示的过压保护电路。过压保护电路40可以具有多个串联和/或并联的由电容器、电阻器、和/或压敏电阻器形成的电路。这种过压保护电路是已知的因此不必予以更加详细的描述。

输出侧线路终端照例以T1、T2、和T3表示。如图2所示，作为继电器的一部分的开关触头50连接到线路21。作为交流电开关并且可以由双向可控硅(triac)或由相应的晶闸管电路实现的半导体组件60并联地与开关触头50连接。与双向可控硅60并联地布置了一个保护电路，该保护电路可包括由电阻器70和电容器71组成的串联电路以及与这些组件并联地连接的压敏电阻器。保护电路被用于双向可控硅60和/或用于为双向可控硅传递触发电压的多个光学双向可控硅的电压尖峰保护。应该注意到，例如双向可控硅60的用于半导体开关的保护电路是已知的因此不必予以更加详细的描述。

属于单独继电器的开关触头80类似地连接到线路22。提供了具有双向可控硅形式的半导体开关90以及具有由电阻器70和电容器71组成的串联电路形式的保护电路以及与两者并联的压敏电阻器72的保护电路，它们依次与开关触头并联。此外，在第二线路和第三线路21和22之间提供了具有分配给线路21的继电器110和分配给线路22的继电器120的换向开关(reversing switch)装置100。分配给线路21的继电器110具有两个开关触头111和112，而分配给线路22的继电器120具有开关触头121和122。换向开关装置100被用于改变所连接的三相交流电动机的运行方向。在所示的开关状态下，继电器110的开关触头111和112将线路21的输入端L2连接到输出端T2，同时继电器120的开关触头121和122将线路22的输入端L3连接到输出端T3。在相连接的状态下，所连接的三相交流电动机以顺时针方向旋转，例如在该开关触头位置。如果继电器110和120被触发，那么相应的开关触头111和112以及121和122分别地确保一个交流电流通过线路22通至线路21的输出端而一个交流电流通过线路21通至线路22的输出端。按照这种方式，所连接的三相交流电动机的运行方向被改变。

在已知功率放大器中使用的换向电路100的继电器110和120确保了线路21和22连续地导电。关闭这个已知功率放大器仅仅在考虑线路21和22时开关触头50和80被断开从而分别分配给这两个线路的双向可控硅60和90处于阻断模式运行时才可能。因为双向可控硅必须独自阻断流经线路21和22的电流，所以使用了特殊的半导体组件，该半导体可以承受大约1200V的断态电压。

在图2中示出的公知功率放大器并不适合于满足安全类别3的要求，因为不可能做到功率放大器的三相停用。这是因为线路20上没有可以断开线路的开关。

本发明的另一方面就在于上述三相功率放大器被进一步改进成满足安全类别3以及停止类别0和1的要求。

本发明的另一方面就在于规定了一种新颖的换向开关装置，它使得用于功率放大器的半导体开关采用了更加经济的半导体组件。由于这个新颖的换向开关装置，半导体开关展示了比图2中所示的功率放大器(其断态电压大约是1200V)更低的断态电压，即在阻断状态下大约800V。此外，在这个新颖的换向开关装置可以省略布置在图2中的已知三相功率放大器中的用于半导体开关的保护电路。

本发明的一个核心思想在于创建了能被完全停用并因此满足安全类别3的要求的三相功率放大器。为此，三相功率放大器的每一个线路均必须能被断开。

本发明的另一个核心思想在于所使用的半导体开关的电气负载在功率放大器被停止时降低。为此，采用了一种特殊的换向开关装置，例如其中，每一个都具有两个开关触头的两个继电器并联地连接在两个线路之间，从而两个线路以预定的开关触头位置隔开。于是，流经这两个线路的电流不是如同现有技术中的状态一般地被所使用的半导体开关阻断，而是主要地被换向开关的机电开关触头阻断。

于是，提供了一种用于驱动至少一个负载尤其是三相交流电动机的三相功率放大器，其具有第一、第二和第三线路。在输入侧，三相功率放大器能连接到三相交流电源装置。为了使得三相功率放大器能满足安全类别3和停止类别0或停止类别1的要求，每一个线路的断开和闭合端上都布置了至少一个开关触头。为了更好地确保功率放大器的三相停用，分配给不同线路上的至少两个开关触头可以彼此独立地驱动。

从属权利要求的主旨在于一些有利改进。

每个线路的至少一个开关触头被分配给电磁开关元件。这样就确保了即使使用了半导体开关多个线路也能机械地断开，例如第二线路和第三线路。由于处于停用状态的驱动器没有上电，所以没有有关图1中所示的功率放大器触摸时的电压危险。

优选地，具有第一开关触头和第二开关触头的第一开关元件连接在第二线路和第三线路之间，其中第一开关触头并联地连接至所述半导体开关中的一个，而第二开关触头则并联地连接至所述半导体开关中的另一个。第一开关触头和第二开关触头各个均可包含前面提过的如权利要求1所述的可控开关触头。

半导体开关可包括双向可控硅，它是一种交流电开关，它的触发电源是由一个连接到电源电压的装置提供的。这个提供触发电源的装置被构建成它将半导体开关在触发状态保持住一个预定的时间，即使与此同时第一开关元件的第一开关触头和第二开关触头被驱动。这就确保了布置在第二线路和第三线路之间的第一开关元件几乎没有磨损地连接着。

为了能在三相功率放大器处于停用状态时降低施加在半导体开关上的断态电压——典型地1000V断态电压被施加在半导体开关上——两条线路之间存在一个换向开关装置，其包括可彼此独立驱动并且各自包括第一开关触头和第二开关触头的两个开关元件，其中所述开关元件的第一开关触头连接至一条线路，而所述开关元件的第二开关触头则连接至另一条线路。流经两条线路的电流在所述第一开关触头和所述第二开关触头的预定位置被阻断。于是，阻断功能不再仅仅加载在半导体开关上，而是由机械开关支撑。于是，相对于图1中已知的功率放大器，该功率放大器可以无电流地停用。

根据第一替换方式，换向开关装置的第二开关元件的第一开关触头连接至第二线路，而第二开关元件的第二开关触头则连接至第三线路。

优选地，在第一替换方式中，具有至少两个开关触头的第三开关元件与第一线路相连接。这样，就确保了三相功率放大器的每条线路上都布置了至少两个开关触头。这就确保了三相功率放大器满足停止类别0和停止类别1的要求。随后，即使开关触头出问题，还是可以对功率放大器进行安全的三相停用。

换向电路装置的替换布线提供了：两个第二开关元件的第一开关触头连接至第一线路，而两个第二开关元件的第二开关触头则连接至第二线路。

安全程度可以通过停用根据相对于第一替换方式的第二替换方式的功率放大器增加，其提供了具有第一开关触头和第二开关触头的第三开关元件，其中第一开关触头连接至第一线路而第二开关触头则连接至第二线路。这就确保了每条线路上都布置了能相互独立地控制的两个开关触头和半导体开关。

因此，由于优选地在功率放大器中仅仅使用了具有两个开关触头的继电器，相对于图1所示的功率放大器，所使用的继电器的数目仍然保持相等而安全性被显著地改进了。

一般，半导体开关的每一个都由保护装置进行过压和其他电气干扰保护。在此应该理解的是，换向开关装置的特定布线和机电开关元件(其两个开关触头都连接在线路1或者第一和第二线路)的使用使得半导体开关在没有保护电路的情况下同样被使用。

按照已知的方式，在三个线路之间可以连接着防过压的保护电路。

为了对三相功率放大器进行恰当的启动和停用，提供了用于驱动开关元件和半导体开关的控制装置、以及必要时的可编程控制装置。

为了能在错误发生时迅速可靠地停用三相功率放大器，提供了能监控流经所述多个线路的电流、多个线路之间的输出电压、和/或至少一个连接着的三相交流电动机的运行方向的监控装置，其中控制装置响应于监控装置而驱动对应的开关元件和半导体开关。

通过一个换向开关装置，类似地解决了上述技术问题，该换向装置特别地为三相功率放大器而提供。换向开关装置包括两个第二开关元件，它们可彼此独立控制并且各自包括第一开关触头和第二开关触头。第二开关元件的第一开关触头连接至第一线路而第二开关触头被连接至第二条线路。开关触头的布线和装置是这样选择的，流经连接线路的电流在第一开关触头和第二开关触头的预定位置被阻断。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量周期模拟信号的装置，它同样也可以集成至安全切换装置中。

当前对例如电动机的电驱动器进行的过流和过压保护主要是通过基于双金属器件的机械监控元件实现。机械双金属器件的触发特性在此由所使用的金属以及承载该电动机电流的电热塞的热传递所决定。虽然采用了随温度变化的补偿电路，但是机械双金属器件的触发表现还是会由于环境温度的波动而变化。此外，这种机械监控元件尤其容易受其组件的腐蚀和磨损的影响，所以监控元件必须频繁地检测和维护。

于是，近些年来，电子双金属开关被越来越频繁地使用做监控元件。这些元件工作起来具有显著的更高精确度并且相对于机械监控元件而言没有那么大的磨损并且对于内部影响不会那么敏感。

然而，触发电子双金属开关所必需的测量装置被用于电子双金属开关。除了个别情况之外，所使用的测量装置必须能够检测所谓的“涌流”，涌流可等于额定电动机电流的7倍，并且所使用的测量装置在额定电流的范围内必须有足够的分辨率和精度。于是，需要昂贵复杂规格(dimensioning)的测量装置，从而可以检测在最大可能电流范围内的电流，即额定电流和过电流。这就导致了相当大和昂贵的测量装置，因为电流互感器尤其需要相应超规格。

本发明的一个核心思想在于，提供了一种测量装置和一种测量方法，利用这种测量装置和测量方法，当特别是存在过电流时过电流的峰值幅度可通过已知曲线形状来估计。按照这个方法，即使测量装置仅仅适于给定测量范围内的额定电流，还是可以在给定测量或工作范围之外操作测量装置。

因此，本发明进一步基于提供这样的测量方法和测量装置的任务，其被设计成适于电驱动器的额定电流范围并且随之可利用经济的电和磁组件予以构建而过电流还是能被测量。

于是，提供了一种用于测量其幅度可能超出预定的工作范围的周期模拟信号的测量装置，其具有用于确定要被测量的模拟信号的幅度大于或等于预定阈值的时间周期的装置，和用于根据确定的时间周期和信号形状尤其是该模拟信号的信号频率来计算要被测量的模拟信号的最大幅度的估计装置。

在此应该注意到，“预定的工作范围”应该被理解为测量信号不会将测量装置(即构建测量装置的一个或多个电气组件)驱动至过流并因此能以传统方式测量的范围。词语“幅度大于”考虑了周期模拟信号可能会落入其最大峰值和最小峰值范围之外的情况。

从属权利要求的主旨在于一些有利改进。

优选地，测量装置的确定装置具有用于以采样速率对要被测量的模拟信号进行采样的采样装置，和用于对连续采样到的幅度大于或等于预定阈值的值进行检测和计数的装置。在这种情况下，所述估计装置被构建成根据计数得到的采样值数目、采样速率、和信号频率来计算模拟信号最大幅度。

在此应该注意到，例如，阈值可以是测量装置预定工作范围的上限和/或下限，在其期间可以对模拟信号进行传统测量。然而，该阈值也可以比上限和/或下限值小一个预定量。

如果模拟信号包括预定信号频率的正弦信号，那么估计装置利用下式计算所述最大幅度值

$I=\frac{1}{\sin \left(\mathrm{\π}(\frac{1}{2}-\frac{T_{\mathrm{AB}}*N}{T})\right)}$

式中T_AB是所述采样速率的倒数，N是计数出来的幅度大于或等于预定阈值的采样值的数目，而T是被测量到模拟信号的周期。

为了能降低估计装置的计算能力，提供了一种替换测量装置，如权利要求4所述。

于是，测量装置具有用于以采样速率对模拟信号进行采样的采样装置。此外，提供了用于对连续采样到的幅度大于或等于预定阈值的值进行检测和计数的装置。超出预定的工作范围的多个参考信号的最大幅值和数量大于或等于预定阈值的采样值的相关数目被存储在存储装置中。此外，测量装置具有估计装置，其根据由所述检测和计数装置确定的采样值数目从所述存储装置中读取所述相关最大幅值。在此，所确定的数目可以用作存储地址。在此应该强调，最大幅值包括计算出的幅值，其被看作是要被测量的超出预定工作范围的信号的实际最大幅值的估计值。

为了能够数字化地估计采样值，提供了用于将所述采样值转换为相应的数字值的AD转换器。

通过让采样装置使用更高的采样速率，能以更高精度计算出最大幅值。然而，同时计算花销增大。于是，如果采样速率是可调节的，那将是十分有利的。

权利要求中所述的测量装置可用于防过流保护装置，尤其是防过流保护电气装置，其中防过流保护装置具有可以根据计算出的最大幅值而停用所述装置的触发装置。

上述技术问题通过一种用于测量周期模拟信号的方法而被类似地解决了，其中模拟信号的幅度可能超出预定的工作范围。首先，确定要被测量的模拟信号的幅度大于或等于预定阈值的时间周期。根据确定的时间周期和信号形状尤其是要被测量的测量信号的信号频率，随后计算要被测量的落在预定的工作范围以外的模拟信号的最大幅度。

从属权利要求的主旨在于一些有利改进。

时间周期可以这样确定，要被测量的模拟信号以采样速率被采样。随后，对连续采样到的数量大于或等于预定阈值的值进行计数。根据计数得到的采样值数目、采样速率、和信号频率来计算模拟信号的最大幅度。

为了降低电路相关的花费以及花在计算最大幅值上的时间，事先将超出预定的工作范围的最大幅值和大于或等于预定阈值的采样值的相关数目进行确定并存储起来。之后，以采样速率对要被测量的模拟信号进行采样。对数量大于或等于预定阈值的连续采样值进行计数，并且读取对应于计数出来的采样值数目的最大幅值。

附图说明

下文中将通过参考多个实施例并结合附图对本发明予以更加详细的描述。在附图中，相同的参考标号被用于相同的部分或组件。其中：

图1是根据本发明的安全切换装置，

图2是根据现有技术的三相功率放大器，

图3示出了根据本发明的三相功率放大器，

图4是根据本发明的一个替换三相功率放大器，

图5示意性地示出了根据本发明的不使用换向开关装置的三相功率放大器，

图6是根据本发明的测量装置的实施例，

图7是在允许的测量范围内采样到的测量信号，

图8是在允许的测量范围之外采样到的测量信号，

图9是根据现有技术的双通道对称安全装置的电路图简化框图，

图10是根据本发明第一实施例的用于安全相关装置多通道控制的安全装置的电路图简化框图，

图11是由图10所示的安全装置的第一微处理器控制的控制装置产生的监控信号的时序图，

图12是图10所示的第二控制装置的大体电路设计，

图13是根据本发明的用于安全相关装置多通道控制的一个替换安全装置，

图14是图13所示的第二控制装置的大体电路设计，

图15a到15i是在无错误工作期间的预定点上图14所示的电路布置中的各种信号的时序图，

图16a到16i是在有错误工作期间的预定点上图14所示的电路布置中的各种信号的时序图，

图17a到17i是在有错误工作期间的预定点上图14所示的电路布置中的各种信号的时序图。

具体实施方式

在图1示出了示例的安全切换装置900的电路图框图，其组件被容纳在一个外壳中。安全切换装置900具有第一连接装置910，通过第一连接装置，安全切换装置900可以连接到例如三相电源网络(未示出)。连接至电源网络的三条输入线路在图1中以L1、L2、和L3表示。L1、L2、和L3三条线路与功率放大器200连接，功率放大器的输出侧线路以T1、T2、和T3表示。这三条输出侧线路连接至第二连接装置920，而第二连接装置920可以连接例如三相交流电动机的安全相关装置。应该能理解的是，安全切换装置900可以连接着多个安全相关装置，例如单相或多相驱动器。于是，所使用的功率放大器可具有单相或多相结构。出于简化的目的，功率放大器200仅仅示意性地示出。下文中将结合图3对功率放大器200予以详细描述。在此应该注意到，除了图3所示的功率放大器以外，同样可以使用图4中所示的功率放大器400。

在线路L1、L2、和L3上连接着装置930，其在线路L1和L3上具有电流互感器，而电流互感器将模拟电流馈入测量装置610的线路L1和L3。测量装置610可以是例如可编程控制单元的组件，例如控制装置820的微控制器或微处理器。然而，它同样也可以被构建成一个独立功能模块。测量装置610优选地包括在结合图6到8描述时的测量装置。测量装置的主要任务在于确定线路L1和L3上的电流幅度是否落在预定工作范围之外。如果是这样的话，那么为了将连接着的三相交流电动机从未示出的电源网络断开，微处理器822通过开关晶体管828控制功率放大器200。如在图1中示意性地示出的那样，开关晶体管828与功率放大器200的互感器270连接。下文中将参考图13和14对微处理器控制的控制装置820予以更详细的描述。可替换地或额外地，可以把电压互感器环接(loop)到线路L1和L3，电压互感器将线路电压馈入测量装置610。测量装置610可以被构建成这样，它确定接收到的电压信号乘以相关的电流信号得到的有效功率并且测试有效功率落在预定工作范围之内还是之外。操作人员可以调整工作范围的实际值和允许电流幅度超出预定工作范围而不停用三相交流电动机的时间周期。

此外，安全切换装置900还包括另一个控制装置840，该控制装置具有解调器830和连接到功率放大器200的互感器270的一个不同端点的开关晶体管850。微处理器控制的控制装置820和控制装置840都是多通道安全装置810的组件，下文中将参考图13和14对微处理器控制的控制装置820予以更详细的描述。在此应该注意到，除了控制装置820和840以外，同样可以使用图10中所示的安全装置750的控制装置770和780。在此连接中，还应该注意到，图10所示的输出级790对应于例如在安全切换装置中使用的功率放大器200。

调制器824被分配给第一微处理器控制的控制装置820的微处理器822，通过外部连接到安全切换装置900的输入级760的接口940的数字输出馈送调制器824的输出信号。注意，这个输入级包括图10和13所示的安全装置750和810的输入级760。第二控制装置840的输出信号类似地被馈入微处理器822，微处理器822可以响应于接收到的输出信号对第二控制装置840的正常功能进行测试。与调制器824相结合，微处理器822产生指示了两个控制装置820和840是否正常运行的监控信号。为了确保与安全切换装置900相连接的三相交流电动机能被转移至安全状态，如果安全切换装置900的电路组件尤其是控制装置820和840存在缺陷，或者例如在输入级760中实现的紧急电路断路器765被从外部启动，那么紧急电路断路器765的输入信号和调制器824的输出信号都被馈入例如AND门电路的逻辑运算器件762。输入级760的逻辑运算器件762的输出信号通过连接63馈入至安全切换装置900的接口945的数字输入端。通过接口945，输入信号到达了第二控制装置840的调制器830并通过连接63’到达了微处理器822。如果控制装置840的解调器830或者控制装置820的微处理器822识别出由调制器824产生的监控信号表示一个系统错误和/或紧急电路断路器762被启动，那么为了隔离功率放大器200，对应的开关晶体管828和850被触发，于是通过线路L1、L2、和L3连接到输出线路T1、T2、和T3从而连接到三相交流电动机的电源被断开。

在此应该指出，图1所示的输入级760包括仅仅一个开关765，出于简化表述的目的，它以紧急电路断路器表示。还可以采用具有多个开关的紧急电路断路器，其中每个开关均连接至接口940的独立输出端和接口945的独立输入端。此外，输入级760还可以具有作为替换或者附加到紧急电路断路器的保护门、和/或双手开关。根据本实施例，利用微处理器控制的控制装置828的调制器824的监控信号，适当的输出信号被链接进入逻辑运算器件762，这在下文中将予以详细描述。

由于这些特别的措施，安全切换装置900具有对例如连接至安全切换装置900的安全相关装置的复杂而多目的的安全相关监控功能。在一个特别有用的实施例中，连接装置910和920、功率放大器200、控制装置820和840的组件、以及接口940和945被布置在一个电路板上(未示出)。于是，对于具有安全相关装置的系统的实现，必需确保的就是安全相关装置连接到安全切换装置900。操作人员必须注意安全相关装置怎么连接适当的电动机保护开关和保护继电器以及必要时连接一个紧急电路断路器。因此，相对于已知方法的布线错误可以大大降低。

此外，接口945可以具有连接着R和L两条线路的两个数字输入端口，通过这两个数字输入端口施加用于控制三相交流电动机的顺时针和逆时针运行的控制信号。控制信号被类似地馈入微处理器822，微处理器822根据控制信号控制功率放大器。为了更清楚地说明，这些单独的连接线路在图1中并未示出。此外，接口945具有可连接着一个未示出的复位键的输入端R1。例如，所施加的复位信号的侧沿(flank)可被微处理器822检测，随后为了在因错误而停用三相交流电动机之后将三相交流电动机设置回运行状态，微处理器822对功率放大器200进行控制。

三相功率放大器

图3示出了可用于安全切换装置900中的具有三条线路210、211、和212的三相功率放大器。指向一个未示出的三相交流功率放大器的线路末端通常地被指定为L1、L2、和L3，而远处的线路末端被指定为T1、T2、和T3。在线路末端L1、L2、和L3附近，存在一个已知的过压保护电路220，过压保护电路220可按照与图2所示的保护电路40类似的方法构建在三条线路210、211、和212之间。本实施例中的机电开关元件230是一个具有两个开关触头231和232的继电器，它连接在线路210和211之间。开关触头231连接在线路210上，而开关触头232连接在线路211上。本实施例中的第二机电开关元件240也是一个连接在线路210和211之间的继电器。继电器240也具有两个开关触头241和242。开关触头241连接在线路211上，而开关触头242连接在线路212上。整体以250表示的一个开关装置具有作为半导体元件的双向可控硅(它是一种交流电开关)、和一个串联电路，该串联电路是由与双向可控硅并联连接着的电阻器252和电容器253组成，并且该串联电路是双向可控硅251的保护电路，开关装置250与开关触头241并联。在此应该注意到，对于三相交流放大器200的专门的电路装置来说，保护电路并不是必须的。下文中将对该结论的理由加以更详细的描述。

按照类似的方法，同样具有构建成双向可控硅的半导体开关261的开关装置260并联地与开关触头242相连接。此外，一个可选择的保护电路并联地连接至半导体开关261。例如，保护性开关也具有电容器263和电阻器262。例如，用于双向可控硅251和261的触发电源由可连接至交流电压的互感器270传递。按照一种已知的方法，用于双向可控硅251和261的触发电源可以由光学双向可控硅按照一种已知的方法提供。除了双向可控硅，反并联可控硅也可用作半导体开关251和261。

在此应该注意到，与图2所示的已知三相交流功率放大器相比较，图3所示的三相功率放大器的优点在于，更多的具有成本效益的组件可被用作用于半导体开关251和261的半导体组件，这是因为半导体开关251和261经受只是大约800V的断态电压，而半导体开关60和90必须承受大约1200V的断态电压。对此的一个理由就是根据图2所示的功率放大器的换向保护电路100仅仅控制所连接的三相交流电动机(未示出)的运行方向。相反的，在图3的功率放大器200中，使用了换向开关装置280，它不仅仅可以改变所连接的三相交流电动机的运行方向，而且可以被用于停用功率放大器。为此，换向开关装置280具有并联地连接在线路210和212之间的机电开关元件290和295。例如，两个开关元件都被构建成继电器。继电器290具有两个开关触头291和292，其中开关触头291连接在线路210上，而开关触头292连接在线路212上。继电器295同样具有两个开关触头296和297。开关触头296连接至线路210的连接端T1，而开关触头297连接至线路212的连接端T3。因此，由于开关元件290和295被布置在线路210和212之间，它们的开关触头可以被相反地驱动，于是换向电路280在开关触头291、292、296、和293所示的位置将线路210和212分开。由此机械地断开了流过线路210和212的电流。实现了从线路开端L1流向线路输出端T3或者从线路开端L3流向线路输出端T1的电流，因为继电器295的开关触头296和297连接至内部并因此分别连接至交叉线路部分302和303。

相反的，如果继电器290的开关触头291和292分别利用继电器295的开关触头296和297向外连接，那么它们分别接触线路部分300和301。如果开关触头231和开关触头242闭合和/或双向可控硅被触发，那么开关触头的位置允许流经线路210和212的电流。

由于继电器230、线路210和212之间的换向开关装置280的具体布线、连接在线路211和212之间的继电器240、和半导体开关251和261，对三相功率放大器的安全要求类别3都得到了确保，因为可以对功率放大器进行三相停用。此外，在本实施例中，在每条线路上都存在至少两个机械开关触头，于是如果开关触头或半导体开关元件存在缺陷那么还是能实现功率放大器的安全停用。由于前面已经提到过的，不同于图2所示的换向开关100，换向开关装置280具有用于线路210和212的停用功能，并且还由于线路211上布置了独立开关触头232，所以在停用状态下，半导体元件251和261上施加了比图2所示的功率放大器的半导体开关元件60和90要低的断态电压。因此，可以使用更加经济的组件来实现半导体开关元件，并且可以省略保护电路。

在图4中，示出了三相功率放大器的一个替换实施例，其整体以400表示。类似于图3所示的功率放大器200，图4所示的功率放大器在每条线路上也具有至少两个机械开关触头。功率放大器400也具有三条线路，图4中三条线路以410、411、和412表示。线路410、411、和412例如通过互感器420、421、和422被馈入交流电。类似于图3所示的功率放大器200，在输入侧，在线路410、411、和412之间连接着过压保护电路430。类似于图3所示的功率放大器200，在线路411和412之间存在采用继电器430形式的一个机电开关元件，它具有两个开关触头431和432。开关触头431布置在线路411上，而第二个开关触头432布置在线路412上。类似于图3所示的开关装置250，开关装置440可具有可以是双向可控硅的半导体开关元件以及可选择的保护电路，并且开关装置440与开关触头431并联。类似地，开关装置445可具有构建为双向可控硅的半导体开关元件以及可选择的保护电路，并且开关装置440与开关触头432并联。不同于图3所示的功率放大器200，线路410上连接着一个具有例如两个开关触头451和452的继电器450。不同于图3所示的功率放大器200，换向开关装置460并没有连接在第一线路和第三线路之间，而是连接在第二线路411和第三线路412之间。类似于图3所示的换向开关装置280，换向开关装置460具有继电器形式的两个机电开关元件470和475。继电器470具有两个开关触头471和472，其中开关触头471连接在线路411上，而开关触头472连接在线路412上。类似地，继电器475同样具有两个开关触头476和477。开关触头476连接至线路410，而开关触头297连接至线路412。为了允许对从线路411到412的电流进行改变(反之亦然)、流经线路411和412的电流流动、和对流经线路411和412的电流的阻断，换向开关装置460还具有线路部分480、481、482、和483，而继电器470和475的开关触头就放在这些部分上面。该功能已经在参考功率放大器200时详细描述过了。继电器470的开关触头471和472以及继电器475的开关触头476和477也可以被相反地驱动，于是换向开关装置460在图4所示的开关触头的位置将流经线路411和412的电流机械地分开。在输出侧，可以用来测量线路410、411、和412上的输出电压的电压检测器490可以被连接至线路410、411、和412。为此，电阻器491和494形成了一个连接至线路410的分压器，电阻器492和495形成了一个连接至线路411的分压器，电阻器493和496形成了一个连接至线路412的分压器。每个线路410、411、和412上可连接用来测量每条线路的电流的电流检测器(未示出)。测量到的电压和电流可被输入至处理控制装置和监控装置405。此外，处理控制装置和/或监控装置405被连接至开关触头431、432、451、452、471、476、472、477以及半导体开关440和445。开关触头以及半导体开关可根据可编程处理控制或作为对测量到的指示功率放大器400出错了的电压和/或电流值的响应而被驱动。类似地，处理控制装置和/或监控装置405可以监控连接着的三相交流电动机的运行方向。

当所连接的三相交流电动机仅仅以一个方向运行时，换向开关装置可以省略。图5示意性地示出了相应的功率放大器。三相功率放大器500也具有三条线路510、511、和512。为了使功率放大器500满足安全类别3的要求，每条线路上布置了至少一个开关触头520、531、和532。为了让功率放大器500能安全地三相停用，至少两个开关触头可以彼此独立地驱动。在本实施例中，开关触头531和532是连接至线路511和512的机电开关元件530的部分。连接至线路510的开关触头520是一个独立开关元件的组件。于是，开关触头520可与开关触头531和532分开独立地驱动。为了确保在一个开关触头出现故障时功率放大器500能安全地三相停用，在每个线路上都布置了两个开关级。第一开关级包括开关触头520、531、和532。第二开关级具有线路512上的开关触头540、线路510上的开关触头551、和线路511上的开关触头552。同样优选地由双向可控硅构建而成的半导体开关560和570并联地连接至开关触头551和552。优选地，开关触头551和552属于一个继电器。

图3、4和5中的功率放大器的特点在于高度的防干扰鲁棒性以及由于机电开关元件的使用而产生的半导体开关内低的热损失和电损失。

三相功率放大器的功能将在下文结合图4所示的变型加以更详细的描述。

首先，对功率放大器的通电相(energizing phase)予以描述。第一步，继电器450的开关触头451和452通过处理控制装置和监控装置405被闭合。于是，存在经线路410的闭合电流路径。根据三相交流电动机运行的方向，要么为了实现逆时针运行而将继电器470的开关触头471和472通电，要么为了实现顺时针运行而将继电器475的开关触头476和477通电。如果开关触头471和472向内连接，那么馈入线路411的交流电通过开关触头471、线路部分481、和开关触头477到达线路412的连接端T3，同时馈入线路412的交流电通过开关触头472、线路部分482、和开关触头476到达线路411的连接端T2。相反地，如果开关触头476和477被驱动，那么线路411和412之间没有电流交换。

大约20ms之后，半导体开关440和445被一个未示出的电源装置触发。例如，半导体开关440和445可通过图3中的互感器提供触发电源。在又一个20ms之后，继电器430的开关触头431和432闭合。应该注意到，规定的时间间隔应该仅仅被理解为示例。优选地，该时间周期甚至是更短的。同样可以想到利用双向可控硅440和445的触发同时闭合开关触头431和432。

对于当前情况，假设的是继电器475的开关触头476和477已经向外连接，于是提供了通过线路411和412的馈入。由于开关触头431和432已经闭合，来自半导体开关440和445的触发电源再次被停止。由于半导体开关440和445必须在优选地为小于20ms的很短时间内切换一个简单的交流电，于是可以使用经济的半导体来实现双向可控硅。为此，双向可控硅440和445的保护电路也可以省略。

现在描述功率放大器400的正常停用。首先，半导体开关440和445再次被触发，随后继电器430的开关触头431和432断开。现在，电流通过半导体开关440和445流动很短时间，通常少于20ms。在大约20ms以后，来自半导体开关440和445的触发电源被断开，因而连接着的三相交流电动机的驱动被停止。在又一个20ms之后，例如，开关触头451和452断开而换向装置460的开关触头476和477再次向内连接，于是现在它们再次分别连接至线路482和481的终端。换向开关装置460随后再次处于断态。三相功率放大器400的所有三条线路都断开并且达到了一个安全停用状态。

在操作期间，线路410、411和412上的电流和施加到线路上的输出电压都被处理控制装置和监控装置监控着。一旦处理控制装置和监控装置405识别出错误状况，例如线路410上的开关触头451和452，或者例如开关触头476和475以及开关触头471和472，被设置成图3所示的开关状态，从而就可以安全地执行三相机械停用。

图3所示的三相功率放大器200的开关触头的功能和驱动基本上对应于上述图4所示的功率放大器400的开关触头的功能和切换。相对于图4所示的功率放大器400，图3所示的三相功率放大器特点在于，就算不考虑继电器，还是可以完成功率放大器的三相停用，这是因为每条线路上均布置了采用机械开关触头或半导体开关形式的至少一个开关。

测量装置

图6示出了示例的测量装置610，它适合于例如测量正弦电流。测量装置610不仅仅用于测量额定电流，即预定的并且可靠的工作范围内的电流。它还可以用于在超出测量装置610允许工作范围的过流发生时确定过流的实际峰值。测量装置610和其组件尤其是电流互感器可以根据电动机的最大额定电流而被改变尺寸；因此，与也能测量等于额定电流的7倍的过流的其他测量装置相比较而言，测量装置610能被做得显著地更小并更经济。

为此，测量装置610的输入侧可具有采样保持元件620，采样保持元件620上施加了周期模拟信号，这个周期模拟信号是待测的并且它分接自例如安全切换装置900的线路L1。采样保持元件620以可调节的预定采样速率对要被测量的模拟信号进行采样。施加了待测模拟信号的模拟采样的采样保持元件620的输出端被馈入AD转换器630，AD转换器630将这些采样转换为相关的数字字。例如，AD转换器630从施加的采样值产生长度为610比特的数字值。对于这种10位AD转换器，模拟采样每一个都被转换成10比特的序列，该序列也能被转换成0到1023之间的对应十进制数值。在此，例如，只要正弦信号的零度线位置分配了十进制计数值512，则十进制数值0代表了允许范围内的最小电流值而十进制计数值1023代表了允许范围内的最大电流值。图7示出了这种情况。

AD转换器630的输出端连接至比较器640的输入端，其中，例如，测量信号采样在AD转换器630中形成的十进制计数值与阈值比较。在当前情况下假设的是阈值符合测量装置610允许工作范围的上限和/或下限值，即十进制值1023和/或十进制值0，如图7和8的虚线所示。比较器640的输出端连接至计数器650，计数器650计算有多少个连续计数值对应于阈值1023和/或0。估计装置660连接至计数器650的输出端。如以下更详细的描述，估计装置660被用于确定最大幅度值，即要被测量的超出了测量装置610工作范围的模拟信号的峰值。

根据替换实施例，用于确定最大幅度值的所必须的对应数值事先被存储在表格存储器670，表格存储器670可被估计装置660访问。

下文中将结合两个实施例对图6所示的测量装置610加以更详细的描述。

首先，我们考虑图7。在图7中示出了20ms时间的被测量交流电，这是采样保持元件620以50kHz(f＝1/2ms)采样得到的。图7中，采样以2ms的间隔用箭头表示。应该注意到，测量电流被定位为在测量装置610的允许工作范围之内。测量或工作范围的允许上限和下限以虚线示出并且它们被分配为十进制数值0和1023。只要被测量的信号处于这个测量范围之内，测量装置610就在通常测量模式下工作。

如果测量信号超出允许测量范围，如图8所示，那么仅仅适于允许工作范围的AD转换器630不再正确地解析信号而会发生溢出。结果就是，超出允许测量范围的采样分别都被以最大计数值和最小计数值表示，即1023和0。这时，测量装置610转入第二模式，其中超出允许测量范围的测量电流的峰值被确定。用于确定峰值的两个变量如下。

测量信号包括正弦输入参数，它可以用一种已知的方式表示：

i(t)＝I*sin(ùt)  (1)

其中I是测量信号的幅度。幅度由下式给出

$I=\frac{i\left(t\right)}{\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}$            (2)

如果测量信号的周期和周期T_ü(下文中T_ü也被称为过流周期，它规定了测量信号超出允许测量范围的时间长度)是已知的，那么最大幅度可以由下式计算出来

$I=\frac{1}{\sin \left(\mathrm{\π}(\frac{1}{2}-\frac{T_u*N}{T})\right)}---\left(3\right)$

其中

对于标称范围i(t)＝1，

ù＝2θ/T，并且T是测量信号的周期，

t＝T/4-T_ü/2，T_ü是过流周期。

但是，所谓的过流周期T_ü不能被直接测量。

然而，例如，它可以根据数量上大于或等于给定阈值的采样值的数目计算出来。在本示例中，假设的是阈值与代表了允许测量范围上限值的计数值1023匹配。此外，如果采样保持元件620的采样速率1/T_ü是已知的，那么过流周期Tü可由下式计算出来

T_ü＝N*T_AB  (4)

过流周期T_ü越是能被精确地确定，即采样间隔T_AB越短，那么最大过流幅度I就能被越精确地计算出来。

如果将式(4)插入式(3)，那么得到计算规则

$I=\frac{1}{\sin {\left(\mathrm{\π}(\frac{1}{2}-\frac{T_{\mathrm{AB}}*N}{T})\right)}^{\′}}---\left(5\right)$

利用该式，估计装置660可以计算测量信号的最大过流幅度I。

我们回到图8进一步描述测量装置610的功能。

施加在测量装置610的输入端的测量电流的实际幅度在过流周期T_ü中明显地超出了允许测量范围的上限和下限值。为了确定超出允许测量范围的采样值，上限值1023在本示例中还对应于比较器640所要求的阈值。

在图8中示出了要被测量的正弦信号的周期T(等于20ms)和两个连续采样值之间的时间周期T_AB(等于2ms)。从图8所示的曲线中可以得出，由于溢出，AD转换器630将第二采样值和第三采样值赋值为最大计数值1023。赋予采样值的计数值被馈入比较器640，比较器640将计数值与阈值1023进行比较。比较器640确定在4ms和6ms之后采样到的两个连续采样值表现为最大计数值1023。比较器640随后触发计数器650两次，计数器650随后将计数值2发送给估计装置660。由于估计装置660知道AD转换器630的采样速率(即1/T_AB)、由计数器传递的计数值N＝2、和被测量信号的周期T，估计装置660可以根据式(5)计算被测量信号的最大幅度值。

为了能够降低估计装置660的电路复杂性和它的计算负担，对于一些参考信号，所确定的计数得到的采样值的数目和相关的最大幅度值被存储在存储器670中。

存储在存储器670中的数值事先被确定，例如，具有相同已知频率的多个参考信号以固定采样频率被采样。随后，对于每一个参考信号，确定被转换成1023的采样值的数目。借助式(5)，对于每一个参考信号，最大幅度值被最终确定并与相关数目N一起存储在存储器670中。

在所附表格中，频率为50Hz的参考信号的对应数值作为例子被记录，其中参考信号以采样速率6.66kHz被采样。

左边被表示为N/2的一栏中记录了超过允许测量范围的测量数值的数目的一半。中间被表示为I[A]的一栏中记录了根据式(5)计算出的相应最大幅度。右边的一栏中记录了为以百分比表示的最大误差，该最大误差是测量到的最大幅度值和实际幅度值之间的差别。

负号表示被测量信号的实际最大幅度值总是小于根据式(5)计算出的最大幅度值。

这个事实对那些当允许额定电流被超出预定数量时必须转移至停顿状态的电气驱动器很有用。

在此应该注意到，表格中所示的高至N/2＝30的数值是具有实际意义的，这是因为，例如，异步电动机原则上可以接收仅仅七倍于它们的额定电流。这就意味着，当计数器650已经计到大于62个连续的计数值为1023的采样值时，那么由于由测量装置610确定的最大幅度值9.1129对应于七倍于异步电动机的额定数值从而使得被监控的异步电动机被停止。应该注意到，对应于七倍于异步电动机的额定数值的电流针对的是电动机中的短路。

根据本发明，借助于提到的用于仅仅测量允许测量范围内的信号的测量装置，可以在允许工作范围之外估计曲线已知的交流信号的幅度。

表格

N/2	I[A]	最大误差(％)
			0	＜1,0000	额定范围
1	1,0011	-0,1110
			2	1,0045	-0,1110
3	1,0101	-0,3331
			4	1,0180	-0,5562
5	1,0284	-0,7814
			6	1,0413	-1,0096
7	1,0570	-1,2419
			8	1,0755	-1,4795
9	1,0972	-1,7238
			10	1,1223	-1,9760
11	1,1512	-2,2379
			12	1,1844	-2,5112
13	1,2223	-2,7979
			14	1,2656	-3,1004
15	1,3151	-3,4217
			16	1,3718	-3,7649
17	1,4370	-4,1342
			18	1,5121	-4,5346
19	1,5994	-4,9720
			20	1,7013	-5,4541
21	1,8214	-5,9908
			22	1,9645	-6,5946
23	2,1371	-7,2822
			24	2,3486	-8,0762
25	2,6131	-9,0078
			26	2,9521	-10,1216
27	3,4009	-11,4835
			28	4,0211	-13,1953
29	4,9313	-15,4232
			30	6,3925	-18,4577
31	9,1129	-22,8578

安全装置

图9示意性地示出了一种已知的系统结构，该系统用于对安全相关装置(未示出)进行微处理器控制的监控。该系统具有输入级710，输入级710将二进制处理信号或传感信号作为输入信号施加至相互独立工作的两个子系统720和730。每个子系统可具有微处理器和独立电源。每个子系统都在输出侧连接至输出级740，例如，输出级740具有接触器或者由切换装置制成的装置。通过输出级740，未详细示出的安全相关装置可被转移至定义的安全状态。如图9所示，子系统720和730都被构建成能够监控另一个子系统的功能。如图9中的箭头所示，子系统的相互监控通常通过状态数据的双向交换实现。每个子系统形成一个独立的控制通道，通过这些控制通道输出级740可被独立地驱动。于是，每个通道，也就是每个子系统，能独立于另一个子系统将输出级740设置成定义为安全的状态。

图10示出了用于控制安全相关装置的示例性多通道安全装置。在此应该注意到，安全相关装置一词应该被理解为一种自控系统、自控系统的独立模块、和/或软件形式的安全相关应用。

类似于图9所示的布置，图10所示的安全装置750也具有输入级760、第一微处理器控制的控制装置770和第二控制装置780。两个控制装置770和780的各个输出端均连接至输出级790的一个输入端。例如，输出级790具有继电器795。

由于第一微处理器控制的控制装置770和第二控制装置780每个均形成一个用于独立控制继电器795的独立的控制通道，于是多通道控制装置750特别值得一提。微处理器控制的控制装置770包括一个存储器可编程微处理器772和存储器774，其中控制软件存储在微处理器772可访问的存储器774中。此外，微处理器控制的控制装置770包括开关776，开关776被构建成例如NPN双极晶体管，下文中也称为开关晶体管，继电器795可通过开关晶体管连接至接地连接端778。接地通路通过接地连接端778、开关晶体管776、和连接线路800定义，其中连接线路800将微处理器控制的控制装置770的输出端和连接至输出级790的输入级并因此连接至继电器795的输入端。

根据工作状态，微处理器772可以通过开关晶体管776断开或者闭合接地通路。微处理器772被构建成能产生监控信号，下文中也称为生命信号(life signal)，图11示出了该信号的时序分布图。

微处理器772优选地利用由输入级传递的信号来执行安全相关程序，从而如果错误出现，安全相关装置可以通过输出级790被可靠地转移至安全状态。例如，错误源头可以是微处理器772本身、输入级760、或安全相关装置。由微处理器772产生的监控信号反映了微处理器控制的控制装置770正确或错误的操作。

例如，监控信号可以这样产生，当微处理器开始安全相关程序的执行时微处理器772产生高电平。一旦微处理器772完成安全相关程序的执行，它就产生一个低电平。图11中示出了控制装置770处于错误状态下监控信号的分布图。例如，图11所示的T_m对应于在控制装置780中实现的单稳多谐振荡器的时间周期，在该周期之后单稳多谐振荡器翻转至稳定状态。这种单稳多谐振荡器在图12中以单稳多谐振荡器784示出。时间周期T_m在下文中也被表示为单稳时间。控制装置780的功能将在下文中予以更详细的描述。

由微处理器772产生的生命信号通过微处理器控制的控制装置770的输出端施加至输入级760的输入端。二进制处理信号则出现在输入级760的另一个输入端。例如，处理信号和生命信号被馈入到AND门电路762的输入侧。AND门电路762对两个信号都进行链接或调制并且在其输出端传递用于控制装置770和780的所谓的已调制输入信号。可替换地，除了逻辑AND门电路之外，其它合适的逻辑运算器件或者机械开关也可用作调制装置。在图10所示的安全装置750中，决定因素在于，用监控信号调制过的处理信号而不是来自输入级760的处理信号直接地施加至微处理器控制的控制装置770和控制装置780的输入端。

此外应该注意到，控制装置780可以独立于微处理器控制的控制装置770来驱动输出级790。为此，提供了一个电源电压V_cc，例如，它可以通过作为开关的晶体管782施加至输出级790的继电器795上。在此，应该注意到，在开关晶体管778和782的导通状态，有电流流经继电器795。

如图12所示，除了开关晶体管782之外，控制装置780还具有单稳多谐振荡器784，单稳多谐振荡器784具有表示为

的负输出端，该负输出端优选地通过电阻器788连接至开关晶体管782的控制电极。此外，单稳多谐振荡器784具有输入端A，该输入端施加了来自输入级760的经过调制的输入信号。此外，提供了由电容器781和电阻器783组成的串联电路，当安全装置750被启动时预定的电压电势可通过这个串联电路施加至表示为MB的主复位输入端，其具有的效果就是单稳多谐振荡器在输出端Q产生了一个高电平。

因此，微处理器控制的控制装置770，其作为主机，可以识别在输入级760中和在控制装置780中的错误，输入级760的AND门电路762的输出端和控制装置780的输出端各自连接至微处理器控制的控制装置770的一个输入端。由于微处理器控制的控制装置770的控制装置780的输入参数和传递函数是已知的，所以输入级760和控制装置780的正常工作可由反馈输出信号验证。输入参数的参考参数和控制装置780的传递函数可以存储在控制装置770的存储器774中。如果错误出现，那么控制装置780和微处理器控制的控制装置770都能够将输出级790改变至安全状态，这时，通过开关晶体管776和连接线路800形成的接地通路被断开并且/或者电源电压通过控制装置780的开关晶体管782被输出级790的继电器795切断。

在图10所示的非对称双通道安全装置750的实现中，非常关键的方面在于会出现生命信号错误的未控制的振荡，这会防止安全相关装置的安全停用。

图13示出了用于解决这种问题的安全装置。类似于图10所示的安全装置750，用于图1所示的安全切换装置900的示例性安全装置810具有输入级760，该输入级可具有例如AND门电路762的逻辑运算器件。输入信号(它可以是一种处理信号)被施加在AND门电路762的一个输入端。同样，提供了一个输出级790，该输出级可具有多个相互作用的开关元件795，而这些开关元件可使得安全相关装置进入定义的停用状态。安全装置810采用多通道构建，在本示例中为双通道，其中第一微处理器控制的控制装置820作为主机而第二控制装置840作为从机。同样，控制装置820可被看作是基于软件的子系统，而控制装置840可被构建成基于硬件的子系统，这在图14中被更详细地示出。

同样，微处理器控制的控制装置820具有微处理器822，该微处理器可产生低频监控或生命信号。同样，微处理器822可在安全相关程序开始执行时产生上升侧沿并且在安全相关程序执行完时产生下降侧沿。连续脉冲的时间间隔，也就是监控信号的周期，也是由单稳多谐振荡器的单稳时间T_m定义的。不同于根据图10的安全装置750，由微处理器822产生的监控信号被馈入调制器824，该调制器利用高频调制信号对低频监控信号进行调制，例如，这个高频调制信号可以是微处理器822的时钟信号、从时钟信号得来的信号、或者其它高频信号。在这种情况下，微处理器822的时钟信号被施加至调制器824的第二输入端。由调制器824产生的监控信号被馈入输入级的AND门电路762的另一个输入端并且馈入控制装置830的第一输入端。在AND门电路762的输出端出现了一个已调制处理信号，该信号是被由微处理器控制的控制装置820传递的已调制监控信号调制的。AND门电路762的已调制输出信号被作为已调整输入信号施加至微处理器控制的控制装置820的输入端并且被施加至控制装置840的另一个输入端。微处理器822也用于监控来自AND门电路762的输出信号的错误。有关输入级760的输入参数以及控制装置830的传递函数可以存储在存储器826中。微处理器822与控制电极相连接，在本示例中微处理器822与开关晶体管828的基极相连接，而开关晶体管828可通过连接线路800将输出级790连接至地。例如，开关晶体管828可被构建成NPN类型的双极晶体管。例如，开关晶体管828的发射极连接至地而开关晶体管828的控制电极与输出级790的输入端连接。如果微处理器822识别出错误，那么它可以将由开关晶体管828和连接线路800形成的接地通路分开，它将一个低电平施加至开关晶体管828的控制电极从而使得开关晶体管阻断。

控制装置840的输出信号连接在微处理器控制的控制装置820输入侧。微处理器822同样被实现成能在考虑存储的控制装置840的传递函数情况下识别控制装置830的错误行为。控制装置840具有一个解调器830，这在图14被更详细地示出。

解调器830的输出端可被连接至开关晶体管850的控制电极，这样电源电压就可以施加至输出级790。解调器830具有一个单稳多谐振荡器831，该单稳多谐振荡器在功能上对应于图12所示的控制装置780的单稳多谐振荡器784。单稳多谐振荡器831具有标识为A的输入端，其上施加了来自AND门电路762的已调制输入信号。由调制器824传递的已调制监控信号被馈入高通滤波器832和以TP2表示的低通滤波器833。高通滤波器832的输出信号被馈入另一个单稳多谐振荡器834。单稳多谐振荡器834具有主复位输入端，电源电压Vcc通过具有电容器835和电阻器836的串联电路施加至该主复位输入端。单稳多谐振荡器834的负输出端被施加至另一个被表示为TP1的低通滤波器837。低通滤波器833的输出端连接着单稳多谐振荡器838的第一输入端(标识为A)，而低通滤波器837的输出端则连接至单稳多谐振荡器838的主复位端。单稳多谐振荡器838的负输出端(标识为

)最终连接至单稳多谐振荡器831的主复位输入端。单稳多谐振荡器831的负输出端(标识为

)连接至控制电极，在本示例中其连接至开关晶体管850的基极。

图15a至15i所示的曲线是在解调器830内的预定观察点得到的输入信号或输出信号，其分别以数字1到7标识。电压分布图在安全装置810的正常工作下获取。对于控制装置820的错误操作，出现的电压分布图在图16a至16i或17a至17i中示出。

图10和13分别示出的两个安全装置750和810的功能将在下文中更加详细地描述。特别地，控制装置780的功能根据图10而被描述，并且图13所示的控制装置840被更详细地描述。

首先，图10所示的控制装置780的功能将结合图11和12而予以更详细的描述。

情况应该被假设成这样，包括安全装置750在内的安全相关自控系统被设置成运行。刚开始，电压电势通过电容器781和电阻器783施加在单稳多谐振荡器784的主复位输入端MR，其功能在于单稳多谐振荡器784的负输出端

被设置成高电平，该高电平将开关晶体管782设置为阻断状态。这还有这样的作用，电源电压V_cc没有通过开关晶体管782施加至输出级790。这样就确保了输出级790仅仅在电源电压被施加并且自测试的执行完成时可被设置成运行。

在由电阻器的电阻值和电容器的电容值定义的一段时间以后，单稳多谐振荡器784的主复位输入端上的电压电势降低，于是输出端

取决于由AND门电路762传递的并出现在输入端A上的已调制输入信号。假设的是，具有高电平的处理信号出现在输入级760的AND门电路762上，于是对于控制装置770的正常功能，图11所示的监控信号作为已调制输入信号出现在单稳多谐振荡器784的输入端A。随着已调制输入信号的第一个正侧沿，单稳多谐振荡器784的输出端

针对单稳时间T_m被设置为低电平。在该时间期间，开关晶体管782被保持导通。如果在单稳时间T_m结束之前监控信号出现另一个正侧沿，如图11所示，那么单稳多谐振荡器784再次被触发并且输出端

针对单稳时间T_m同样被设置成低电平。只要微处理器控制的控制装置770的微处理器772正常工作，那么正侧沿会在单稳时间T_m结束之前产生。只要自控系统、控制装置770和780、和输入级760正常工作，那么开关晶体管782通过单稳多谐振荡器784被保持为导通状态。正常工作的意思是输入信号或处理信号在输入级760的AND门电路762上具有高电平并且已调制输入信号是周期小于或等于单稳时间Tm的一种交替信号。

现在，如果控制装置770或输入级760出现错误，那么单稳多谐振荡器784确保了开关晶体管782进入阻断状态因此输出级790与电源电压V_cc分开。例如，错误还能以被生成为低电平的处理信号表示，该低电平使得AND门电路762的输出被设置为0。于是，监控信号不再到达单稳多谐振荡器784的输入端A。由于单稳时间T_m内正侧沿不再出现在单稳多谐振荡器784的输入端A，单稳多谐振荡器784的输出端Q被设置为0。这就产生了这样的结果，开关晶体管782被阻断因而电源电压与输出级790分开。现在自控系统就可以被转移至安全状态了。

此外，错误可能出现在控制装置770内，例如，如果微处理器772由于不可预见的错误而不启动安全相关程序。在这种情况下，监控信号保持连续，例如保持低电平。其结果就是，在大于单稳多谐振荡器784的单稳时间T_m的时间段内正侧沿没有出现在单稳多谐振荡器784的输入端A，于是开关晶体管782被设置为阻断状态。按照类似的方式，当微处理器772开始安全相关程序时监控信号保持高电平，但是这个程序由于不可预见的错误而不能被执行完。这种状态同样导致了这样的结果，在大于单稳多谐振荡器784的单稳时间T_m的时间段内正侧沿没有出现在单稳多谐振荡器784的输入端A，于是开关晶体管782被设置为阻断状态而输出级790被转移至预定的安全状态。在此应该注意到，根据控制装置780的实现，单稳多谐振荡器784同样可以由下降侧沿触发。

由于非对称双通道安全装置750，于是可以在源头是例如输入级760或安全装置770的错误出现时将自控系统或者其安全相关组件转移至安全状态。

控制装置780中的错误是这样被控制装置770识别的，控制装置780的输出信号通过反馈线路805引导至微处理器772。控制装置770已知控制装置780的传递函数，其中该传递函数被存储在存储器774中。如果控制装置770识别出控制装置780的输出信号的错误，那么微处理器772确保开关晶体管776被阻断并且因而到输出级790的接地通路被断开。

还应该注意到，单稳多谐振荡器784再次被用来以单稳时间T_m延长所施加的已调制输入信号的活跃时间，从而就算在输入信号或处理信号被停止的情况下输出级790可以同样以控制的方式被设置成安全状态。为了能够保持适于自控系统安全停用的安全条件，单稳时间T_m可不大于输出级790的安全停用时间。

图13所示的非对称双通道安全装置810将在下文中结合图14到17i予以更详细的描述。

不同于图12所示的电路装置，图14所示的用于控制装置840的解调器830具有低通滤波器和高通装置，而它们实现了例如数字带阻滤波器的装置。对于组件的正确尺寸以及安全装置810的正常功能，解调器830的作用类似于图12所示的单稳多谐振荡器784。然而，如果错误出现在控制装置820内，例如在微处理器822内，那么根据错误情况，来自调制器824的已调制监控信号的高频部分和低频部分被转移至更高频率或更低频率。结果就是，已调制监控信号的高频部分或者低频部分被解调器830的带阻行为所阻断。这具有这样的结果，在单稳时间结束以后单稳多谐振荡器831将正输出端Q设置为低电平，这就将开关晶体管850设置为阻断状态并且因此输出级790被转移至安全状态。应该注意到，控制装置820具有软件模块，这就确保了微处理器822的时钟的变化导致了生命信号中的相应的频移。

解调器830的功能在参考图15到图17i时会予以详细描述。首先描述控制装置820的无错误工作。

在安全装置810的无错误工作中，图15a到图15i示出的信号分布曲线图出现在图14所示的观察点上。

我们首先考虑T₀到T₁的时间周期。假设直到时间T₁之前AND门电路762上没有施加处理信号，如图15f所示。因此，直到时间T₁之前单稳多谐振荡器831的输入端A上并没有出现信号，如图15g所示。图15a示意性地示出了已调制的监控信号，该已调制的监控信号是微处理器822的时钟和图11所示的监控信号的叠加。在所示的曲线中，它从时间T₀开始，监控信号的周期大致与单稳多谐振荡器831的单稳时间T_m一致。被控制装置820的调制器824用作调制信号的微处理器822的时钟信号具有周期T_s，该周期也同样记录在图15a中。在此还应该注意到，具有电容器835和电阻器836的串联电路被用于在自控系统的激活时间将电压电势施加在单稳多谐振荡器834的主复位输入端，这就确保了单稳多谐振荡器834的负输出端

在时间T₀上是低电平，如图15i所示。

图15b示出了已调制的监控信号的低频部分，该低频部分出现在低通滤波器833的输出端。图15c示出了已调制的监控信号的高频部分，该高频部分出现在高通滤波器832的输出端。图15i示出了出现在单稳多谐振荡器834的负输出端

的信号分布曲线。当根据图15a的已调制输入信号被施加至高通滤波器832上时，这个负输出端

的信号在时间T₀变为0，这是因为图15c所示的高频信号部分的正侧沿在单稳多谐振荡器834的单稳时间结束之前触发了该响应。图15d示出了出现在低通滤波器837的输出端的信号分布曲线。该信号分布曲线图在预定的运行时间以后假定根据15i的信号分布曲线值为0。图15e示出了出现在单稳多谐振荡器838的负输出端

的信号分布曲线。图1h示出了单稳多谐振荡器831的负输出端

的信号分布曲线。

处理信号，也可以是传感信号，在时间T₁以高电平施加至AND门电路762上，如图15f所示。此后，AND门电路762传递图15g所示的交替信号。由于基于系统的低通特性，在本示例中该信号不再包括高频部分。而是，它对应于周期小于或等于T_m的监控信号。

在正常工作下，由于同时出现在单稳多谐振荡器831的主复位输入端的低电平根据图15e出现在单稳多谐振荡器838的负输出端

它的性能由根据图15g的已调制输入信号决定。由于已经陈述过的已调制输入信号的周期小于单稳多谐振荡器831的单稳时间T_m，所以单稳多谐振荡器831被正确地触发。于是，单稳多谐振荡器831的输出端Q传递一个高电平，如图15h所示。这同样具有这样的结果，开关晶体管850被保持在导通状态并且输出级被电源供电。

现在，错误情况被假设成这样，微处理器822的时钟频率在时间T₂减小。图16a示出了这种情况的已调制的监控信号，该信号被施加至高通滤波器832的输入端和低通滤波器833的输入端。可以看出，时钟脉冲的间隔在时间T₂之后变大。于是变长的监控信号周期后面跟随着变长的微处理器822的时钟信号周期。图16a示出了详情。图16f示出了具有高电平的处理信号仍然出现在AND门电路762，其代表了系统的正常工作状态。图16b示出了时间T₂之后，由于微处理器822的时钟信号频率减小，低通滤波器833上的输出信号中的变化。

图16c示出了在时间T₂上微处理器822时钟信号的变化。由于在时间T₂上微处理器822时钟信号的连续正侧沿的时间间隔大于单稳多谐振荡器834的单稳时间，所以图16h所示的微处理器822的高频时钟信号出现在单稳多谐振荡器834的负输出端

低通滤波器837对来自单稳多谐振荡器834的负输出端的高频部分进行滤波，所以在单稳多谐振荡器834的单稳时间结束以后高电平出现在低通滤波器837的输出端，如图16d所示。高电平被施加至单稳多谐振荡器838的主复位输入端并且确保在单稳多谐振荡器838的负输出端产生高电平，如图16e所示。于是，通过单稳多谐振荡器831的主复位输入端，产生了低电平的输出信号，如图16g所示。该信号将开关晶体管850设置为阻断状态，于是电源电压从输出级断开，于是输出级790可将安全相关装置转移至安全状态。

如果错误出现在显示出自身的微处理器时钟频率增大的控制装置820中，那么就会出现图17a至图17i所示的信号分布曲线。图17a示出了已调制监控信号，其达到高通滤波器832的输入端并到达低通滤波器833的输入端并且在时间T₂发生变化。还假设，输入级760和自控系统它们本身是无错运行的，于是具有高电平的处理信号仍然出现在AND门电路762，如图17f所示。图17i示出了时间T₃之后已调制输入信号的变化，该信号被施加至单稳多谐振荡器831的输入端A。图17c同样示出了低通滤波器832的输出端上的时钟信号在时间T₃的变化。图17c所示的高频输入信号具有这样的效果，低电平连续地出现在单稳多谐振荡器834的负输出端，这在图17h中示出。低电平通过低通滤波器837施加至单稳多谐振荡器838的主复位输入端。如图17b的电压分布所示，低通滤波器833被设计成它还从时间T₂开始阻断图17a中示出的错误的已调制监控信号的低频部分。由于只有恒定电平还出现在单稳多谐振荡器838的输入端A，所以负输出端在单稳多谐振荡器838的单稳时间过去以后被设置为高电平，如图17e所示。现在，单稳多谐振荡器831被主复位输入端MR复位，因此单稳多谐振荡器831的输出被设置为0，如图17g所示。开关晶体管850同样被阻断，因此电源电压从输出级790断开。

Claims (53)

1.一种安全切换装置(900)，其用于将至少一个安全相关装置设置成安全状态，所述安全切换装置具有：第一连接装置(910)，其用于将所述安全切换装置连接到单相或多相电源装置；至少一个第二连接装置(920)，其用于连接安全相关装置；第三连接装置(940，950)，其用于连接至少一个安全相关输入级(760)；单相或多相功率放大器(200)，其被连接在所述第一连接装置和第二连接装置(910，920)之间，且具有至少一个可控制的开关触头；测量装置(610)；和安全装置(820，840)，其用于所述功率放大器(200)的多通道驱动，其中所述安全装置(820，840)具有以下特征：

第一控制装置(820)，其具有可编程控制单元(822)和用于产生监控信号的装置；第二控制装置(840)，其中所述输入级(760)与所述第一控制装置(820)和所述第二控制装置(840)连接，并且所述输入级被构建成用于利用来自所述第一控制装置(820)的所述监控信号来调制输入信号，其中如果响应于已调制的输入信号发生了错误，则所述第一控制装置(820)和/或第二控制装置(840)将所述安全相关装置设置为预定的安全状态，其中所述第一控制装置(820)被分配给所述测量装置(610)并且所述第一控制装置被构建成在所述测量到的模拟信号的预定参数超出预定工作范围时响应于测量到的模拟信号通过所述功率放大器(200)将所述安全相关装置设置为预定的安全状态。

2.如权利要求1所述的安全切换装置，其特征在于所述功率放大器(200)是三相功率放大器，并且具有能通过所述第一连接装置(910)连接到三相交流电源装置的第一、第二和第三线路(210，211，212；410，411，412；510，511，512)，其中每一个线路上布置了用于断开和闭合每个线路的至少一个可控开关触头(231，232，242；451，431，432；520，531，532)，其中所述开关触头中的至少两个被彼此独立地驱动。

3.如权利要求1或2所述的安全切换装置，其特征在于所述测量到的模拟信号对应于周期线路电流，并且所述测量装置(610)具有：确定装置(620，630，640，650)，用于确定要被测量的模拟线路电流的幅度超出预定工作范围的时间周期；和估计装置(660)，用于根据确定的时间周期和所述信号形状尤其是要被测量的线路电流的信号频率来计算所述线路电流的最大幅度。

4.如权利要求3所述的安全切换装置，其特征在于第二测量到的模拟信号对应于线路电压，并且所述测量装置(610)包括用于确定有效功率的装置。

5.如权利要求1到4中之一所述的安全切换装置，其特征在于所述输入级(760)至少包括一个安全相关和/或基于应用的开关装置(765)。

6.如权利要求1到5中之一所述的安全切换装置，其特征在于所述微处理器(822)根据至少一个安全相关程序的处理来产生监控信号。

7.如权利要求1到6中之一所述的安全切换装置，其特征在于所述第一控制装置(820)具有用于监控所述输入级(760)和/或第二控制装置并且用于产生错误信号的装置，并且所述第一控制装置(820)响应于所述错误信号将所述安全相关装置设置为预定的安全状态。

8.如权利要求1到7中之一所述的安全切换装置，其特征在于所述输入级(760)具有用于利用所述监控信号来调制所述输入信号的逻辑运算器件(762)，尤其是AND门。

9.如权利要求1到8中之一所述的安全切换装置，其特征在于：所述第一控制装置(820)具有用于利用其频率大于所述监控信号频率的信号来调制所述监控信号的调制器(824)；所述输入级(760)被构建成用来利用所述输入信号调制所述已调制的监控信号；所述第二控制装置(840)具有一个解调器(830)，当对来自所述输入级(760)的所述已调制输入信号和对来自所述第一控制装置(820)的所述已调制监控信号产生响应出现错误时，所述解调器产生一个将所述安全相关装置设置为预定的安全状态的控制信号。

10.如权利要求9所述的安全切换装置，其特征在于所述解调器(830)具有带阻滤波器和至少一个切换装置(831)尤其是单稳多谐振荡器，当具有更高频率的信号的频率改变了预定量时，所述解调器传递一个用来将所述安全相关装置设置为预定的安全状态的控制信号。

11.如权利要求1到10中之一所述的安全切换装置，其特征在于所述输入信号是二进制处理信号。

12.如权利要求1到11中之一所述的安全切换装置，其特征在于所述第一连接装置(910)、所述一个或者多个第二连接装置(920)、所述第三连接装置(940，945)、所述功率放大器(200)、所述测量装置(610)、和所述控制装置(820，840)被布置在一个电路板上。

13.一种三相功率放大器，其用于驱动至少一个负载尤其是三相交流电动机，所述三相功率放大器具有能在输入侧连接到三相电源装置的第一线路、第二线路和第三线路(210，211，212；410，411，412；510，511，512)，其特征在于每一个线路上布置了用于断开和闭合每个线路的至少一个可控开关触头(231，232，242；451，431，432；520，531，532)，其中所述开关触头中的至少两个被彼此独立地驱动。

14.如权利要求13所述的三相功率放大器，其特征在于每个线路(210，211，212)的至少一个开关触头(231，232，242)是电磁开关元件(230，240)的一部分。

15.如权利要求13或14所述的三相功率放大器，其特征在于所述第二线路和所述第三线路(211，212；411，412；510，511)每个都连接到一个半导体开关(251，261；440，445；560，570)。

16.如权利要求15所述的三相功率放大器，其特征在于用于为所述半导体开关(251，261)准备预定的触发电源的装置(270)。

17.如权利要求15或16所述的三相功率放大器，其特征在于，在所述第二线路和所述第三线路之间，第一开关元件(240；430)连接至第一开关触头和第二开关触头(241，242；431，432)，其中所述第一开关触头(241；431)并联地连接至所述半导体开关中的一个(251；440)，而所述第二开关触头(242；432)则并联地连接至所述半导体开关中的另一个(261；445)。

17.如前述权利要求之一所述的三相功率放大器，其特征在于连接在两条线路之间的换向开关装置(280；460)，其包括可彼此独立驱动并且各自具有第一开关触头和第二开关触头的两个第二开关元件(290，295；470，475)，其中所述第二开关元件(290，295；470，475)的所述第一开关触头(291，296；471，476)连接至一条线路(210；411)，而所述第二开关元件(290，295；470，475)的所述第二开关触头(292，297；472，477)则连接至另一条线路(212；412)，并且其中流经两条线路(210，212；411，412)的电流在所述第一开关触头和所述第二开关触头的预定位置被阻断。

18.如权利要求17所述的三相功率放大器，其特征在于所述第二开关元件(470，475)的所述第一开关触头(471，476)连接至所述第二线路(411)，而所述第二开关元件(470，475)的所述第二开关触头(472，477)连接至所述第三线路(412)。

19.如权利要求18所述的三相功率放大器，其特征在于具有至少两个开关触头(451，452)的第三开关元件(450)与所述第一线路(410)相连接。

20.如权利要求15和18或15和19所述的三相功率放大器，其特征在于与每个半导体开关并联地连接着一个保护装置(252，253；262，263)。

21.如权利要求17所述的三相功率放大器，其特征在于所述换向开关装置(280)的所述两个第二开关元件(290，295)的所述第一开关触头(291，296)连接至所述第一线路(210)，而所述两个第二开关元件(290，295)的所述第二开关触头(292，297)则连接至所述第三线路(212)。

22.如权利要求21所述的三相功率放大器，其特征在于具有算一开关触头和第二开关触头(231，232)的第三开关元件(230)，其中所述第一开关触头(231)连接至所述第一线路(210)而所述算二开关触头(232)则连接至所述第二线路(211)。

23.如权利要求13到23中之一所述的三相功率放大器，其特征在于所述开关元件是继电器。

24.如权利要求13到23中之一所述的三相功率放大器，其特征在于，在输入侧，在所述三个线路之间连接着防过压的保护装置(220，430)。

25.如前述权利要求之一所述的三相功率放大器，其特征在于用于驱动所述开关元件和半导体开关的可编程控制装置(405)。

26.如前述权利要求之一所述的三相功率放大器，其特征在于监控装置(405)，用于监控至少一个连接着的三相交流电动机的运行方向、流经多个线路的电流、和/或多个线路之间的输出电压，其中所述控制装置响应于监控装置而驱动对应的开关元件和/或半导体开关。

27.一种换向开关装置，尤其是用于三相功率放大器的换向开关装置，其包括可彼此独立驱动并且各自具有第一开关触头和第二开关触头(291，292；296，297)的两个开关元件(290，295)，其特征在于所述开关元件的(290，295)的所述第一开关触头(291，296)被接线连接至第一线路(210)，而第二开关触头(292，297)被接线连接至第二条线路(212)，并且流经所述连接线路的电流在所述第一开关触头和所述第二开关触头的预定位置被阻断。

28.一种测量装置(10)，用于测量幅度可能超出预定的工作范围的周期模拟信号，该测量装置具有：确定装置(20，30，40，50)，用于确定要被测量的模拟信号的幅度超出预定工作范围的时间周期；和估计装置(60)，用于根据确定的时间周期和所述信号形状尤其是要被测量的模拟信号的信号频率来计算所述模拟信号的最大幅度。

29.如权利要求28所述的测量装置(610)，其特征在于所述确定装置具有：采样装置(620)，其用于以一采样速率对要被测量的模拟信号进行采样；和检测和计数装置(640，650)，其用于对数量大于或等于预定阈值的连续采样值值进行检测和计数，并且特征在于所述估计装置(660)被构建成根据计数得到的采样值数目、所述采样速率、和所述信号频率来计算所述模拟信号的最大幅度。

30.如权利要求28或29所述的测量装置，其特征在于所述模拟信号是具有预定信号频率的正弦信号并且所述估计装置(660)利用下式计算所述最大幅度值

$I=\frac{1}{\sin \left(\mathrm{\π}(\frac{1}{2}-\frac{T_{\mathrm{AB}}*N}{T})\right)},$

其中T_AB是所述采样速率的倒数，N是数量大于或等于预定阈值的计数得到的采样值的数目，而T是要被测量的模拟信号的周期。

31.一种测量装置，用于测量幅度可能超出预定的工作范围的周期模拟信号，该测量装置具有：采样装置(620)，其用于以一采样速率对模拟信号进行采样；检测和计数装置(640，650)，其用于对数量大于或等于预定阈值的连续采样值进行检测和计数；存储装置(670)，其为多个参考信号存储超出预定的工作范围的最大幅度值和数量大于或等于预定阈值的计数得到的采样值的相关数目；和估计装置(660)，其根据由所述检测和计数装置(640，650)确定的采样值数目从所述存储装置中读取所述相关最大幅度值。

32.如权利要求29、30或31所述的测量装置，其特征在于用于将所述采样值转换为相应的数字值的AD转换器(630)。

33.如权利要求29、30、31或32所述的测量装置，其特征在于所述采样速率是可调节的。

34.如权利要求28到33中之一所述的测量装置，其特征在于所述阈值等于或小于所述预定工作范围的极限值。

35.一种防过流保护装置，尤其是电驱动器，其具有如权利要求28到34中之一所述的测量装置(610)和可以根据所述计算出的最大幅度值而使得所述装置停用的断开装置。

36.一种用于测量周期模拟信号的方法，所述模拟信号的幅度超出预定的工作范围，所述方法具有以下处理步骤：

确定要被测量的所述模拟信号的幅度超出预定工作范围的时间周期，以及

根据所述确定的时间周期和所述信号形状尤其是要被测量的模拟信号的信号频率来计算所述模拟信号最大幅度。

37.如权利要求36所述的方法，其特征在于所述确定时间周期的步骤具有以下步骤：

以一采样速率对要被测量的模拟信号进行采样；

对数量大于或等于预定阈值的连续采样值进行计数；以及根据计数得到的采样值数目、所述采样速率、和所述信号频率来计算所述模拟信号最大幅度。

38.一种用于测量周期模拟信号的方法，所述模拟信号的幅度可能超出所使用的测量装置的预定工作范围，所述方法具有以下处理步骤：

对于多个参考信号，确定并存储超出预定的工作范围的最大幅度和数量大于或等于预定阈值的采样值的相关数目；

以一采样速率对要被测量的模拟信号进行采样；

对数量大于或等于预定阈值的连续采样值进行计数；以及读出属于所述计数得到的采样值数目的所述最大幅度值。

39.如权利要求37或38所述的方法，其特征在于所述采样值被转换成数字值并且对大于或等于预定阈值的多个连续数字值进行计数。

40.一种安全装置，用于安全相关装置的多通道控制，所述安全装置包括：第一微处理器控制的控制装置(770；820)，其具有用于产生监控信号的信号产生装置(772；822)；第二控制装置(780；840)；输入级(760)，其与所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)和所述第二控制装置(780；840)连接并且被构建成用于利用来自所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)的所述监控信号对输入信号进行调制；其中如果响应于所述调制过的输入信号发生了错误，那么所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)和/或所述第二控制装置(780；840)将所述安全相关装置设置为预定的安全状态。

41.如权利要求40所述的安全装置，其特征在于所述信号产生装置根据由所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)对至少一个安全相关程序的处理来产生监控信号。

42.如权利要求40或41所述的安全装置，其特征在于所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)和所述第二控制装置(780；840)都连接到输出级(790)并且各自具有一个用于启动或停用所述输出级(790)的装置。

43.如权利要求42所述的安全装置，其特征在于所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)的所述启动/停用装置具有可以连接至地的开关(776；828)，并且所述第二控制装置(780；840)的所述启动/停用装置具有可以连接至电源电压的开关(782；850)。

44.如权利要求42或43所述的安全装置，其特征在于所述输出级(790)是至少一个开关装置(795)，尤其是继电器。

45.如权利要求40到44中之一所述的安全装置，其特征在于所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)具有用于监控所述输入级和/或所述第二控制装置并用来产生错误信号的装置，并且所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)响应于所述错误信号将所述安全相关装置设置为预定的安全状态。

46.如权利要求40到45中之一所述的安全装置，其特征在于所述输入级(760)具有用于利用所述监控信号来调制所述输入信号的逻辑运算器件(762)，尤其是AND门。

47.如权利要求40到46中之一所述的安全装置，其特征在于：所述第一微处理器控制的控制装置(820)具有用于利用频率大于所述监控信号频率的信号来调制所述监控信号的调制器(824)；所述输入级(760)被构建成用来利用所述输入信号来调制所述已调制的监控信号；所述第二控制装置(840)具有一个解调器(830)，当响应于来自所述输入级(760)的所述已调制输入信号和响应于来自所述第一微处理器控制的控制装置(820)的所述已调制监控信号而发生错误时，所述解调器产生一个将所述安全相关装置设置为预定的安全状态的控制信号。

48.如权利要求47所述的安全装置，其特征在于所述解调器(830)具有带阻滤波器和至少一个开关装置(831)尤其是单稳多谐振荡器，当具有较高频率的信号的频率改变了预定量时，所述解调器传递一个用来将所述安全相关装置设置为预定的安全状态的控制信号。

49.如权利要求48所述的安全装置，其特征在于所述解调器(830)具有以下特征：

高通滤波器(832)和第一低通滤波器(833)，它们的输入端每个均连接到所述第一微处理器控制的控制装置(820)的输出端；第一单稳多谐振荡器(834)，其具有复位输入端和信号输入端并且连接到所述高通滤波器的输出端；第二低通滤波器(837)，其输入端连接到所述第一单稳多谐振荡器(834)的负输出端；第二单稳多谐振荡器(838)，其信号输入端连接到所述第一低通滤波器(833)的输出端而其复位输入端连接到所述第二低通滤波器(837)；和第三单稳多谐振荡器(831)，其信号输入端连接到所述输入级(760)的输出端而其复位输入端则连接到所述第二单稳多谐振荡器(838)的负输出端。

50.如权利要求40到49中之一所述的安全装置，其特征在于所述第一微处理器控制的控制装置(770；820)是基于软件的而所述第二控制装置(780；840)是基于硬件的。

51.如权利要求40到50中之一所述的安全装置，其特征在于所述输入信号是二进制处理信号。

52.如权利要求40到51中之一所述的安全装置，其特征在于所述第二控制装置(780；840)具有一个微处理器。

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