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Die Erfindung betrifft eine elektronische Versorgungsschaltung für eine programmierbare Steuereinheit in mobilen Arbeitsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Als mobile Arbeitsmaschine werden Kranfahrzeuge, Müllfahrzeuge, Landmaschinen etc. verstanden, die größtenteils von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden.
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Programmierbare Steuereinheiten werden in der Automatisierungstechnik zur Prozesssteuerung oder zu Fertigungssteuerung vielfach eingesetzt. Neben Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) werden auch PC-basierte Steuerungen eingesetzt. Bei beiden Steuerungen muss beim Starten ein Computer-Programm geladen werden, das in einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) ausgeführt wird.
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Bei mobilen Arbeitsmaschinen steuern programmierbare Steuereinheiten z. B. die Bewegung von hydraulisch angetriebenen Lastarmen.
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An programmierbaren Steuereinheiten für mobile Arbeitsmaschinen werden erheblich höhere Anforderungen im Hinblick auf Umwelteinflüsse (Temperatur, Vibrationen etc.) gestellt als an stationär eingesetzte Steuereinheiten.
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Zur Versorgung dieser Steuerung steht deshalb auch keine Netzspannung sondern nur die Betriebsspannungen aus dem Bordnetz der mobilen Arbeitsmaschine zur Verfügung, die bei Kraftfahrzeugen typischerweise zwischen 12 Volt und 24 Volt liegt, in Ausnahmefällen aber auch zwischen 5 Volt und 32 Volt betragen kann. Weil programmierbare Steuerungen in der Regel mit 5 Volt arbeiten, ist ein Weitbereichs-Spannungswandler erforderlich, der aus den genannten Eingangsspannungen eine auf 5 Volt stabilisierte Spannung bereitstellt.
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Da bei Kraftfahrzeugen kurzfristige aber auch längere ungeplante Stromausfälle nicht auszuschließen sind, ist hier ein Speicherkondensator erforderlich, die kurzfristigen Stromausfälle überbrücken und bei längeren Stromausfällen ein geordnetes Beenden des Computer-Programms (Abschaltsequenz) und das Herunterfahren der Steuerung erlaubt.
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Das geordnete Herunterfahren des Computer-Programms ist notwendig um z. B. die aktuelle Position eines Kranauslegers von einem flüchtigen Speicher in einen Permanentspeicher zu übertragen, damit das Computer-Programm bei Neustart die aktuelle Position des Kranauslegers kennt.
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Ähnliches gilt für sicherheitsgerichtete Anwendungen, wo bei Stromausfall ein sicherer Zustand, wie das Schließen eines Ventils oder einer Klappe, oder auch das Zurückfahren eines Werkzeugs in eine sichere Position erforderlich ist.
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Die
DE 10 2006 051 588 A1 zeigt eine Schaltung zur Versorgung eines Verbrauchers im Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem Speicherkondensator, der bei Unterschreitung einer Schwellspannung Ladung an das Bordnetz abgibt. Darüber hinaus werden bestimmte Verbraucher bei Unterspannung abgeschaltet.
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Die
US 2005 0127 854 A1 offenbart eine Stromversorgung für einen sicherheitsrelevanten Aktuator mit einer Eingangsspannung von 24 Volt. Um bei Stromausfall noch ausreichend Energie zur Verfügung zu haben, wird ein Speicherkondensator auf 300 Volt aufgeladen. Die hohe Zwischenspannung ermöglicht die Verwendung eines Speicherkondensators mit geringerer Kapazität, jedoch wird die hohe Zwischenspannung als nachteilig angesehen.
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Aus der
DE 20 2013 102 618 U1 ist ein Weitbereichsnetzteil mit einem ersten und einem zweiten Glättungskondensator bekannt, bei dem der zweite Glättungskondensator eine erheblich größere Kapazität, aber eine geringere Spannungsfestigkeit aufweist, und erst bei Unterschreitung einer Schwellspannung zugeschaltet wird. Die Schaltung besitzt allerdings keine Energiereserve bei Ausfall der Versorgungspannung.
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Die
DE 10 2013 106 854 A1 zeigt eine elektronische Schaltung zur Stromversorgung für ein Airbag-System mit einem Speicherkondensator. Hier wird der maximale Einschaltstrom mit Hilfe einer geschalteten Induktivität begrenzt. Die Schaltung kann auch als Buck-Boost-Wandler arbeiten, um schwankende Eingangsspannungen auszugleichen.
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Nachteilig bei dem genannten Stand der Technik ist, dass entweder bei einem kleinen Speicherkondensator und geringer Einschaltverzögerung kurzfristige Stromausfälle überbrückt werden können aber keine ausreichende Energiereserve bei Ausfall des Bordnetzes vorhanden ist, oder bei einem großen Speicherkondensator zwar beide Störfälle abgesichert sind, aber die Einschaltverzögerung entsprechend groß ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Versorgungsschaltung für eine programmierbare Steuereinheit in mobilen Arbeitsmaschinen anzugeben, die eine schnelle Betriebsbereitschaft gewährleistet und die bei längeren Stromausfällen ein sicheres Herunterfahren der Steuereinheit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Anwendungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, zwei Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten einzusetzen, wobei der erste Kondensator mit kleiner Kapazität als Ladekondensator wirkt, was zur Überbrückung kurzer Stromausfälle ausreicht, und ein zweiter Kondensator mit hoher Kapazität als Speicherkondensator für ein kontrolliertes Herunterfahren der Steuereinheit bei längeren Stromausfällen ermöglicht.
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Beim Start der Steuerung wird zuerst nur der kleinere Kondensator aufgeladen, damit die Betriebsbereitschaft relativ schnell hergestellt ist, wobei unter Betriebsbereitschaft das Hochfahren der Steuerung und der Start von Programmen verstanden werden soll.
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Danach wird der bedeutend größere Speicherkondensator über einen Widerstand oder eine andere Stromquelle aufgeladen, so dass die Ladung des Speicherkondensators zeitgleich mit den genannten Programmabläufen erfolgt, so dass nicht nur die Steuerung eher gestartet, sondern auch die volle Betriebsbereitschaft einschließlich der Ladung des Speicherkondensators eher erreicht wird.
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Die Entladung des Speicherkondensators erfolgt bei Stromausfall über einen zweiten Strompfad, der höhere Ströme zulässt und mindestens einen Gleichrichter oder einen Schalter zur Verhinderung der Rückspeisung aufweist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromversorgung für eine mobile Arbeitsmaschine.
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Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie nicht nur aus typischen Bordnetzen von mobilen Arbeitsmaschinen zwischen 12 und 24 Volt versorgt werden, sondern auch Spannungen zwischen 5 und 32 Volt verarbeiten kann.
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Der erste Spannungswandler 1 ist deshalb als Buck-Boost Konverter ausgeführt. Er wandelt Bordspannungen zwischen 5 und 32 Volt eine feste Zwischenspannung U1 um. Sie kann beispielsweise 20 Volt, mindestens aber das Doppelte der Ausgangsspannung des zweiten Spannungswandlers 2 betragen. Der zweite Spannungswandler 2 arbeitet als Abwärtsregler und erzeugt eine stabile Ausgangsspannung U2 von beispielsweise 5 Volt. Eine hohe Spanungsdifferenz erlaubt kleine Speicherkondensatoren, weil die gespeicherte elektrische Energie der Beziehung W = 0,5·C·U2 folgt.
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Beim Einschalten der Steuerung wird der Kondensator 4 niederohmig über eine Diode 9 aufgeladen. Die Diode 9 verhindert die Strom-Rückspeisung in den Spannungswandler 1.
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Der Kondensator 4 hat typisch einige 10 µF und soll Spannungseinbrüche über die Zeit von einigen hundert Mikrosekunden überbrücken.
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Durch die schnelle Ladung des Kondensators 4 wird die Steuerung 10 schnell verfügbar, denn die eigentliche Versorgung des Systems erfolgt über den Spannungswandler 2, der wie bereits oben erwähnt, eine stabilisierte Gleichspannung von 5 Volt erzeugt.
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Nachdem die SPS 10 gestartet und betriebsfähig ist, gibt der Schalter 8 den Strompfad zur Ladung des Speicherkondensators 4 frei. Der Kondensator 4 ist mit einigen 1000 µF oder auch mehr deutlich größer dimensioniert als der Kondensator 3. In der Zeichnung ist ein zweiter Kondensator angedeutet. Der Widerstand 7 begrenzt den Ladestrom, um den Spanungswandler 1 nicht zu überlasten.
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Der Kondensator 4 dient dazu, die Steuerung 10 und die angeschlossen Verbraucher bei einem Spannungseinbruch oder Spannungsausfall über einen Zeitraum Δt von einigen 10 Millisekunden zu versorgen, so dass Zeit zur Sicherung von Betriebsdaten zur Verfügung steht. Das geschieht, wenn die Zwischenspannung U1 nicht mehr vom Spannungswandler 1 erzeugt werden kann. Der Spannungsmonitor 5 meldet das Absinken der Spannung über dem Speicherkondensator 4, so dass die Steuerung 10 eine Datensicherung und andere notwendige Maßnahmen durchführen kann. Natürlich ist der Speicherkondensator so zu dimensionieren, dass ausreichend Energie zur Verfügung steht.
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Mit dem Spannungsmonitor 5 kann die SPS 10 den Ladezustand des Kondensators 4 überwachen, und bei Erreichen einer ausreichenden Ladespannung von beispielsweise 80% von U1 die nunmehr volle Betriebsbereitschaft zur Datensicherung melden.
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Durch die bekannte Größe des Widerstands 7 und der Kapazität 4 kann durch Messung von Zeit und Spannung die im Kondensator 4 gespeicherte Energie berechnet werden. So kann die Steuerung 10 anhand der ermittelten Reserven entscheiden, wieviel Zeit Δt zur Datensicherung bleibt und welche Routinen sinnvollerweise ausgeführt werden können.
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Der Schalter 6 kann ein MOSFET, ein Bipolartransistor oder auch ein Relais sein. Der Speicherkondensator 4 kann ein Goldcap mit einer Kapazität von mehreren Farad sein.
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Das Meldesignal kann über einen Fensterkomparator oder ein Interface zur Steuerung 10 übertragen werden.
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Die speicherprogrammierte Steuerung (SPS) 10 enthält mindestens einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor. Sie ist oft mit einer weiteren übergeordneten Steuereinheit und diversen Aktoren und/oder Sensoren verbunden, die bei Unterspannung auch mit Hilfe der im Speicherkondensator 1 gespeicherten elektrischen Energie kontrolliert in den sicheren Zustand gebracht werden. Außerdem kann die oben erwähnte Datensicherung gestartet werden.
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Die Erfindung betrifft eine Versorgungsschaltung zur Versorgung einer programmierbaren Steuereinheit 10 in einer mobilen Arbeitsmaschine aus einer Bordspannung U0 zwischen 5 Volt und 32 Volt mit zwei in Serie geschalteten Spannungswandlern 1, 2, wobei der erste Spannungswandler 1 aus der Bordspannung U0 in eine Zwischenspannung U1 erzeugt, der zweite Spannungswandler 2 aus der Zwischenspannung U1 eine Versorgungsspannung U2 für die programmierbare Steuereinheit 10 erzeugt, mit zwei Kondensatoren 3, 4 zur Stabilisierung der Zwischenspannung U1, wobei der erste Kondensator 3 zur Überbrückung kurzzeitiger Spanungseinbrüche dient, wobei der zweite Kondensator 4 eine größere Kapazität als der erste aufweist und bei Stromausfall die Zwischenspannung U1 für eine Zeit Δt aufrecht erhält, welche die Ausführung einer Abschaltsequenz zur Beendigung von in der Steuereinheit 10 laufenden Steuerprogramme ermöglicht, wobei der zweite Kondensator 4 über zwei Strompfade mit dem Kondensator 3 verbunden ist, wobei der erste Strompfad zur Ladung des zweiten Kondensators 4 und der zweite Strompfad zu seiner Entladung dient, der zweite Kondensator 4 mit einem Spannungsmonitor 5 verbunden ist, der eine Überschreitung oder eine Unterschreitung einer vorgegebenen Spannung an die Steuereinheit 10 meldet und ggf. anzeigt oder auch ein Warnsignal erzeugt.
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Der erste Strompfad weist einen Widerstand 7 zur Strombegrenzung und einen Schalter 8 zur Unterbrechung des Strompfades auf. Der zur Entladung dienende zweite Strompfad weist eine Diode 6 mit geringer Flussspannung zur Bestimmung der Stromrichtung auf.
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Die Ausgangsspannung U1 des ersten Spannungsreglers 1 beträgt vorteilhaft mindestens das 4-fache der Ausgangsspannung U2 des zweiten Spannungsreglers 2.
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Die Kapazität des Speicherkondensators 4 sollte mindestens das 5-fache der Kapazität des Ladekondensators 3 betragen, um ausreichend Zeit zur Datensicherung zu haben.
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Die Unterspannungs- oder Bereitschaftssignale können zusätzlich angezeigt oder auch einer übergeordneten Steuereinheit zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung dient zur Stromversorgung und kann in einer mobilen Arbeitsmaschine oder in einer sicherheitsgerichteten programmierbaren Steuerung verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erster Spannungswandler Weitbereichs-Spannungswandler (step-up-step-down)
- 2
- Zweiter Spannungswandler, Abwärtswandler (step-down)
- 3
- Erster Kondensator, Ladekondensator, (Elektrolytkondensator)
- 4
- Zweiter Kondensator, Speicherkondensator, größer als 3, (Elko oder Goldcap)
- 5
- Spannungsmonitor (Digitalvoltmeter)
- 6
- Erste Diode, Richtungsdiode, vorteilhaft eine Schottky-Diode
- 7
- Widerstand, begrenzt den Ladestrom des Speicherkondensators 4
- 8
- Schalter zur Unterbrechung der Ladung des Energiespeichers 7
- 9
- Zweite Diode, Rückflusssperrdiode, vorteilhaft eine Schottky-Diode
- 10
- Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), Steuereinheit mit einem µC
- U0
- Bordspannung, Bordnetzspannung, Eingangsspannung, 5 Volt...32 Volt
- U1
- Erste Spannung, Zwischenspannung, 12...24 Volt, vorzugsweise 20 Volt
- U2
- Zweite Spannung, eigentliche Versorgungsspannung, vorzugsweise 5 Volt
- Δt
- Zeit zur Ausführung einer Abschaltsequenz für die Steuerung 10 (SPS)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006051588 A1 [0010]
- US 20050127854 A1 [0011]
- DE 202013102618 U1 [0012]
- DE 102013106854 A1 [0013]
