CN106716156B

CN106716156B - 电路装置和用于运行电路装置的方法

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Publication number: CN106716156B
Application number: CN201580052260.6A
Authority: CN
Inventors: C.弗洛奥斯; H.E.克吕佩尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: WO2016045981A1; CN106716156A; EP3175251B1; DE102014219468A1; EP3175251A1

Abstract

本发明涉及一种电路装置(1)，其具有控制器(2)，该控制器具有用于采集对应的开关(8)的开关状态的二进制输入端(6)，其中，对该输入端(6)连接下拉电阻(14)，在特别可靠地采集可能的开关状态的同时在所有可能的运行状态中实现小的热生成。为了该目的，根据本发明，下拉电阻(14)是冷导体。

Description

电路装置和用于运行电路装置的方法

技术领域

本发明涉及一种具有带有至少一个二进制输入端的控制器的电路装置。其还涉及对应的运行方法。

背景技术

为了控制马达而在许多情况下使用具有二进制输入端的控制装置或控制器。对此的一个示例是所谓的马达控制单元(MCU)。经由其二进制输入端询问对应的开关设备或开关的释放和反馈，以及给出用于运行马达的命令。通常，输入端的类型是“高激活”，在施加电位的条件下，输入端从特定的开关阈值起(通常例如为0.5×控制电压)从逻辑0(低)切换到1(高)。通过各种开关元件(诸如辅助开关、信号开关和位置开关)以及通过钳位位置来引导释放、反馈和命令。

因为涉及具有通常大的输入阻抗(通常大于30kOhm)的二进制输入端，因此输入端上的电位在很小的电流下足以激活控制部。如果在恶劣气候的环境条件下使用控制部(例如离岸、沿海、空气污染严重、极端空气湿度)，则可能形成漏电路径(Kriechwege)，其使得绝缘电阻降低。由此会导致开关元件以及钳位位置上的电位传播，由此导致不希望的释放和控制命令。

因为漏电路径在许多情况下具有很有限的载流能力，所以在现有技术中减小控制装置的输入电阻。这通常通过下拉电阻来实现。

发明内容

本发明的任务是提出开头提及的类型的电路装置或运行方法，其减小漏电路径的不利影响。

关于电路装置，该任务通过如下方式解决，即，在具有控制器的电路装置中，该控制器具有用于采集对应的开关的开关状态的至少一个二进制输入端，对输入端连接下拉电阻，其中，下拉电阻是冷导体(Kaltleiter)。

关于运行方法，该任务通过用于运行具有控制器的电路装置的方法解决，其中控制器具有用于采集对应的开关的开关状态的至少一个二进制输入端，其中，对输入端连接下拉电阻，其中借助下拉电阻上测量的电压来检测开关上漏电路径的形成。

基本思想的有利构型和扩展是从属权利要求以及下面的详细描述的主题。

通过对二进制输入端连接下拉电阻，由漏电路径和二进制输入端构成的分压器改变，从而在例如将一半控制电压施加在二进制输入端上并且达到开关阈值之前，必须进一步降低绝缘电阻。同时漏电路径上的电流增大。在最佳情况下，通过例如炭黑颗粒燃烧来排除由于电流流动而形成漏电路径的原因。

通过连接下拉电阻，上面描述的问题通常得到缓解，使得触发不希望的释放或控制命令需要更严重的污染、由此需要更大的绝缘路径的缩短。然而，如果漏电路径具有高的载流能力，则下拉电阻必须定尺寸为使得其可以转换相应的功率。在此成问题的是，相应地定尺寸的电阻的大的构型、高的成本以及所需的散热。此外不利的是，没有关于减弱的绝缘的当前状态的信息可用。

根据本发明，因此对控制器的相应的二进制输入端连接冷导体。也称作PTC电阻(英语：Positive Temperature Coefficient(正温度系数))的冷导体是这样的导电材料，相比于在高温下，其在低温下能够更好地传导电流。随着温度升高，其电阻增大。在普通情况下，在具有高绝缘电阻的开关接触部断开的情况下，因此冷导体具有小的电阻值，于是使二进制输入端的输入电阻减小。然而，在漏电路径扩展的情况下，二进制输入端中的电流流动显著增大。如果漏电路径具有较高的载流能力，则使得冷导体被加热。由此其电阻值增大并且在其中转换的电功率减小。由此尤其实现所有可能的运行状态中的小的热产生。可省去用于散热的昂贵的措施。

根据本发明的一个有利的构型，当温度从室温(大约20℃)上升到大约100℃到150℃时，也称作热敏电阻的PTC电阻的电阻值明显发生改变。有利的是，其在该情况下至少加倍，特别优选其至少变为四倍，并且理想的是甚至增大一个数量级或更多。例如，电阻在20℃时大约处于1kOhm的量级(10^3Ohm)，而在125℃时处于10至100kOhm的量级(10^4Ohm至10^5Ohm)或更多。

根据本发明的另一有利的构型，电路装置的二进制输入端根据分压器的类型布置在开关和下拉电阻之间。

为了同时实现对可能的开关状态的特别可靠的检测，电路装置在优选构型中还具有用于测量降落在下拉电阻上的电压的部件，由此能够按照下面描述的方式实现对漏电路径的状态的监视。由此电路装置可以提供对形成的漏电路径的状态或对减弱的绝缘的状态的反馈。

为了该目的，电路装置优选具有监视单元，其具有用于评估在下拉电阻上测量的电压的部件。

电压测量设备可以集成在监视单元中。在需要时，下拉电阻本身也可以在结构上集成到监视单元中并且通过对应的线路按照所描述的方式连接到控制器。

特别有利的是，监视单元构建和配置为，如果在规定的最小时间间隔上测量的电压超过规定的警告阈值，则输出警告信号。

此外，如果在规定的最小时间间隔上测量的电压超过规定的警报阈值，则监视单元有利地触发警报。警报阈值在此合适地高于警告阈值。

在这方面视为有利的是，控制器具有电子闭锁装置，其与监视单元耦合，使得警报触发激活闭锁装置。闭锁装置使得控制器不再执行开关操作或者不再输出控制命令，直至通过复位键等进行了优选手动解锁为止。

关于用于运行电路装置的方法，通过借助在下拉电阻上测量的电压来检测漏电路径在开关上的形成，来解决开头提及的任务。

有利的是，在此由所测量的电压确定表征开关在断开状态下的绝缘电阻的值，并且适宜地在低于视为临界的值时触发警告或警报。

通过本发明实现的优点尤其在于，可以保持已知的电路装置的受认可的基本结构和基本功能，尽管如此可以避免开头所述的问题。通过对控制器的相应的二进制输入端连接冷导体，使输入端的输入电阻减小，从而使二进制输入端变得不敏感。在输入端被激活之前，必须将钳位位置的绝缘电阻降低到比没有连接的情况下小得多的值。此外，在取消释放或者执行开关操作之前，必须有较大的电流流过漏电路径。由此在许多情况下引起自清洁效果，因为由于电流而形成漏电路径的原因被消除。通过在永久电流流动的情况下在漏电路径形成加重时提高电阻值，在下拉电阻上转换的热功率减小。由此可以省去至今需要的对电阻大体积的定尺寸以及冷却。

通过测量和评估降落在下拉电阻上的电压，还可以得到关于漏电路径形成的发展的结论，或者换言之，可以在开关上检测到绝缘电阻降低到临界值以下。通过输出警告，可以就地以及远程地早期识别即将出现的漏电路径，并且采取相应的措施。通过输出警报并且与此关联地取消控制器的释放，抑制了错误释放以及不希望的开关操作。同样能够就地以及远程地识别出设备具有绝缘问题并且在目前的状态下不再能够保证可靠运行。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明的实施例。在此，以相应地强烈简化和示意性的示图：

图1示出了具有带有二进制输入端的控制器的电路装置，

图2示出了根据图1的电路装置的变型方案的一部分，

图3示出了用于根据图1的电路装置的电绝缘特性的监视单元，

图4示出了用于评价根据图1的电路装置的电绝缘特性的测量的电压的时间曲线的第一示例，以及

图5示出了测量的电压的时间曲线的第二示例。

所有附图中相同或作用相同的部分设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1以示意图示出了电路装置1。电路装置1包括控制器2、尤其是马达控制部，其经由电端子并且经由构建为配电线4的电导体一方面与对应的电压源的正极UST+连接，另一方面与其负极UST-连接。负极UST-同时可以是电路的地。控制器2由此被供以运行电压U，其对应于正极UST+与负极UST-之间的电位差。控制器2的运行电压U也称为控制电压。

这里，控制器2在该实施例中用于控制对应的马达，并且具有至少一个直接或间接与马达连接的输出端(在此未示出)。在英语中也称为Motor Control Unit(MCU，马达控制单元)。替代马达，也可以将控制器2设计为用于控制其它电气设备。

此外，控制器2具有至少一个输入端6，借助其询问对应的开关元件或简称开关8的开关状态。开关8可以是机械开关或以其它方式操作的开关，尤其也可以是按键或者替选地复杂的电子开关设备。根据开关状态，开关8断开或闭合对应的开关电路，这通过控制器2被采集，并且根据在其中实现的控制逻辑被转换为控制命令。例如在马达控制的情况下，将这种控制命令经由控制器2的输出端传送给对应的马达。

在当前情况下，按照并联电路的方式，与控制器2相同的电压源经由配电线4对开关电路供电。开关路径包括在输入侧与正极UST+连接的第一线路区段10(开关8连接在其中)，以及在输出侧与负极UST-连接的第二线路区段12(称为下拉电阻14的电阻连接在其中)。控制器2的输入端6按照分压器的类型在开关电路上布置在第一线路区段10与第二线路区段12之间，即在开关8与下拉电阻14之间(接触部BI)。换言之，第一线路区段10在与控制器2的输入端6连接的支路上转为第二线路区段12。

根据待采集的开关8的两个可能的开关位置，控制器2的输入端6是数字的、即二进制的输入端。输入端6的类型是“高激活”，并且在施加电位的情况下，从特定的开关阈值(通常为0.5×控制电压U)起从逻辑0(低)切换到逻辑1(高)。开关8在电路装置1运行期间通常处于断开状态，从而待采集的开关事件一般是闭合。

尤其在不利的环境影响(湿度、污染等)下，在开关8中/上可能形成漏电路径，从而开关电路在开关8的开关接触部断开时引导漏电流。这在图1中按照等效电路图的形式通过跨接开关8的开关接触部的漏电路径16来示明，其具有也称作绝缘电阻18的漏电电阻。相应地，可能在由二进制输入端6、第一线路区段10中的漏电路径16和第二线路区段12中的下拉电阻14构成的分压器上产生电位移动。由此，可能错误地采集开关8的开关状态，这又会导致控制器2的无意的释放、反馈和控制命令，即错误的开关过程。

为了进行对抗，合适地确定连接在开关电路的第二线路区段12中的下拉电阻14的电阻值的大小，即将大小确定为相对低欧姆的。在电路的具体实现中，例如也可以将专用的下拉电阻14与已经存在或者固有的高欧姆电阻并联连接。通过该措施，使二进制输入端6的输入电阻减小。由此，使输入端6相对于漏电路径16中的绝缘电阻18的与运行或环境有关的逐渐减小变得不敏感。由此稍后才达到开关阈值，即当绝缘电阻18还进一步减小时。

然而，由于该措施，通过漏电路径16的电流流动增大。这虽然在一些情况下引起自清洁，方式是，例如当炭黑颗粒燃烧时，由于电流流动而形成漏电路径16的原因自行消除，但是不能指望这总是发生。如果漏电路径16具有高载流能力，则下拉电阻14必须定尺寸为使得其可以转换相应的电功率。在此尤其要通过合适的措施保证导散热损耗。

为了避免这种缺点，在根据图1的电路装置1中，将下拉电阻14构建为冷导体。也称作PTC电阻(英语：Positive Temperature Coefficient)的冷导体是如下的导电材料，其在较低温度时相比于高温能够更好地传导电流。其电阻在温度上升时增大。PTC电阻由此具有正温度系数。

在通常情况下，即在绝缘电阻18大和漏电流相应地小的情况下，下拉电阻14具有相对小的电阻值，于是二进制输入端6的输入电阻减小。于是工作方式如上所述。在漏电路径扩展的情况下，二进制输入端6中的电流明显增大。如果漏电路径16具有高载流能力，则形成下拉电阻14的冷导体被加热。由此其电阻值增大，并且在其中转换的功率根据关系式P＝U²/R减小。由此高开销的冷却措施可省去。下拉电阻14还可以构造为结构上比通常使用的与温度无关的电阻明显更小。

一些示例性数值能够使这更明显：

如果下拉电阻具有为5kOhm的典型电阻值，则在施加220V DC的电压和能够承载电流的漏电路径的情况下，大约9.7W的永久功率转换使得强制性地需要冷却。而在20℃的运行温度下具有5kOhm的电阻值(其在由于漏电流而加热到例如125℃的情况下，上升到20kOhm的值)的PTC电阻的情况下，在大约2.4W的功率转换的情况下，不需要专门的冷却。

图2示出了与图1中类似的电路装置1的一部分，其中，附加地将结构相同的第二分压器与第一分压器并联地连接到电压源的两个极UST+和UST-。第二分压器与第一分压器类似地连接到控制器2的对应的(第二)二进制输入端6(通过指向右的箭头表示)。在相应的一般化中，控制器2可以具有多个二进制输入端6，其优选都以相同的方式连接，并且其监视多个分别对应的开关8的开关位置。跟在各个标记后的标号1、2、3...于是可以用于区分不同的电路支路。

除了上面描述的在形成漏电路径16时的运行特性的一定程度上的固有改善之外，在根据图1或2的电路装置1中，通过可按需耦合的监视单元20对漏电路径16的状态提供定量监视。也称作绝缘监视器的该监视单元20在图3中在与其对应的控制器2旁边纯示意性地示出(在该示图中省去了涉及分压器电路的细节)。

监视所基于的核心在于，通过相应的接触部持久地截取和测量下拉电阻14上的电压降UPTC，如图1中示意性示出的。测量的电压UPTC的两个可能的曲线作为时间t的函数在图4和图5中以曲线图示出。

相应地在接触部BI上(例如相对于作为参考电位的负极)截取和测量的电压UPTC经由用PTC标记的接头被馈送给根据图3的监视单元20，并且如下被分析：

例如通过运行灯22(例如信号颜色为绿色)在视觉上显示监视单元20已准备好运行。

如果在特定的时间段(例如5分钟)上超过第一阈值S1(例如0.15×控制电压U)，则向控制装置的操作者输出警告。该警告例如可以在视觉上借助警告灯24(例如信号颜色为黄色)进行，以及通过远程报告接触部26转发给其它监视和诊断系统。该警告意味着，漏电路径16即将出现，操作者应及时检查其设备，必要时需要清理涉及漏电路径16的形成的位置。

如果在特定时间段上超过第二阈值S2(例如0.25×控制电压U)，则向控制装置的操作者输出警报。警报例如可以在视觉上借助警报灯28(例如信号颜色为红色)进行，以及经由远程报告接触部30转发给其它监视和诊断系统。警报意味着，形成了临界的漏电路径16并且不再保证可靠运行，因为尤其将触发所不希望的开关过程。

可选地，在超过阈值S2或者替选地超过第三阈值S3时，断开闭锁接触部32，其接入控制器2的释放路径。在断开闭锁接触部32的条件下，控制器2没有释放，并且从该时刻起不能再进行开关过程。控制器2由此闭锁。操作者必须立即排除漏电路径16，之后才能重新开关其设备。

此外，即使当下拉电阻14上的测量的电压UPTC又落到阈值S1或阈值S2以下时，警告或警报有利地保持存在。通过复位键34才能再次建立正常运行。

为了执行所描述的操作，监视单元20设有合适的硬件和/或软件。这包括例如用于电压测量的部件、模数转换器、信号曲线存储器、尖峰值存储器、阈值存储器、比较器等。

监视单元20原则上也可以在所述类型的具有常见的非温度相关的下拉电阻14的电路装置中使用。然而，如果下拉电阻14如上所述是冷导体，则可以特别有利地使用所述电路装置。

Claims

1.一种电路装置(1)，其具有控制器(2)，该控制器(2)具有至少一个二进制输入端(6)，用于采集对应的开关(8)的开关状态，其中，对所述二进制输入端(6)连接下拉电阻(14)，其中，所述下拉电阻(14)是冷导体，

其中，在具有高绝缘电阻的开关接触部断开的情况下，冷导体具有小的电阻值，于是使二进制输入端的输入电阻减小，

其中，在漏电路径扩展的情况下，如果漏电路径具有较高的载流能力，则使得冷导体被加热，由此冷导体的电阻值增大并且在冷导体中转换的电功率减小。

2.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其中，所述下拉电阻(14)的电阻值在从20℃到125℃的温度上升中至少加倍。

3.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其中，所述下拉电阻(14)的电阻值在从20℃到125℃的温度上升中增大一个数量级。

4.根据权利要求1所述的电路装置(1)，其中，所述输入端(6)按照分压器的形式布置在开关(8)与所述下拉电阻(14)之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置(1)，该电路装置(1)具有用于测量降落在所述下拉电阻(14)上的电压(UPTC)的部件。

6.根据权利要求5所述的电路装置(1)，所述电路装置(1)具有监视单元(20)，所述监视单元(20)具有用于评估所述测量的电压(UPTC)的部件。

7.根据权利要求6所述的电路装置(1)，其中，如果在规定的最小时间间隔上所述测量的电压(UPTC)超过规定的警告阈值(S1)，则所述监视单元(20)输出警告信号。

8.根据权利要求6或7所述的电路装置(1)，其中，如果在规定的最小时间间隔上所述测量的电压(UPTC)超过规定的警报阈值(S2)，则所述监视单元(20)触发警报。

9.根据权利要求8所述的电路装置(1)，其中，所述控制器(2)具有电子闭锁装置，其与所述监视单元(20)耦合，使得警报触发激活所述闭锁装置。

10.一种用于运行电路装置(1)的方法，所述电路装置(1)具有控制器(2)，所述控制器(2)具有至少一个二进制输入端(6)，用于采集对应的开关(8)的开关状态，其中，对所述二进制输入端(6)连接下拉电阻(14)，其中，借助所述下拉电阻(14)上的测量的电压(UPTC)来检测所述开关(8)上的漏电路径(16)的形成，

其中，所述下拉电阻(14)是冷导体，

11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据所述测量的电压(UPTC)，确定表征开关(8)在断开状态下的绝缘电阻(18)的值。