CN108701567A - 用于电磁驱动系统操作的电路配置 - Google Patents

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Abstract

本发明与一种用于操作机电设备的电磁驱动系统的电路配置有关，特别是具有机械式闩锁最终位置，包含至少一个控制电压电源(UB)；至少一个调节及控制电路(1)；至少一个驱动系统(2)；至少一个变压器(T1)；至少一个直流电整流电桥(VD5,VD6,VD7,VD8)；至少一个整平电容(C5)；至少一个主切换晶体管(VT2)，通过它来控制独特脉冲序列系统里的驱动系统(2)，而其中主切换晶体管(VT2)和变压器(T1)之一个主要分支串连，其中变换器会和馈送的电压电源(UB)相连，而变压器(T1)的次要面会馈送电给直流电整流电桥(VD5,VD6,VD7,VD8)，其输出直流电压通过整平电容(C5)予以整平，再加到控制电压电源(UB)的电压上，让直流电压的馈送动作产生一个随时间变化的馈送过程。本发明还和一种电路配置作业的方法有关。

Description

用于电磁驱动系统操作的电路配置
技术领域
本发明涉及一种电路配置及用于操作机电设备的电磁驱动系统的方法，更具体地说，涉及一种用于操作机电设备的电磁驱动系统的电路配置。
背景技术
电磁驱动系统在电子工程里经常被使用，用来实现可动机械元件的力量供应。举例来说，这类系统会采用吸力磁铁或是其他以电磁学为基础运作的模组，此外，这种驱动系统也会在多种形式的接触器、保护开关、继电器、电磁阀等中使用。
操作这类驱动系统时，通常会以控制电压电源的方式直接激发电磁系统；这里会在一种像是电枢或杠杆系统的机械元件中产生加速的效果，这点会作用在例如像是切换接点的关闭动作上，然而力量曲线图及关闭速度在这个情形下会和施加电压的强度相关。
但是我们也已知驱动系统的能源供应常常通过电子配置(控制装置)来控制，让人在操作力量曲线图的行程-时间-特征时，能够以最佳方式对应机械系统的需求。
从DE 20 2011 051 972U1专利里已知有一种用来控制切换装置的电路配置，具备一个第一切换位置及一个第二切换位置，并且可以在第一切换位置和第二切换位置之间切换，并包含至少一个电磁式操作设备，用来产生在第一及第二切换位置之间切换装置的切换力量，以及一种用于控制电磁操作设备的控制电路。
前述驱动系统以可用的控制电压，通过直接施加到电磁系统的方式有一个缺点，即馈入的控制电流及因此产生的磁力通常都和前述被驱动的系统的力量-行程-特性关系不匹配。
已知用于电磁驱动系统作业的电子控制装置，会直接通过一种以及多种电子开关来为电磁系统计时，这种作法的缺点是现有的控制电压虽然减少了，但是也无法提高。
然而，在一整个应用案例的系列里，此种驱动系统有它的优点存在，即必要时也能提高用于操作的控制电压，否则在这类应用方式中(例如电压不足时)就无法安全的运行。
除此之外，这些控制装置还有其他优点，可以用接触器的型式来操作切换装置，不过这时力量的需求一开始会比较高，但接下来就会随时间降低。
通过电子驱动系统的直接计时，除此之外还可能会有能对其他电子系统产生负面影响的干扰电压频谱。脉冲的斜率可视为一种电磁系统线圈架构的增高负载，此电磁系统大部份为直流电或低频交流电操作而设计。计时的操作方式因此可能造成对于电磁系统线圈的损害。
发明内容
因此本发明的任务在于以具备优点的方式来建立电路配置的操作的方法，如下特别是在整个输入电压和温度范围内确保更安全、机械上更精简的操作，而且有可能为了操作这类驱动系统，在操作时会有一个随着时间大幅上升的力量需求，以及一个机械式闩锁、稳定的最终位置。
基于本发明，通过一种符合权利要求1的特征的电路配置，而得以解决此任务，接下来可预见，一种电路配置已经准备好，用来操作机电设备的电磁驱动系统，特别是具有机械式闩锁最终位置的设备，包含：至少一个控制电压电源；至少一个调节及控制电路；至少一个驱动系统；至少一个变换器；至少一个直流电整流电桥；至少一个去耦电容；至少一个主切换晶体管，通过前者让一个独特脉冲序列系统中的驱动系统得以受控制，且其主切换晶体管和一个变压器的主要支线串连，其中变压器和馈送电压相连，而且变压器的次要面会馈送电流给直流电整流电桥，其输出的直流电压通过去耦电容予以顺流，并且加到控制电压电源的电压上，让直流电馈送达成一个随时间改变的馈送过程。
本发明的基本思维是通过一个调节及控制电路，对于特定电磁驱动系统在整个输入电压及温度范围内必要的电气特性的调节及控制电路，准备好一个计时的变压转换能阶，而没有驱动系统线圈的脉冲冲击，从最新技术展现出来的已知控制方式的缺点可予以避免，并且也准备好一种电路配置，所谓驱动系统的电磁系统，特别是那些有直流电磁线圈的系统，在整个输入电压及温度范围里能确保一个安全及机械上精简的操作，而不会有太多干扰信号发送，同时也允许用这样的驱动系统来操作这类在操作过程中具有随时间大幅上升的力量需求以及一种机械式闩锁、稳定的最终位置。
在操作具备电磁驱动系统的切换装置时，例如说，包含驱动系统中吸力磁铁以及机械式闩锁最终位置、保护线圈及继电器线圈，还有具备电磁阀控制能力的电磁阀的电池保护开关，通过内部架构，工作电压范围会受限，而机械移动元件会有更高的磨耗。在操作一个计时作动电压的操作时，可能会有足以影响电子电路的干扰发送信号存在。
为了避免这些缺点，依据本发明会有一种电路配置，能够让受调节的直流电压通过一个驱动系统所传送的馈电过程，让切换电位差以及事后打开的传送安排方式变成可能，必要时可提高现有的、以及在某些情形下会带着严格公差的控制电压。如此一来，安全的激活动作，例如在电池保护开关带有驱动系统的吸力磁铁的案例之下，可在提供其他输入电压范围时，确保有电池缓冲区的电源供应设备。此外这种电路配置也可得到经济的、以及使机械元件可延长使用寿命的操作方式。通过包含直流电压的驱动系统的馈送，特别是在所述电路配置及驱动系统间较长导线配置时，可进一步避免产生干扰发送信号。
也可以设计一种附加二极管，其阳极端和变压器–主切换晶体管的节点连接，而阴极端则和直流电整流电桥的阴极连接。
直流电整流电桥可以通过多个二极管构成，这些二极管，举例来说，可能是输出电流整流用的高速二极管。
其他还可以设计成让一个第二晶体管，以及让一个这种电路配置是可以切换的，可以通过功率回路中第二晶体管的自持电路予以激活，通过对于激活时间的变压器反磁化能量通过电闸电压整流的协助，如此可控制第二晶体管，在激活时间结束之后，通过关掉主切换晶体管的方式，以及取消反磁化能量来加以阻绝。
此外，调节和控制电路也有可能具备一个包含激活时间限制的PWM电路(PWM＝脉冲宽度调变)，而且通过PWM电路可以储存对应于脉冲模式的驱动系统的特征之一，通过对应的选择可以用于当时的应用目的。
此外，也可以设计成让此电路配置具备一个微控制器电路，而且为了协调控制和施加脉冲来使用微控制器电路。
此外，可以有一个热保险丝，特别是可逆热保险丝，以及用于控制电源供应的降压电阻，在主电源接点失效时，可安排热保险丝和降压电阻的组合，并且可以切换，通过热保险丝和降压电阻的热连接让主电源接点断线。
其他还可以设计成让电路配置具有一个包含光学耦合器和Z-二极管的安全电路，以这种方式可以切换，因此在输出负载中断的情形下可避免不被容许的高输出电压。安全电路要能让人在失效情形下能通过有过高输出电压的Z-二极管来控制，而且光学耦合器会作用在调节及控制电路之上，因而可降低功率晶体管的激活时间，让输出电压维持限制在容许的程度。
其他和本发明相关的还有一种用来操作电路配置的操作方法。
此时，在一种用来操作机电设备的电磁驱动系统的电路配置的操作方法下，特别是具有机械式闩锁的最终位置，包含：至少一个控制电源；至少一个调节及控制电路；至少一个驱动系统；至少一个变压器；至少一个直流电整流电桥；至少一个去耦电容；至少一个主切换晶体管，通过它让独特的脉冲序列系统在至少一种作业状态下可以被控制，其中主切换晶体管和变压器的首要支线串连，用这种方式处理，让变压器和馈送的电压连接，并且让变压器的次要面来馈送电源给直流电整流电桥，其输出直流电通过去耦电容来顺流，并且加到控制电源的电压之上，因此形成一种以随时间改变的馈送过程来进行直流电的馈送。
其他还可以设计成具有一个第二晶体管，而操作中的电路配置以这种方式切换，让自持电路通过一个功率回路里的第二晶体管来激活，通过变压器的反磁化能量的协助，通过整理好电闸电压的方式决定激活时间，其中有一个第二晶体管受到控制，并且在完成激活时间后可以通过关闭主晶体管以及取消反磁化能量的方式来达成阻绝的目的。
此外，还可以设计成调节及控制电路具备一个有激活时间限制的PWM电路，并且通过PWM电路储存一个对应于脉冲模式的驱动系统特征，其中通过一个对应的选择可以配合当时的应用目的。
此外，也可以有一个热保险丝，特别是可逆热保险丝，以及控制电源供应的降压电阻，以这样的方式安排，使得主电流接点失效时，可以用这种方式激活热保险丝及降压电阻的组合，通过热保险丝和降压电阻的热连接，来中断主电流接点。
此外，也可以设计成让电路配置还有一个包含光学耦合器及Z-二极管的安全电路，在失效时可以这样作切换，让光学耦合器通过Z-二极管来控制输出负载中断时过高的输出电压，而且光学耦合器的输出会作用在调节及控制电路之上，由此减少功率晶体管的激活时间，让输出电压维持限制在一个容许的程度。
本发明的其他细节和优点可以由图中呈现的实施方式更详尽地阐释。
附图说明
图中所呈现的有：
图1是一种电路配置的实施方式的原理线路图，在此用来操作电磁驱动系统还有对应的操作方法；以及
图2是根据图1的电路配置激活机构的力量-行程-特性关系的量化曲线图。
附图标记：
1 调节及控制电路
1.1 控制电压准备工作
1.2 测量值记录面板
1.3 PWM电路
1.4 驱动电路
2 电磁驱动系统
1～9 电夹
C1 中间回路电容。
C2 中间回路电容
C3 整平电容
C4 电容
C5 整平电容
F 调整力
F1 热保险丝
F2 过电流保险丝
L1 节流阀
MB 负电位差
R1 降压电阻
R2 闸导电阻
R3 放电电阻
R4 电闸非线性电阻
R5 分流电阻
R6 电流限制电阻
R7 过电压保护器
S1 激活按钮
T1 变压器
UB 电压电源
US 电源供应
VD1 二极管
VD2 二极管
VD3 电闸电压限制器
VD4 二极管
VD5～VD8 直流电整流电桥
VD9 二极管
VT1 切换晶体管
VT2 主切换晶体管
tEin 激活时间
ttot 结束时间
FAnf 激活扭矩中的调整力
Fmax 最大力量
FEnd 最终力量
s 调整行程
s0 第一切换位置
s1 压力点
s2 最大点
sEnd 第二切换位置
具体实施方式
图1公开一张电路配置实施方式的原理线路图，在这里以包含一个吸力磁铁的电池保护开关的形式来实施，在图1中，其电路与功能原理会作更详细的说明如下。
电路配置具备一个调节及控制电路，分别具有一个用于内部有控制电压准备工作1.1ZD的控制电压US的稳定电路、测量值纪录装置1.2、包含激活极限t的PWM电路1.3(脉冲宽度调变电路)、以及一个功率开关(VT2)用的驱动电路1.4。
其他方面，电路配置还有一个电磁驱动系统2。
电路配置是一种控制电压电源，和工作电压(UB)相连。
利用基准符号MB标示负电位差(主电流)。
除此之外，电路配置还有一个激活按钮S1，一个用于电源供应US的降压电阻R1，一个用于切换晶体管VT1的闸导电阻R2，一个在用于自持电路的激活晶体管VT2的放电网络中的放电电阻R3，一个用于激活晶体管的闸导电阻，还有一个用来掌握主电流以产生标准大小的固定电阻R5，另外还有一个过电压保护器R7，一个低电感的中间回路电容C1，一个有较高储存容量的中间回路电容C2，一个整平电容C3，一个用于激活晶体管VT2的DRC放电网络的电容C4，一个用于输出负载的整平电容C5。此外电路配置有一个二极管和一个空载二极管V1，一个用于激活晶体管VT2的DRC网络的高速二极管VD2，一个电闸电压限制器VD3，一个准备为了用于切换晶体管VT1的电闸电压的直流电整流二极管VD4，用于输出直流电整流电桥VD5、直流电整流电桥VD6、直流电整流电桥VD7及直流电整流电桥VD8的高速二极管，还有一个用于切换晶体管的空载二极管VT1，一个输入节流阀L1(激活电流限制器)，一个热保险丝F1还有一个过电流保险丝F2。
附加二极管VD9在阳极侧和变压器节点T1–切换晶体管VT2连接，而阴极侧则和通过二极管VD5、二极管VD6、二极管VD7、二极管VD8构成的直流电整流电桥的阴极VD6、阴极VD8连接。
另外还有电夹1/2，即激活按钮用的接线，一个电夹3作为控制电源供应用的馈送输入，一个电夹4为控制切换晶体管VT1用的接线，一个电夹作为控制电压电位的负向电位差，电夹6/7作为包含测量值记录面板1.2的调节电路用的分流电压导线，电夹8/9作为电磁驱动系统2的输出负载2的接线。
激活时间以符号tEin表示，结束时间则以符号ttot表示。
控制配置的功能，以及符合本发明的操作方法，都会以如下方式阐释：
电池保护开关在激活状态下会到达一个机械式闩锁、稳定的最终位置，吸力磁铁确定吸力的功能以及容许到达机械式固定的电池保护开关最终位置，必须确保在65V到150V的电压范围里，其中的额定控制电压为110V。
在这种应用场合里，建议的配置必须能确保在操作时间结束时有足够的能量给磁铁系统，虽然力量需求大幅增加-与一般的已知接触器相反。
通过激活开关可以开始激活过程，让在阻绝状态下存在的晶体管VT1跨接到电桥，而调节及控制电路则通过降压电阻R1来激活；控制电压准备工作1.1用ZD符号表示。为了建立脉冲序列，会产生一个有恒定基本频率40kHz的脉冲宽度调变信号。
激活时间测量的方式为在所有环境条件下维持必要的吸引时间，考量到吸力磁铁的可容许操作时间，如图2所示。
吸力磁铁2用于短期操作；不被容许的长操作时间会导致损坏。如果在失效情形下超过容许的操作时间，热保险丝F1因热耦合效应会和电阻R1一起触发，降压电阻R1和可逆热保险丝有相同之外殻接地形式(T0220)，而且在这些外殻的热接触面上以机械方式相连，使得在失效情形下可确保以预定的方式触发。通过选择电阻可以让吸力磁铁2产生类似热等效的行为模式。
晶体管VT2会通过调节和控制电路1在PWM电路的时间tEin 1.6秒内进行控制，这时会将一个电压加到根据变压器T1的转换比例关系的控制-(输入)-电压UB上，此电压通过含VD5到VD8的直流电整流电桥来建立，并且通过C5整平。通过这种配置可以利用PWM负载系数的变化，可能达成将吸力磁铁上电压带来低于和高于控制电压的效果；开关S1在关闭后会再度打开；含VT1的自持电路会继续供电给电路，方法是将反磁化电压T1通过二极管VD4、限制器和包含VD3、R2及C3稳定电路的限电电阻导引到VT1的电闸，让它能够激活。只要有VT2的能阶计时运作，功率回路就可通过VT1维持激活状态。在跑完结束时间ttot之后，VT的电位会关闭，而功率回路则会中断。跑完结束时间ttot之后，切换过程就可以重新激活，结束时间ttot可以防止因不当使用而造成驱动系统线圈过度负载的情形。
除此之外，内部控制电压准备工作1.1还能通过自有的时间差，来确定可以让稳定器ZD不会因不当操作激活按钮S1(持续输入)而发生过度负载的现象；在这种情形下1.1在预定的时间之后，也就是通过设备正常操作的时间之后会强制关闭。
为了要让馈送电源的内在电阻有足够的解耦功能，会预先设计电容C1和电容C2，其中通过低电感电容器馈送到VT2的激活扭矩，此外将有明显更高容量的中间回路电容C2的交流电部分，并接受较高的内电阻。
节流阀L1是为了激活电流限制功能，用以开关S1释放电流负载的功能而设计的。
电路会配备电流调节功能；通过分流电阻R5，可以汇集功率回路里的主电流，以及测量值记录装置1.2。测量值记录装置1.2会提供调节及控制电路1.3用的信号，可以建立对应于电磁驱动系统2的特定特征的脉冲宽度模式，在调节及控制电路1.3中可以储存一系列的特定馈送特征，可以用对应的方式选择，并由此与当时的应用目的建立对应关系。
如果因为使用中的失效现象而没有将输出电夹8和输出电夹9连接到保护开关2之上，则可由调节及控制电路1.3优先决定输出电压限制功能。
正如图2里可以看到之一种力量-行程-特性关系，在切换装置2时，对应于第一切换位置s0的开放位置在调整行程s上对应于第二切换位置sEnd的关闭位置，通过切换行程，相较之下较低的初始力量是有必要的，从一个压力点s1到最大点s2增长到最大力量Fmax，并且在最大点到第二切换位置sEnd会降到最终力量FEnd。根据这个力量-行程-特性关系的曲线可以在吸力磁铁ZM1、吸力磁铁ZM2上产生调整力，让调整力和切换装置2的力量-行程-特性关系互相配合。
通过将调整力F与切换装置2的力量-行程-特性关系相配合，可以确保切换装置2能够有个机械上精简的作业，特别是要避免过高的调节力F，而在机械操作组件接触时可能造成磨耗甚至是切换装置2的损害。
此外，通过将调节力F与力量-行程-特性关系互相配合，可确保切换装置2会有可靠的切换动作，而和当时具体上可用的控制电压UDauer无关。特别是通过将控制电压转换为中间回路电压的方式，并且将调节力F和切换装置2的力量-行程-特性关系互相配合，而能确保控制电压UDauer的整个电压范围都有足够的能量，可以让切换装置2作切换动作，并且排除切换装置2的机械操作元件的碰撞机会。

Claims (11)

1.一种用于操作机电设备的电磁驱动系统的电路配置，其特征在于，所述电路配置特别具有机械式闩锁最终位置，所述电路配置包含至少一个控制电压电源(UB)；至少一个调节及控制电路(1)；至少一个驱动系统(2)；至少一个变压器(T1)；至少一个直流电整流电桥(VD5,VD6,VD7,VD8)；至少一个整平电容(C5)；至少一个主切换晶体管(VT2)，通过它来控制一个独特的脉冲序列系统里的驱动系统(2)，而其中主切换晶体管(VT2)和变压器(T1)之一个主要支线串连，其中变压器与馈送电压相连，并且变压器(T1)的次要面将电馈送给直流电整流电桥(VD5,VD6,VD7,VD8)，其输出的直流电电压通过整平电容(C5)予以整平，并加到控制电压电源(UB)的直流电压上，使得以直流电压进行的馈送动作能够产生一个随时间变化的馈送过程。
2.根据权利要求1所述的电路配置，其特征在于，其中配置有一个第二晶体管(VT1)，而这种电路配置可以切换，让主电路通过功率回路里的第二晶体管(VT1)来激活，通过变压器T1反磁化能量，以准备一个用于激活时间(tEin)的电闸电压(VD4,R6,VD3,R2,C3)的方式协助，由此控制第二晶体管(VT1)，并且在激活时间(tEin)结束后，通过主切换晶体管(VT2)和取消反磁化能量的方式予以阻绝。
3.根据权利要求1或2所述的电路配置，其特征在于，其中调节及控制电路(1)具备一个有激活时间限制功能的脉冲宽度调变电路(1.3)，而且通过脉冲宽度调变电路(1.3)储存一个与驱动系统对应的特征的脉冲模式，通过一个对应的选择来分配当时的应用目的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电路配置，其特征在于，其中电路配置具备一个微控制器电路，并且为了协调控制以及脉冲处理工作而使用微控制器电路。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路配置，其特征在于，还包括一个热保险丝，特别是一个可逆热保险丝，和一个控制电源供应用的降压电阻，在主电源接点失效时，能够切换到热保险丝和降压电阻的配置，使得通过热保险丝与降压电阻连接的主电源接头可以被中断。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路配置，其特征在于，其中电路配置另外还具备一个包含一个光学耦合器以及Z-二极管的安全电路，在输出负载(2)中断的情形下可由此避免不被容许的高输出电压，让安全电路以这种设计于失效情形下通过具有过高输出电压的Z-二极管来控制光学耦合器，并由此让光学耦合器的输出作用在调节及控制电路(1)上，而由此缩短功率晶体管(VT2)的激活时间长度，让输出电压能维持限制在一个可容许的程度。
7.一种电路配置操作的方法，其特征在于，所述方法用于操作机电设备的电磁驱动系统，特别是具有机械式闩锁最终位置的系统，所述电磁驱动系统包含至少一个控制电压电源(UB)；至少一个调节及控制电路(1)；至少一个驱动系统(2)；至少一个变压器(T1)；至少一个直流电整流电桥(VD5,VD6,VD7,VD8)；至少一个整平电容(C5)；至少一个主切换晶体管(VT2)，通过它来控制至少一种操作状态中独特的脉冲序列系统，其中主切换晶体管(VT2)和变压器(T1)之一个主支线相连，其中变压器(T1)与馈送电源相连，而变压器(T1)的次要面则会将电馈送给直流电整流电桥(VD5,VD6,VD7,VD8)，通过整平电容(C5)来整平其输出的直流电压，并且再加到控制电压电源的电压(UB)上，让直流电压的馈送动作产生一个随时间变化的馈送过程。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括配置一个第二晶体管(VT1)，让电路配置以下列方式切换操作：通过功率回路里的第二晶体管(VT1)来激活保持电路，通过激活时间(tEin)的变压器(T1)反磁化能量的协助，通过准备电闸电压的方式，用来控制第二晶体管(VT1)，并且在激活时间(tEin)结束后通过关闭主切换晶体管(VT2)以及取消反磁化能量的方式予以阻绝。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，其中调节及控制电路具有一个激活时间限制的脉冲宽度调变电路，其能够储存对应于脉冲模式的驱动系统的特征，通过一个对应的选择可以分派给当时的应用目的。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的方法，其特征在于，还包括配置一个热保险丝(F1)，特别是一个可逆热保险丝，以及控制电源供应(R1)用的降压电阻，以下列方式配置，让主电源接点失效情形下，切换到热保险丝及降压电阻的组合，通过热保险丝和降压电阻的热连接来中断主电源接头。
11.根据权利要求7到10中任一项所述的电路配置，其特征在于，所述电路配置还有另一个包含光学耦合器及Z-二极管的安全电路，在失效情形下以下列方式切换，在中断输出负载(2)的情形下，由此避免产生不容许的过高输出电压，这种设计的安全开关会让光学耦合器通过失效情形下过高输出电压的Z-二极管来控制，并由此将光学耦合器的输出作用在调节及控制电路(1)，而由此缩短功率晶体管(VT2)的激活时间长度，让输出电压保持受限在一个容许的程度。
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