CN108140510B - 用于开关设备的电磁驱动器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于开关设备的电磁驱动器的控制装置，该控制装置包括电源单元(10)，其根据控制信号(14)产生用于开关装置的电磁驱动器(12)的启动直流电压和保持直流电压，以及用于产生控制信号(14)的控制单元(16)。

Description

用于开关设备的电磁驱动器的控制装置
技术领域
本发明涉及用于开关设备(特别是接触器)的电磁驱动器的控制装置，其被提供以向驱动器提供能量，以及包括这种控制装置的开关设备。
背景技术
众所周知，接触器等开关设备的电磁驱动器根据驱动模式被提供不同的电压。在拾取操作中，电磁驱动器的线圈被提供拾取电压，该拾取电压产生相应拾取能量，用于施加开关设备的拾取力；一旦开关设备的触点闭合，拾取电压可以被降低到保持电压，以便将驱动器切换到保持操作。由保持电压产生的保持能量低于拾取能量，因为可靠地“保持闭合”需要较少的能量。
此外已知通过脉冲宽度调制(PWM)产生拾取和保持电压；参见例如由德国公开申请DE 195 16 995 A1已知的接触器致动器。
从德国公开专利申请DE10022342A1中可知，在拾取操作期间，向电磁开关设备驱动器的驱动线圈施加未经调节的供电电压持续指定的通电时间，并随后通过降低供电电压来在保持操作期间调节驱动线圈电流。为此，可以使用由微处理器控制的电压调节器。
德国公开申请DE10227278A1公开了一种继电器致动器，其包括具有由算术单元控制的电压调节器的控制装置。一旦被激活，电压调节器首先产生用于继电器的最小激活电压。在激活之后，电压调节器将继电器的供电电压降低到最小保持电压或将供电电压增加到电池最大电压。
德国公开申请DE10 2006 005 267A1描述了一种用于继电器的控制装置，该装置包括由微控制器控制的用于向继电器线圈提供电压的开关模式电源单元。微控制器控制开关模式电源单元，使得所述电源单元产生拾取或保持电压。
由德国公开申请DE 10 2008 023 626 A1和DE 10 2012 221 212 A1以及美国公开申请US 2014/0192571 A1公开了用于电磁驱动器(特别是继电器)的其他控制装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于开关设备(特别是接触器)的电磁驱动器的改进的控制装置以及改进的开关设备。
通过独立权利要求的主题实现这个目的。从属权利要求涉及本发明的进一步实施例。
本发明的基本构思在于，装配用于开关设备的电磁驱动器的控制装置，其具有电源单元，该电源单元根据由控制单元生成的控制信号来生成拾取和保持DC电压。此外，电源单元还可以设计为向控制单元供电。与基于PWM的拾取和保持电压的产生相比，使用电源单元具有以下优点：关于开关设备的EMC(电磁兼容性)出现的问题较少，在基于PWM的拾取和保持电压产生的情况下，这些问题主要由陡峭的脉冲边缘引起。本发明的另一个优点还在于，利用单个电源单元来产生用于开关设备驱动器的拾取和保持DC电压使得实现开关设备的控制电路的相对紧凑结构成为可能(由于较小的空间需求)，由此通过更小的气隙和各个部件之间的泄漏距离可以再次改善EMC性能，并且可以减少部件的数量。
本发明的一个实施例涉及用于开关设备的电磁驱动器的控制装置，该控制装置包括电源单元，其用于根据控制信号产生用于开关设备的电磁驱动器的拾取和保持DC电压，以及用于产生控制信号的控制单元。由于用于开关设备的拾取操作的能量和用于开关设备的保持操作的电力由一个电源单元产生，这种控制装置允许开关设备(特别是接触器)的控制电路的紧凑结构。此外，控制单元被设计成根据从控制装置的输入电压获得的测量电压产生第二控制信号，该第二控制信号用于致动开关，该开关用于将驱动器与电源单元产生的拾取或保持DC电压接合或断开。例如，这可以确保只有当达到指定的输入电压时通过生成拾取DC电压才能使驱动器工作，并且电源单元因此在低输入电压下尚未由驱动器加载。此外，电源单元是开关模式电源单元，其被设计为用于调至开关设备的工作电压范围的输入电压范围，输入电压范围为大约48伏至大约240伏，大约110伏至大约240伏或大约24伏至大约240伏。使用具有相应大的输入电压范围的电源单元可以为开关设备提供控制电路，该电路可以以灵活的方式使用。特别是当使用具有从大约24伏到大约240伏的输入电压范围的电源单元时，可以提供多电压开关设备，该开关设备适合于在非常宽范围的供电电压下操作。这最终使得最小化开关设备的变型成为可能。
具体地，控制单元可以被设计成产生控制信号，使得当满足至少一个拾取条件时，电源单元产生用于驱动器的拾取DC电压，并且当满足至少一个保持条件时，电源单元产生用于驱动器的保持DC电压。至少一个拾取条件可以包括达到电源单元的最小输入电压和/或最小输出电压，并且至少一个保持条件可以包括在满足至少一个拾取条件之后经过指定时间。
此外，控制单元可以被设计成产生用于致动开关的第二控制信号，以便当测量电压信号表明还没有达到指定的最小电压时，将驱动器与由电源单元产生的拾取或保持DC电压断开。这可以确保电源单元与驱动器安全地分离，并且当输入电压降至指定的最小电压以下时不再由其加载。
此外，可以提供用于使驱动器的线圈去能的快速去能单元，当线圈与由电源单元产生的拾取或保持DC电压断开时，该快速去能单元被自动激活。特别地，快速去能器可以包括作为串联电路的与驱动器的线圈并联连接的二极管和齐纳二极管。因此，在电路工程方面可以以少的费用实现快速去能器。
本发明的另一实施例涉及一种开关设备，特别是接触器，其具有包括线圈的开关驱动器，以及根据本发明并且如本文所描述的用于控制对线圈供电的控制装置。开关设备还可以包括整流器，用于从指定的输入电压范围内的交流电压生成整流输出电压，输出电压被供应到控制装置的电源单元。
控制装置的控制单元可以包括微处理器或微控制器，该微处理器或微控制器通过存储在存储器中的程序被配置成生成控制信号，该控制信号用于控制电源单元产生拾取和保持DC电压，以便当满足拾取条件时电源单元产生用于驱动器的拾取DC电压，以及当满足保持条件时电源单元产生用于驱动器的保持DC电压。
附图说明
以下的说明书结合附图中所示的实施例也可以发现本发明的进一步优点和可能的用途。
在说明书、权利要求书、摘要和附图中使用下面列出的参考符号列表中使用的术语和相关联的参考符号。
在附图中：
图1是根据本发明的用于开关设备的电磁驱动器的控制装置的实施例的功能框图；和
图2是通过示例示出的由用于根据本发明的开关设备的电磁驱动器的控制装置的实施例的电源单元产生的用于向驱动器供电的输出电压的曲线的时间依赖性图。
具体实施方式
在以下描述中，相同的、功能相似和功能相关的元件可以具有相同的附图标记。下面仅以举例的方式指定绝对值，并且不应理解为限制本发明。
图1是根据本发明的控制装置或控制电路的功能框图，原则上其被设计用于宽输入电压范围并且可在电路板上以紧凑的方式实现。该控制装置适合于例如集成在诸如接触器的开关设备中。所述装置使得能够从电源单元产生用于电磁开关设备驱动器的拾取和保持操作的能量，特别是不使用PWM(在驱动器上)，由此可以改善EMC性能。
控制装置包括电源单元10、例如由包括存储器的微控制器实现的控制单元16、快速去能单元22和可控开关18。严格来说，图1所示的整流器24不是控制装置的一部分，但仍然可以设置在控制装置的电路板上。控制装置的所有电压和信号都与参考电位(例如地)有关。
整流器24由施加在端子A1和A2上的电压供电，例如交流电压(在常规的50Hz或60Hz之内或者之外)或DC电压。整流器24根据该电压产生的输出电压向电源单元10供电，电源单元10由此产生用于向控制单元16和开关设备(未示出)的电磁驱动器的线圈12供电的输出电压。快速去能单元22与线圈12并联连接。可控开关18，例如具有相应的载流能力和适用于发生的电压的开关晶体管，连接在线圈12和地之间。
现在将参照由用于向驱动器的线圈12供电的电源单元10产生的输出电压的曲线(在图2中通过示例示出)的时间依赖性图来解释控制装置的功能：
为了启动控制装置，在端子A1和A2处施加规定的输入电压范围内的电压(时间依赖性图中的时间点t＝t0)。由整流器24从施加的电压产生的输出电压在输入侧被馈送到电源单元10，电源单元10由此产生随时间增加的输出DC电压，并且在图2的时间依赖性图中以示例示出输出DC电压的曲线。
一旦电源单元10的输出电压足以向控制单元16供电(时间依赖性图中的时间点t1)，启动控制，特别是微控制器实施的控制单元16开始执行存储在其存储器中的固件。
当控制单元16正在操作时，其测量来源于整流器24产生的电压的测量电压20。例如，可以使用分压器从整流器24产生的电压获得测量电压20，整流器24产生的电压取决于输入电压，可能具有非常高的值，可能太高而不能由控制单元16直接处理。
控制单元16根据测量电压20来控制驱动器的线圈12与电源单元10的供电电压的接合或断开。如果测量电压20超过指定的最小电压，通过相应的第二控制信号15，控制单元可以通过可控开关18将线圈12连接到电源单元10的供电路径中，其中线圈12和地之间的连接是闭合的。反之，控制单元16使用第二控制信号15切断对线圈12的供电，如果测量电压下降到低于指定的最小电压，则所述单元断开开关18。在这种情况下，指定的最小电压取决于驱动器的参数。
控制单元16然后继续监视由电源单元10产生并且继续增加的输出DC电压。一旦输出DC电压超过足以用于开关设备的拾取操作的指定的最小值，则满足拾取条件(时间依赖性图中的时间点t2)，并且控制单元16产生控制信号14，使得通过控制信号14将电源单元10切换到如下模式：该电源单元10然后产生并发出达到作为用于开关设备的开关驱动器的拾取DC电压的输出DC电压。此外，控制单元16然后产生第二控制信号15，使得可控开关18闭合，由此线圈12可以接地并且因此可以由电源单元10的拾取DC电压供电，使得相应的拾取电流流过线圈12，且开关设备的驱动器被移动以便闭合开关触点。
大约在时间点t2，在控制单元16中启动定时器，该定时器在用于产生和发出拾取DC电压的控制信号14的产生之后运行指定的时间。在这种情况下，根据开关驱动器和持续时间来测量指定的时间，以便包括直到开关设备的开关触点闭合为止的时间(其通常近似地对应于开关驱动器的拾取时间)。
当定时器到期，并且因此由定时器指定的时间已经过去时，满足了保持条件，并且控制单元16产生控制信号14，通过控制信号14，使得电源单元10被切换到如下模式：该电源单元10然后产生和输出用于开关设备的开关驱动器的保持DC电压作为输出DC电压，该保持DC电压低于拾取DC电压(在时间依赖性图的时间点t3)。实际上，在这种情况下，只要在端子A1和A2处施加指定的输入电压范围内的电压，并且开关设备的开关触点旨在保持闭合，则电源单元10将其输出DC电压减小到保持DC电压，然后发出保持DC电压。
如果端子A1和A2处的电压被切断或下降到指定的最小电压以下(控制单元16能够从测量电压20检测到该情况)，则控制单元16通过产生和发出第二控制信号15断开开关驱动器，使得可控开关18断开。在开关18被断开之后，快速去能器22自动地变成有效的，储存在线圈12中的能量经快速去能器22释放。。
本发明的主要优点在于简化了控制装置的电路，大体与之相关的鲁棒性，可能的电路变型的最小化，EMC性能的改进以及实现适用于大输入电压范围的多电压开关设备的可能性。其他优点可以认为是可以减少开关设备的电磁驱动器的线圈类型，因为不再需要为每个输入电压范围使用单独的线圈，而是可以将一个线圈用于多个输入电压变型，可以减少部件数量，并且可以实现更紧凑的结构，该结构导致较小的气隙和泄漏距离，因此改善EMC性能，并且还需要更少的空间。

Claims (10)

1.一种用于开关设备的电磁驱动器的控制装置，包括
电源单元(10)，其用于根据控制信号(14)产生用于开关设备的电磁驱动器的拾取和保持DC电压，以及
用于产生所述控制信号(14)的控制单元(16)，所述控制单元被设计为产生第二控制信号(15)，所述第二控制信号(15)用于致动用于将所述电磁驱动器与所述电源单元(10)产生的所述拾取或保持DC电压接合或断开的开关(18)，
其特征在于：
所述电源单元(10)是开关模式电源单元，其被设计用于与所述开关设备的工作电压范围匹配的输入电压范围，所述输入电压范围为24伏至240伏，以及
所述控制单元(16)被设计成根据从所述控制装置的输入电压获得的测量电压(20)产生所述第二控制信号(15)。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述输入电压范围为48伏至240伏。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述输入电压范围为110伏至240伏。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，
所述控制单元(16)被设计为产生所述控制信号(14)，使得当满足至少一个拾取条件时，所述电源单元(10)产生用于所述电磁驱动器的拾取DC电压，并且当满足至少一个保持条件时，所述电源单元(10)产生用于所述电磁驱动器的保持DC电压。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，
所述至少一个拾取条件包括达到所述电源单元的最小输入电压和/或最小输出DC电压，以及
所述至少一个保持条件包括在满足所述至少一个拾取条件之后经过指定时间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，
所述控制单元(16)被设计为当所述测量电压(20)表明还没有达到指定的最小电压时，产生用于致动所述开关(18)的所述第二控制信号(15)，以便将所述电磁驱动器与由所述电源单元(10)产生的拾取或保持DC电压断开。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的控制装置，其特征在于，
提供用于对所述电磁驱动器的线圈(12)去能的快速去能单元(22)，当所述线圈与由所述电源单元(10)产生的所述拾取或保持DC电压断开时，所述快速去能单元(22)被自动激活。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，
所述快速去能单元(22)包括作为串联电路的与所述电磁驱动器的所述线圈(12)并联连接的二极管和齐纳二极管。
9.一种开关设备，包括：
包括线圈(12)的电磁驱动器，以及
根据前述权利要求中任一项所述的控制装置，其用于控制对所述线圈(12)供电。
10.根据权利要求9所述的开关设备，其特征在于，所述控制装置的控制单元(16)包括微处理器或微控制器，所述微处理器或微控制器通过存储在存储器中的程序被配置成生成控制信号(14)，所述控制信号(14)用于控制所述电源单元(10)产生拾取和保持DC电压，使得当满足拾取条件时，所述电源单元(10)产生用于所述电磁驱动器的拾取DC电压，以及当满足保持条件时，所述电源单元(10)产生用于所述电磁驱动器的保持DC电压。
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