DE10141884A1 - Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises sowie Steuer/Regeleinrichtung hierzu - Google Patents

Abstract

Es wird eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises vorgeschlagen, DOLLAR A - mit einer Amplitudeneinstelleinrichtung (1, 1') zur Erzeugung einer Gleichspannung mit einer der Feldstärke des zu erzeugenden Magnetfeldes entsprechenden Amplitude, DOLLAR A - mit einer Frequenzerzeugungseinrichtung (2, 2') zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstromes mit für den Resonanzkreis vorgegebener Frequenz DOLLAR A - und mit einer Resonanzabgleicheinrichtung (3, 3') mit mindestens einem feinstufig, vorzugsweise stufenlos einstellbaren induktiven oder kapazitiven Bauelement zur Einstellung des Verhältnisses zwischen induktivem und kapazitivem Anteil des Resonanzkreises.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeu­ genden Resonanzkreises sowie auf eine Steuer/Regeleinrichtung hierzu.

In der DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von Näherungssenso­ ren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,

• - wobei jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mit­ telfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
• - wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwick­ lung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vor­ gesehen ist,
• - wobei jeder Näherungssensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche in­ teressierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozeßrechner der Maschine verbundene Empfangseinrichtung abgibt.

Dabei wird vorgeschlagen, die Wicklungen sowohl primärseitig als auch sekundärseitig mit Kompensationskondensatoren zu beschalten, wodurch jeweils Resonanzkreise ge­ bildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspeiseschaltung eines ein Magnet­ feld erzeugenden Resonanzkreises anzugeben.

Des weiteren soll eine Steuer/Regeleinrichtung hierzu angegeben werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Einspeiseschaltung erfindungsgemäß durch eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises gelöst,

• - mit einer Amplitudeneinstelleinrichtung zur Erzeugung einer Gleichspannung mit einer der Feldstärke des zu erzeugenden Magnetfeldes entsprechenden Amplitude,
• - mit einer Frequenzerzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstromes mit für den Resonanzkreis vorgegebener Frequenz,
• - und mit einer Resonanzabgleicheinrichtung mit mindestens einem feinstufig, vorzugs­ weise stufenlos einstellbarem induktivem oder kapazitivem Bauelement zur Einstellung des Verhältnisses zwischen induktivem und kapazitivem Anteil des Resonanzkreises.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Steuer/Regeleinrichtung erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuer/Regeleinrichtung für eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises mit einem Vergleicher/Regler, welcher in Abhängigkeit der Differenz zwischen einem Sollwert der Phasenlage und einem ermittelten Istwert der Phasenlage das mindestens eine feinstufig, vorzugsweise stufenlos einstellbare induktive oder kapazitive Bauelement und gegebenenfalls über einen Bereichsum­ schalter das zusätzliche, in Stufen einstellbare induktive oder kapazitive Bauelement einstellt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Ein­ stellung/Steuerung/Regelung des Arbeitspunktes des Resonanzkreises und die Ein­ stellung/Steuerung/Regelung der Größe der erzeugten magnetischen Feldstärke völlig getrennt und unabhängig voneinander erfolgen. Die Einstellung/Steuerung/Regelung des Arbeitspunktes erfolgt mittels Erfassung der aktuellen Phasenlage im Resonanz­ kreis, während die Einstellung/Steuerung/Regelung der Größe der magnetischen Feld­ stärke mittels Einstellung/Steuerung/Regelung der Amplitude der Eingangsspannung des die Wechselspannung des Resonanzkreises erzeugenden Stromrichters (Span­ nungswechselrichter) bzw. der Amplitude des Eingangsstromes des den Wechselstrom des Resonanzkreises erzeugenden Stromrichters (Stromwechselrichter) erfolgt. Es ist eine dynamische Nachregelung der Amplitude in einfacher Weise möglich, ohne daß sich dabei die Phase zwischen Resonanzstrom und der Spannung am Resonanzkreis ändert.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einspeiseschaltung eines Resonanzkreises mit zugehöriger Steu­ er/Regeleinrichtung,

Fig. 2 eine interessierende Impedanz/Frequenzkurve und Phasen/Frequenzkurve,

Fig. 3 eine Einspeisung mit angeschlossener Wicklung,

Fig. 4 eine Einspeiseschaltung mit Stromwechselrichter.

In Fig. 1 ist eine Einspeiseschaltung eines Resonanzkreises mit zugehöriger Steu­ er/Regeleinrichtung dargestellt. Die Einspeiseschaltung setzt sich aus einer Amplitu­ deneinstelleinrichtung 1, einer Frequenzerzeugungseinrichtung 2 und einer Resonanz­ abgleicheinrichtung 3 zusammen. Eine zur Erzeugung eines Magnetfeldes dienende (in Fig. 3 dargestellte) Wicklung ist mit zwei Wicklungsanschlüssen 17 der Resonanzab­ gleicheinrichtung 3 verbunden. Eine Steuer/Regeleinrichtung 4 steuert/regelt Amplitu­ deneinstelleinrichtung 1, Frequenzerzeugungseinrichtung 2 und Resonanzabgleichein­ richtung 3.

Die Amplitudeneinstelleinrichtung 1 besteht aus einem Gleichrichter 5, der über seine Wechselstromanschlüsse 6 an ein Wechselstromnetz angeschlossen und über seine Gleichstromanschlüsse 7 mit zwei in Serie angeordneten schnellschaltenden Halblei­ terschaltern 8 eines Stromrichters sowie mit zwei in Serie angeordneten Kondensatoren 10 der Frequenzerzeugungseinrichtung 2 verbunden ist. Eine Ventilansteuerung 9 dient zur Ansteuerung dieser Halbleiterschalter 8. Mittels der Ventilansteuerung 9 wird die Frequenz des Resonanzkreises auf einen vorgegebenen Wert eingestellt (siehe Ar­ beitspunkt gemäß Fig. 2). Der gemeinsame Verbindungspunkt der Halbleiterschalter 8 sowie der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren 10 dienen zur Bildung von Wechselstromanschlüssen 11 der Frequenzerzeugungseinrichtung 2.

Anstelle der beiden Kondensatoren 10 kann auch nur ein Kondensator eingesetzt wer­ den - nach Masse geschaltet oder mit dem positiven Pol verbunden - da die Reso­ nanzspannung für den/die Kondensator/en weitaus größer als die verwendete Brücken­ spannung am gemeinsamen Verbindungspunkt der Halbleiterschalter 8 ist.

Zwischen dem ersten Wechselstromanschluß 11 und dem ersten Wicklungsanschluß 17 der Resonanzabgleicheinrichtung 3 liegt die Reihenschaltung zweier Resonanzkon­ densatoren 12, 13, wobei der Resonanzkondensator 13 bedarfsweise mit Hilfe eines Schalters 14 überbrückbar ist. Alternativ ist auch eine Kondensator-Paralleischaltung an Stelle der Kondensator-Reihenschaltung einsetzbar. Zwischen dem zweiten Wech­ selstromanschluß 11 und dem zweiten Wicklungsanschluß 17 der Resonanzabgleich­ einrichtung 3 liegt die Hauptwicklung einer stufenlos einstellbaren, aus Hauptwicklung und Hilfswicklung bestehenden Induktivität 15, wobei die Hilfswicklung mit einem Gleichstrom einer Speiseeinheit 16 stufenlos speisbar ist. Die gewünschte stufenlos einstellbare Induktivität wird in Abhängigkeit des eingespeisten Gleichstromes zwischen den Anschlußklemmen der Hauptwicklung gebildet. Alternativ ist auch eine feinstufig oder stufenlos einstellbare Kapazität (Hochfrequenztaktung der Kapazität) an Stelle der stufenlos einstellbaren Induktivität einsetzbar. Von Wichtigkeit ist, daß die Resonanz­ abgleicheinrichtung 3 zumindest eine feinstufig, vorzugsweise stufenlos einstellbare Induktivität oder Kapazität aufweist, um derart die Phasenlage einstellen und nachre­ geln zu können.

Die Steuer/Regeleinrichtung 4 weist einen Pulsweitenmodulator 18 auf, welcher ein­ gangsseitig das Signal einer Sollwertvorgabe 19 sowie ein Signal entsprechend der Amplitude der zwischen den Gleichstromanschlüssen 7 anstehenden augenblicklichen Gleichspannung empfängt und welcher ausgangsseitig den Gleichrichter 5 in Abhän­ gigkeit der Differenz dieser beiden interessierenden Signale ansteuert. Das Signal der Sollwertvorgabe 19 repräsentiert dabei die Amplitude der einzustellenden Gleichspan­ nung, welche geeignet ist, das von der Wicklung zu erzeugende Magnetfeld mit ge­ wünschter Feldstärke zu produzieren.

Eine weitere wichtige Baukomponente der Steuer- und Regeleinrichtung 4 ist ein Fre­ quenzgenerator 20, welcher über eine Jitter-Vorgabe 21 die Ventilansteuerung 9 für die Halbleiterschalter 8 beaufschlagt, wodurch die Frequenz des aus den Resonanzkon­ densatoren 12, 13, der Wicklung (siehe Ziffer 28 in Fig. 3) und der einstellbaren Induk­ tivität 15 bestehenden Resonanzkreises eingestellt und konstant gehalten wird. Die Jitter-Vorgabe 21 weist einen Synchronisieranschluß 22 auf, welcher vorteilhaft dazu dient, bei einer Anlage mit mehreren Wicklungen eine frequenzsynchrone Austeuerung aller Wicklungen zu gewährleisten.

Zur Ermittlung der aktuellen Phasenlage der von der Frequenzerzeugungseinrichtung 2 erzeugten Wechselspannung ist eine Phasenerfassung 23 vorgesehen, welcher ein­ gangsseitig die aktuelle Spannung zwischen den Wechselstromanschlüssen 11 und der Strom zur Resonanzabgleicheinrichtung 3 zugeleitet werden und die ausgangsseitig den hieraus gebildeten Istwert der Phasenlage einem Vergleicher/Regler 25 zuführt. Dieser Vergleicher/Regler 25 empfängt des weiteren das Signal einer Sollwertvorgabe 24 für die Phasenlage.

Das Ausgangssignal des Vergleichers/Reglers 25 gelangt zu einem Bereichsumschalter 26 und zur vorstehend erwähnten Speiseeinheit 16 der einstellbaren Induktivität 15, wobei mittels der Speiseeinheit 16 eine "Feineinstellung" (stufenlos) des indukti­ ven/kapazitiven Verhältnisses im Resonanzkreis realisiert wird. Der Bereichsumschalter 26 steuert bedarfsweise den Schalter 14 zur Überbrückung des Resonanzkondensators 13 an und wird immer dann aktiviert, wenn aufgrund der Höhe des Ausgangssignals des Vergleichers/Reglers 25, d. h. der aktuellen Abweichung zwischen Istwert und Sollwert der Phasenlage eine Steuerung/Regelung allein mit der einstellbaren Indukti­ vität 15 nicht mehr möglich ist. Durch den Bereichsumschalter 26 wird eine "Grobein­ stellung" (in Stufen) des induktiven/kapazitiven Verhältnisses im Resonanzkreis reali­ siert.

In Fig. 2 sind eine interessierende Impedanz/Frequenzkurve und Phasen/Frequenz­ kurve dargestellt. Die gezeigte Impedanzkurve (durchgezogener Linienzug) zeigt auf, daß die Stromrichterlastimpedanz, d. h. Impedanz an den Wechselstromanschlüssen 11, bei eingestellter Resonanzfrequenz einen Minimalwert aufweist. Der Arbeitspunkt wird jedoch nicht exakt auf diese Resonanzfrequenz eingestellt, sondern um einen be­ stimmten Frequenzwert verschoben. Dies erfolgt insbesondere, um die Halbleiter­ schalter 8 des Stromrichters im Nullstrombetrieb (zero current switching) schalten zu können, was vorteilhaft die Schaltverluste des Stromrichters minimiert. Die Differenz zwischen dem Maximalwert der Stromrichterlastimpedanz und dem Wert der Strom­ richteriastimpedanz am Arbeitspunkt stellt die Filterverstärkung dar.

Die Phasenkurve ist als gestrichelter Linienzug in Fig. 2 eingezeichnet. Die Differenz zwischen der Phasenlage bei Resonanzfrequenz und der Phasenlage bei eingestelltem Arbeitspunkt entspricht dem Phasenlage-Sollwert (siehe Sollwertvorgabe 24 für Pha­ senlage). Mittels der Resonanzabgleicheinrichtung 3 ist der Istwert der Phasenlage entsprechend diesem Sollwert einzustellen.

In Fig. 3 ist eine Einspeisung mit angeschlossener Wicklung dargestellt. Es ist die Ein­ speiseschaltung 27 - bestehend aus den vorstehend erläuterten Baukomponenten 1, 2, 3 und 4 - mit Wechselstromanschlüssen 6 und Wicklungsanschlüssen 17 zu erkennen, wobei eine Wicklung 28 (Primärwicklung) an die Wicklungsanschlüsse 17 angeschlos­ sen ist. Diese Wicklung 28 umschließt eine Maschine - insbesondere Fertigungsauto­ mat - oder Anlage mit einer Vielzahl (bis zu einigen Hundert) von Sensoren - insbeson­ dere Näherungssensoren - und/oder Aktoren 29.1 . . .29.n (n = beliebige ganze positive Zahl).

Die der Wicklung 28 zugeführte Schwingung liegt im mittelfrequenten Bereich, vor­ zugsweise im Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz. In diesem Bereich sind die sich durch Skineffekte ergebenden Nachteile, beispielsweise die auftretenden Verluste, noch handhabbar. Die Wicklung 28 erzeugt lediglich ein magnetisches Feld, elektro­ magnetische Wellen werden aufgrund der im Vergleich zu den auftretenden Wellenlän­ gen zu kleinen und deshalb als Antenne unwirksamen Wicklung 28 nicht abgestrahlt. Auch an unzugänglichen Stellen der Maschine oder Anlagetritt ein ausreichend starkes Magnetfeld auf.

Jeder der Sensoren und/oder Aktoren 29.1 . . .29.n weist mindestens eine zur Energie­ aufnahme aus dem erzeugten mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwick­ lung auf, die zusammen mit mindestens einem kapazitivem Element einen sekundären Resonanzkreis mit auf den primärseitigen Resonanzkreis abgestimmter Resonanzfre­ quenz bildet. Durch magnetische Kopplung der Wicklung 28 und der Sekundärwicklun­ gen der Sensoren und/oder Aktoren im Sinne eines Mittelfrequenz-Transformators wird eine drahtlose Versorgung der Sensoren und/oder Aktoren 29.1 . . .29.n mit elektrischer Energie sichergestellt. Im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluß zur elektrischen Energieversorgung von Sensoren und/oder Aktoren entfällt der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Ko­ stenfaktor eines Kabelanschlusses. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrü­ chen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.

Durch Bewegungen von Baukomponenten der von der Wicklung 28 umschlossenen Maschine oder Anlage (beispielsweise Schwenken von metallischen Roboterarmen) während des Betriebes ändert sich der Istwert der Phasenlage des Resonanzkreises. Mittels der Phasenregelung 23/24/25/26/14/16 ist eine permanente Nachregelung (on­ line) der Phasenlage während des Betriebes in einfacher und effizienter Weise möglich.

Vorstehend wird beispielhaft von einem Serienresonanzkreis ausgegangen, welcher von einem Spannungswechselrichter als Frequenzerzeugungseinrichtung 2 gespeist wird. In Abwandlung hierzu ist es auch möglich, einen Parallelresonanzkreis an Stelle eines Serienresonanzkreises einzusetzen, wobei dann als Frequenzerzeugungsein­ richtung 2 ein Stromwechselrichter zu verwenden ist. In Fig. 4 ist hierzu die entspre­ chende Schaltung skizziert.

Gezeigt ist eine Konfiguration Wechselstromanschlüsse 6', Amplitudeneinstelleinrich­ tung 1', Gleichstromanschlüsse 7', Frequenzerzeugungseinrichtung 2' (ausgebildet als Stromwechselrichter), Wechselstromanschlüsse 11 ', Resonanzabgleicheinrichtung 3', Wicklungsanschlüsse 17' und Wicklung 28', wobei am ersten Wechselstromanschluß 11' ein Resonanzkondensator 12' und der erste Wicklungsanschluß 17' liegen. Der weitere Anschluß des Resonanzkondensators 12' ist über einen Resonanzkondensator 13' mit dem zweiten Wechselstromanschluß 11' und einer einstellbaren Induktivität 15' verbunden. Der Resonanzkondensator 13' ist mittels eines Schalter 14' überbrückbar. Der weitere Anschluß der einstellbaren Induktivität 15' liegt am zweiten Wicklungsan­ schluß 17'. Eine Steuer- und Regeleinrichtung 4' steuert die einstellbare Induktivität 15', den Schalter 14', die Amplitudeneinstelleinrichtung 1' und die Frequenzerzeu­ gungseinrichtung 2' an. Die vorstehend aufgezeigten Alternativen betreffend Konden­ sator-Reihenschaltung 12'/13' oder feinstufig oder stufenlos einstellbare Kapazität an Stelle der stufenlos einstellbaren Induktivität sind auch für die Ausführungsform gemäß Fig. 4 gültig.

Claims (5)

1. Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises
mit einer Amplitudeneinstelleinrichtung (1, 1') zur Erzeugung einer Gleich­ spannung mit einer der Feldstärke des zu erzeugenden Magnetfeldes entsprechenden Amplitude,
mit einer Frequenzerzeugungseinrichtung (2, 2') zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstromes mit für den Resonanzkreis vorgegebe­ ner Frequenz,
und mit einer Resonanzabgleicheinrichtung (3, 3') mit mindestens einem feinstufig, vorzugsweise stufenlos einstellbarem induktivem oder kapazitivem Bauele­ ment zur Einstellung des Verhältnisses zwischen induktivem und kapazitivem Anteil des Resonanzkreises.

2. Einspeiseschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein zusätzliches, in Stufen einstellbares induktives oder kapazitives Bauelement.

3. Steuer/Regeleinrichtung für eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises für die Einspeiseschaltung nach Anspruch 1, mit einem Vergleicher/Regler (25), welcher in Abhängigkeit der Differenz zwischen einem Sollwert der Phasenlage und einem ermittelten Istwert der Phasenlage das mindestens eine feinstufig, vorzugsweise stufenlos einstellbare induktive oder kapazitive Bauelement und gegebenenfalls über einen Bereichsumschalter (26) das zusätzliche, in Stufen ein­ stellbare induktive oder kapazitive Bauelement einstellt.

4. Steuer/Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzgenerator (20) die Frequenz des Resonanzkreises über eine Jitter- Vorgabe (21) vorgibt.

5. Steuer/Regeleinrichtung nach Anspruch 3 und/oder 4, gekennzeichnet durch einen Pulsweitenmodulator (18), welcher die Amplitudeneinstelleinrichtung (1, 1') in Abhängigkeit der aktuellen Amplitude der erzeugten Gleichspannung und des Si­ gnals einer Sollwertvorgabe (19) für das Magnetfeld ansteuert.