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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises sowie auf eine Steuer/Regeleinrichtung hierzu.
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In der
DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von Näherungssensoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,
- - wobei jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
- - wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vor gesehen ist,
- - wobei jeder Näherungssensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sensorinformationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Empfangseinrichtung abgibt.
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Dabei wird vorgeschlagen, die Wicklungen sowohl primarseitig als auch sekundarseitig mit Kompensationskondensatoren zu beschalten, wodurch jeweils Resonanzkreise gebildet werden.
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Die
WO 93/ 04 527 A1 zeigt eine Resonanzstromversorgung, die zum Erzeugen eines sich periodisch ändernden Magnetfelds geeignet ist, mit: einer resonanten induktiven Einheit mit drei Anschlüssen, deren Zwischenanschluss mit einem ersten Anschluss einer Stromquelle verbunden ist, und einer resonanten kapazitiven Einheit mit zwei Anschlüssen; wobei jeder Anschluss mit einem entsprechenden äußeren Anschluss der induktiven Einheit verbunden ist und dadurch einen elektrischen Resonanzkreis mit einer Betriebsfrequenz bei oder nahe seiner Eigenresonanzfrequenz aufweist, wobei ein Paar steuerbarer Schaltvorrichtungen vorgesehen ist, wobei jede Schalteinrichtung zwischen einem entsprechenden Anschluss des Resonanzkreises und einem zweiten Anschluss der Energiequelle geschaltet ist und Steuermittel mit jeder der Schalteinrichtungen gekoppelt sind und jede Schalteinrichtung zum Öffnen und Schließen bringen können, abwechselnd und gegenphasig zum Zustand der anderen Schalteinrichtung, mit einer Rate, die der Betriebsfrequenz des Schwingkreises entspricht, wodurch im Betrieb der Resonanzstrom durch den Betrieb der Schalteinrichtungen verstärkt wird und der Resonanzstrom die Schalteinrichtung nicht durchläuft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises anzugeben.
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Des weiteren soll eine Steuer/Regeleinrichtung hierzu angegeben werden.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Steuer/Regeleinrichtung erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuer/Regeleinrichtung für eine Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises mit einer Amplitudeneinstelleinrichtung zur Erzeugung einer Gleichspannung mit einer der Feldstärke des zu erzeugenden Magnetfeldes entsprechenden Amplitude, wobei ein Pulsweitenmodulator die Amplitudeneinstelleinrichtung in Abhängigkeit der aktuellen Amplitude der erzeugten Gleichspannung und des Signals einer Sollwertvorgabe für das Magnetfeld ansteuert, mit einer an die Gleichstromanschlüsse der Amplitudeneinstelleinrichtung angeschlossenen Frequenzerzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung oder eines Wechselstromes mit für den Resonanzkreis vorgegebener Frequenz, wobei mittels einer Ventilansteuerung die Frequenz des Resonanzkreises auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, welche den Arbeitspunkt bestimmt, mit einer an die Wechselstromanschlüsse der Frequenzerzeugungseinrichtung angeschlossenen Resonanzabgleicheinrichtung mit mindestens einem feinstufig stufenlos einstellbarem induktivem oder kapazitivem Bauelement zur Einstellung des Verhältnisses zwischen induktivem und kapazitivem Anteil des Resonanzkreises, wobei ein Vergleicher/Regler in Abhängigkeit der Differenz zwischen einem Sollwert der Phasenlage und einem aus der aktuellen Spannung zwischen den Wechselstromanschlüssen der Frequenzerzeugungseinrichtung und dem Strom zur Resonanzabgleicheinrichtung ermittelten Istwert der Phasenlage das mindestens eine feinstufig stufenlos einstellbare induktive oder kapazitive Bauelement einstellt, wobei die Einstellung/Steuerung/Regelung des Arbeitspunktes des Resonanzkreises mittels Erfassung der aktuellen Phasenlage im Resonanzkreis und die Einstellung/Steuerung/Regelung der Größe der erzeugten magnetischen Feldstärke mittels Einstellung/Steuerung/Regelung der Amplitude der Eingangsspannung des die Wechselspannung des Resonanzkreises erzeugenden Stromrichters bzw. der Amplitude des Eingangsstromes des den Wechselstrom des Resonanzkreises erzeugenden Stromrichters völlig getrennt und unabhängig voneinander erfolgen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Einstellung/Steuerung/Regelung des Arbeitspunktes des Resonanzkreises und die Einstellung/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 Resonanzkreis, während die Einstellung/Steuerung/Regelung der Größe der magnetischen Feldstärke mittels Einstellung/Steuerung/Regelung der Amplitude der Eingangsspannung des die Wechselspannung des Resonanzkreises erzeugenden Stromrichters (Spannungswechselrichter) 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.
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Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Einspeiseschaltung eines Resonanzkreises mit zugehöriger Steuer/Regeleinrichtung,
- 2 eine interessierende Impedanz/Frequenzkurve und Phasen/Frequenzkurve,
- 3 eine Einspeisung mit angeschlossener Wicklung,
- 4 eine Einspeiseschaltung mit Stromwechselrichter.
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In 1 ist eine Einspeiseschaltung eines Resonanzkreises mit zugehöriger Steuer/Regeleinrichtung dargestellt. Die Einspeiseschaltung setzt sich aus einer Amplitudeneinstelleinrichtung 1, einer Frequenzerzeugungseinrichtung 2 und einer Resonanzabgleicheinrichtung 3 zusammen. Eine zur Erzeugung eines Magnetfeldes dienende (in 3 dargestellte) Wicklung ist mit zwei Wicklungsanschlüssen 17 der Resonanzabgleicheinrichtung 3 verbunden. Eine Steuer/Regeleinrichtung 4 steuert/regelt Amplitudeneinstelleinrichtung 1, Frequenzerzeugungseinrichtung 2 und Resonanzabgleicheinrichtung 3.
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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 Halbleiterschaltern 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 Arbeitspunkt gemäß 2). Der gemeinsame Verbindungspunkt der Halbleiterschalter 8 sowie der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren 10 dienen zur Bildung von Wechselstromanschlüssen 11 der Frequenzerzeugungseinrichtung 2.
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Anstelle der beiden Kondensatoren 10 kann auch nur ein Kondensator eingesetzt werden - nach Masse geschaltet oder mit dem positiven Pol verbunden - da die Resonanzspannung für den/die Kondensator/en weitaus größer als die verwendete Brückenspannung am gemeinsamen Verbindungspunkt der Halbleiterschalter 8 ist.
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Zwischen dem ersten Wechselstromanschluß 11 und dem ersten Wicklungsanschluß 17 der Resonanzabgleicheinrichtung 3 liegt die Reihenschaltung zweier Resonanzkondensatoren 12, 13, wobei der Resonanzkondensator 13 bedarfsweise mit Hilfe eines Schalters 14 überbrückbar ist. Alternativ ist auch eine Kondensator-Parallelschaltung an Stelle der Kondensator-Reihenschaltung einsetzbar. Zwischen dem zweiten Wechselstromanschluß 11 und dem zweiten Wicklungsanschluß 17 der Resonanzabgleicheinrichtung 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 Resonanzabgleicheinrichtung 3 zumindest eine feinstufig, vorzugsweise stufenlos einstellbare Induktivität oder Kapazität aufweist, um derart die Phasenlage einstellen und nachregeln zu können.
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Die Steuer/Regeleinrichtung 4 weist einen Pulsweitenmodulator 18 auf, welcher eingangsseitig 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 Abhängigkeit der Differenz dieser beiden interessierenden Signale ansteuert. Das Signal der Sollwertvorgabe 19 repräsentiert dabei die Amplitude der einzustellenden Gleichspannung, welche geeignet ist, das von der Wicklung zu erzeugende Magnetfeld mit gewünschter Feldstärke zu produzieren.
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Eine weitere wichtige Baukomponente der Steuer- und Regeleinrichtung 4 ist ein Frequenzgenerator 20, welcher über eine Jitter-Vorgabe 21 die Ventilansteuerung 9 für die Halbleiterschalter 8 beaufschlagt, wodurch die Frequenz des aus den Resonanzkondensatoren 12, 13, der Wicklung (siehe Ziffer 28 in 3) und der einstellbaren Induktivität 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.
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Zur Ermittlung der aktuellen Phasenlage der von der Frequenzerzeugungseinrichtung 2 erzeugten Wechselspannung ist eine Phasenerfassung 23 vorgesehen, welcher eingangsseitig 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.
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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 induktiven/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 Induktivität 15 nicht mehr möglich ist. Durch den Bereichsumschalter 26 wird eine „Grobeinstellung“ (in Stufen) des induktiven/kapazitiven Verhältnisses im Resonanzkreis realisiert.
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In 2 sind eine interessierende Impedanz/Frequenzkurve und Phasen/Frequenzkurve 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 bestimmten Frequenzwert verschoben. Dies erfolgt insbesondere, um die Halbleiterschalter 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 Stromrichterlastimpedanz am Arbeitspunkt stellt die Filterverstärkung dar.
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Die Phasenkurve ist als gestrichelter Linienzug in 2 eingezeichnet. Die Differenz zwischen der Phasenlage bei Resonanzfrequenz und der Phasenlage bei eingestelltem Arbeitspunkt entspricht dem Phasenlage-Sollwert (siehe Sollwertvorgabe 24 für Phasenlage). Mittels der Resonanzabgleicheinrichtung 3 ist der Istwert der Phasenlage entsprechend diesem Sollwert einzustellen.
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In 3 ist eine Einspeisung mit angeschlossener Wicklung dargestellt. Es ist die Einspeiseschaltung 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 angeschlossen ist. Diese Wicklung 28 umschließt eine Maschine - insbesondere Fertigungsautomat - oder Anlage mit einer Vielzahl (bis zu einigen Hundert) von Sensoren - insbesondere Näherungssensoren - und/oder Aktoren 29.1...29.n (n = beliebige ganze positive Zahl).
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Die der Wicklung 28 zugeführte Schwingung liegt im mittelfrequenten Bereich, vorzugsweise 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, elektromagnetische Wellen werden aufgrund der im Vergleich zu den auftretenden Wellenlängen zu kleinen und deshalb als Antenne unwirksamen Wicklung 28 nicht abgestrahlt. Auch an unzugänglichen Stellen der Maschine oder Anlage tritt ein ausreichend starkes Magnetfeld auf.
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Jeder der Sensoren und/oder Aktoren 29.1 ...29.n weist mindestens eine zur Energieaufnahme aus dem erzeugten mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung auf, die zusammen mit mindestens einem kapazitivem Element einen sekundären Resonanzkreis mit auf den primärseitigen Resonanzkreis abgestimmter Resonanzfrequenz bildet. Durch magnetische Kopplung der Wicklung 28 und der Sekundärwicklungen 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 Kostenfaktor eines Kabelanschlusses. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.
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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 (online) der Phasenlage während des Betriebes in einfacher und effizienter Weise möglich.
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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 Frequenzerzeugungseinrichtung 2 ein Stromwechselrichter zu verwenden ist. In 4 ist hierzu die entsprechende Schaltung skizziert.
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Gezeigt ist eine Konfiguration Wechselstromanschlüsse 6', Amplitudeneinstelleinrichtung 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 Wicklungsanschluß 17'. Eine Steuer- und Regeleinrichtung 4' steuert die einstellbare Induktivität 15', den Schalter 14', die Amplitudeneinstelleinrichtung 1' und die Frequenzerzeugungseinrichtung 2' an. Die vorstehend aufgezeigten Alternativen betreffend Kondensator-Reihenschaltung 12'/13' oder feinstufig oder stufenlos einstellbare Kapazität an Stelle der stufenlos einstellbaren Induktivität sind auch für die Ausführungsform gemäß 4 gültig.
