DE102020131819A1

DE102020131819A1 - Circuit arrangement and method for energy-optimized operation of electromagnetic drive systems

Info

Publication number: DE102020131819A1
Application number: DE102020131819.7A
Authority: DE
Inventors: Olaf LASKE; Burkhard Thron
Original assignee: Ptc Rail Services GmbH
Current assignee: Ptc Rail Services GmbH
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-02
Also published as: EP4009345A1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems umfasst eine Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung, eine Ansteuerstufe zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten des mechanischen Systems während eines Schaltvorgangs und einer Steuerschaltung zum Steuern der Ansteuerschaltung, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, einen eine Temperatur des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert zu setzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems.A circuit arrangement for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system comprises a control voltage source for generating a control voltage, a control stage for driving the electromagnetic drive system for shifting the mechanical system during a shifting operation, and a control circuit for controlling the drive circuit, the control circuit being designed as a to detect a first parameter indicating a temperature of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature and a second parameter indicating the control voltage and to set at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system using the first parameter and the second parameter. The invention also relates to a method for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement and a method for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung umfasst eine Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung, eine Ansteuerstufe zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten des mechanischen Systems während eines Schaltvorgangs und eine Steuerschaltung zum Steuern der Ansteuerschaltung.Such a circuit arrangement includes a control voltage source for generating a control voltage, a control stage for controlling the electromagnetic drive system for switching the mechanical system during a switching process, and a control circuit for controlling the control circuit.

Elektromagnetische Triebsysteme werden in der Elektrotechnik zur Kraftbeaufschlagung beweglicher mechanischer Bauteile eingesetzt. Elektromagnetische Triebsysteme sind beispielsweise Zug-, Hub- oder Schubmagnete, aber auch andere auf elektromagnetischer Basis arbeitende Bauteile. Anwendung finden elektromagnetische Triebsysteme beispielsweise in elektromechanischen Vorrichtungen wie Schützen, Schutzschaltern, Relais und Magnetventilen.Electromagnetic drive systems are used in electrical engineering to apply force to moving mechanical components. Electromagnetic drive systems are, for example, pulling, lifting or pushing magnets, but also other components that work on an electromagnetic basis. Electromagnetic drive systems are used, for example, in electromechanical devices such as contactors, circuit breakers, relays and solenoid valves.

Ein elektromagnetisches Triebsystem weist üblicherweise ein magnetisches System in Form einer Spule auf, die durch eine Steuerspannungsquelle erregt wird. Ein durch die Erregung der Spule induziertes Magnetfeld wirkt auf ein mechanisches System, z.B. einen Anker oder ein Hebelsystem, und beschleunigt dieses. Durch die Beschleunigung des mechanischen Systems wird die mechanische Wirkung des Triebsystems erreicht. Die mechanische Wirkung kann beispielsweise in dem Schließen eines Schalters oder dem Schließen eines Ventils bestehen.An electromagnetic drive system usually has a magnetic system in the form of a coil which is excited by a control voltage source. A magnetic field induced by exciting the coil acts on a mechanical system, e.g. an armature or a lever system, and accelerates it. The mechanical effect of the drive system is achieved by accelerating the mechanical system. The mechanical effect can consist, for example, in the closing of a switch or the closing of a valve.

Kraftverlauf und Schließgeschwindigkeit des mechanischen Systems sind von der Höhe der angelegten Spannung, der Temperatur sowie von den konstruktiven Gegebenheiten des Triebsystems abhängig. Eine direkte Beaufschlagung des Triebsystems mit der zur Verfügung stehenden Steuerspannung hat somit in der Regel den Nachteil, dass die eingespeiste Steuerspannung nicht dem erforderlichen Kraftverlauf des mechanischen Systems angepasst ist.The course of force and the closing speed of the mechanical system depend on the level of voltage applied, the temperature and the design of the drive system. Applying the available control voltage directly to the drive system therefore generally has the disadvantage that the control voltage fed in is not adapted to the required force profile of the mechanical system.

Zur Anpassung der Steuerspannung an die erforderliche Weg-Zeit-Charakeristik des Kraftverlaufs werden üblicherweise Vorschaltgeräte eingesetzt, die die Energieversorgung des Triebsystems so steuern, dass bei Betätigung des Triebsystems die Weg-Zeit-Charakteristik des Kraftverlaufs den Erfordernissen des mechanischen Systems entspricht.To adapt the control voltage to the required path-time characteristic of the force curve, ballasts are usually used that control the energy supply of the drive system in such a way that when the drive system is actuated, the path-time characteristic of the force curve corresponds to the requirements of the mechanical system.

Ein Vorschaltgerät taktet das Triebsystem direkt über einen oder mehrere elektronische Schalter. Nachteilig ist hierbei, dass die Steuerspannung so nur reduziert werden kann. Es gibt jedoch Einsatzfälle, beispielsweise Unterspannungssituationen, in denen eine Erhöhung der Steuerspannung erforderlich ist. Die direkte Taktung durch das Vorschaltgerät erzeugt ein Störspannungsspektrum, das sich negativ auf andere elektronische Bauteile auswirken kann. Die getaktete Betriebsweise führt zu einer Beaufschlagung mit steilen Spannungspulsen. Die Wicklungen elektromagnetischer Triebsysteme sind jedoch regelmäßig nur für den Gleichspannungsbetrieb oder einen niederfrequenten Wechselspannungsbetrieb ausgelegt, so dass es die getaktete Betriebsweise Schäden am Triebsystem verursachen kann.A ballast clocks the drive system directly via one or more electronic switches. The disadvantage here is that the control voltage can only be reduced in this way. However, there are applications, for example undervoltage situations, in which an increase in the control voltage is required. The direct clocking by the ballast generates an interference voltage spectrum that can have a negative impact on other electronic components. The clocked mode of operation leads to the application of steep voltage pulses. However, the windings of electromagnetic drive systems are regularly only designed for direct current operation or low-frequency alternating current operation, so that clocked operation can cause damage to the drive system.

In der WO 2017/093552 ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems und ein Verfahren zum Betrieb derselben offenbart, wobei das Triebsystem mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf gespeist wird. Die Schaltungsanordnung weist eine getaktete transformatorische Wandlerstufe und eine Steuerschaltung auf, wobei die Steuerschaltung die für den spezifischen Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems erforderliche Speisecharakteristik im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ohne gepulste Beaufschlagung des Triebsystems bereitstellt.In the WO 2017/093552 discloses, for example, a circuit arrangement for actuating an electromagnetic drive system and a method for operating the same, the drive system being fed with DC voltage with a temporal feed progression. The circuit arrangement has a clocked transformer-type converter stage and a control circuit, the control circuit providing the feed characteristics required for the specific operation of the electromagnetic drive system over the entire input voltage and temperature range without pulsed loading of the drive system.

Nachteilig hierbei ist, dass der eingespeiste Steuerstrom auf einer Zeitsteuerung basiert.The disadvantage here is that the control current that is fed in is based on a timing control.

Werden derartige Triebsysteme an elektrischen Spannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich betrieben, ergeben sich aus der zeitlichen Steuerung regelmäßig unnötige Wärmebelastungen der Triebsysteme. Dies führt zu einer thermisch bedingten Degradation der Isolierstoffe und somit zu einer reduzierten Lebensdauer des Triebsystems. Die Taktung der möglichen Einschaltungen wird darüber hinaus nachteilig begrenzt.If drive systems of this type are operated on electrical voltage sources with a wide voltage range, unnecessary heat loads on the drive systems regularly result from the time control. This leads to a thermally induced degradation of the insulating materials and thus to a reduced service life of the drive system. The clocking of the possible activations is also disadvantageously limited.

Besondere Anforderungen bestehen beispielsweise für elektromagnetische Triebsysteme, beispielsweise Zugmagnete, von Batterieschutzschaltern, insbesondere in Batteriemanagementsystemen von Schienenfahrzeugen wie sie in DE 10 2018 109 594 offenbart und die oftmals für den Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind. Diese müssen über einen weiten Spannungsbereich und einen weiten Temperaturbereich, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, einen sicheren Anzug gewährleisten. Im Gegensatz zu Schützen besteht bei Schutzschaltern dieser Art ein zeitlich stark ansteigender Kraftbedarf.There are special requirements, for example, for electromagnetic drive systems, such as train magnets, battery circuit breakers, especially in battery management systems of rail vehicles such as those in DE 10 2018 109 594 disclosed and which are often designed for short-term operation. These must ensure safe tightening over a wide voltage range and a wide temperature range, especially at low temperatures. In contrast to contactors, the power requirement for circuit breakers of this type increases sharply over time.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb elektromagnetischer Triebsysteme zur Verfügung zu stellen, die einen sicheren, mechanisch schonenden und energieoptimierten Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ermöglichen, ohne dass eine wesentliche Störaussendung verursacht wird. Insbesondere soll die sichere Auslösung solcher Triebsysteme gewährleistet sein, die einen zeitlich stark ansteigenden Kraftverlauf aufweisen und für eine Tieftemperaturanwendung vorgesehen sind.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement and a method for operating electromagnetic drive systems that enable safe, mechanically gentle and energy-optimized operation of the electromagnetic drive system in the entire input voltage and temperature range without causing significant interference emissions. In particular, the reliable triggering of such drive systems should be ensured that have a force curve that increases sharply over time and are intended for use at low temperatures.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by an object with the features of claim 1.

Demnach ist die Steuerschaltung ausgebildet, einen eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert zu setzen.Accordingly, the control circuit is designed to detect a first characteristic value indicating a temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ϑ _a and a second characteristic value indicative of the control voltage U _B and to use at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system based on the first characteristic value and the to set the second parameter.

Die Ansteuerung erfolgt somit spezifisch in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert. Der Ansteuerparameter wird in Abhängigkeit von dem eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts und dem die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwert bestimmt. Insbesondere wird der Absteuerparameter in Abhängigkeit von ersten und zweiten Kennwert so gewählt, dass eine sichere Auslösung, insbesondere ein sicherer Anzug, des elektromagnetischen Triebsystems gewährleistet ist.The control is thus specifically dependent on the first and second characteristic value. The control parameter is determined as a function of the first characteristic value, which indicates a temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature θ _{a ,} and the second characteristic value, which indicates the control voltage U _B . In particular, the deactivation parameter is selected as a function of the first and second characteristic value in such a way that reliable triggering, in particular reliable tightening, of the electromagnetic drive system is ensured.

Durch die individuelle, der vorliegenden Temperatur und Steuerspannung angepassten Wahl des Ansteuerparameters, wird ein energieoptimierter Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems ermöglicht. Insbesondere für Triebsysteme, die auch bei tiefen Temperaturen zum Einsatz kommen und mit Steuerspannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich betrieben werden, lässt sich somit der Energiebedarf reduzieren und die mögliche Einschalthäufigkeit erhöhen. Unnötige Wärmebelastungen des Triebsystems werden durch die angepasste Einschaltdauer vermieden, wodurch sich die Lebensdauer des Triebsystems und seiner Komponenten erhöht.Energy-optimized operation of the electromagnetic drive system is made possible by individually selecting the control parameters that are adapted to the prevailing temperature and control voltage. In particular for drive systems that are also used at low temperatures and are operated with control voltage sources with a wide voltage range, the energy requirement can be reduced and the possible switch-on frequency increased. Unnecessary thermal loads on the drive system are avoided by the adapted duty cycle, which increases the service life of the drive system and its components.

Das elektromagnetische Triebsystem ist beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Anker als mechanisches System. Das elektromagnetische Triebsystem ist insbesondere ein Zugmagnet. In einer Ausgestaltung ist das elektromagnetischen Triebsystem, insbesondere der Zugmagnet, in einem Schutzschalter, beispielsweise einem Schutzschalter eines Batteriemanagementsystems, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, angeordnet.The electromagnetic drive system is, for example, an electromagnet with an armature as a mechanical system. The electromagnetic drive system is in particular a traction magnet. In one embodiment, the electromagnetic drive system, in particular the traction magnet, is arranged in a circuit breaker, for example a circuit breaker of a battery management system, in particular of a rail vehicle.

Die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems ist beispielsweise die Temperatur des magnetischen Systems des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere die in den Wicklungen einer Spule des magnetischen Systems vorliegende Temperatur.The temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system is, for example, the temperature of the magnetic system of the electromagnetic drive system, in particular the temperature present in the windings of a coil of the magnetic system.

Die Umgebungstemperatur ϑ_a ist beispielsweise die Temperatur in einer Umgebung des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere des magnetischen Systems des Triebsystems. Beispielsweise ist die Umgebungstemperatur ϑ_a die in einer dem elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere dem magnetischen Systems des Triebsystems, vor- oder nachgesschalteten elektrischen Komponente auftretende Temperatur.The ambient temperature θ _a is, for example, the temperature in an area surrounding the electromagnetic drive system, in particular the magnetic system of the drive system. For example, the ambient temperature ϑ _a is the temperature occurring in an electrical component connected upstream or downstream of the electromagnetic drive system, in particular the magnetic system of the drive system.

Die Steuerspannung U_B ist in einer Ausgestaltung die von einer Batterie, insbesondere einer Batterie eines Schienenfahrzeugs, zur Verfügung gestellte Betriebsspannung.In one embodiment, the control voltage U _B is the operating voltage provided by a battery, in particular a battery of a rail vehicle.

Insbesondere weist die Steuerschatung eine Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts auf. Die Spannungserfassungschaltung weist bevorzugt ein Eingangsfilter auf.In particular, the control circuit has a voltage detection circuit for detecting the second characteristic value indicative of the control voltage U _B . The voltage detection circuit preferably has an input filter.

In einer Ausgestaltung ist die Ansteuerstufe ausgebildet, das Triebsystem durch Anlegen der Steuerspannung U_B zum Schalten des mechanischen Systems zu bestromen. Insbesondere erfolgt eine Beaufschlagung des magnetischen Systems der elektromagnetischen Triebsystems mit der Steuerspannung U_B. Die Ansteuerstufe ist beispielsweise mit der Steuerspannungsquelle zur Erzeugung der Steuerspannung U_B, insbesondere der Batterie eines Schienenfahrzeugs, verbunden.In one embodiment, the control stage is designed to energize the drive system by applying the control voltage U _B to switch the mechanical system. In particular, the control voltage U _B is applied to the magnetic system of the electromagnetic drive system. The control stage is connected, for example, to the control voltage source for generating the control voltage U _B , in particular to the battery of a rail vehicle.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung ausgebildet, als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer Δt_n zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zu setzen. Die Einschaltdauer Δt_n ist die Zeitspanne, während der die Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere des magnetischen Systems des Triebsystems, mit einer Spannung, insbesondere der Steuerspannung U_B, erfolgt.According to one embodiment, the control circuit is designed to set a switch-on time Δt _n as a control parameter for controlling the electromagnetic drive system. The duty cycle Δt _n is the time period during which the electromagnetic drive system, in particular the magnetic system of the drive system, is acted upon by a voltage, in particular the control voltage U _B .

Die Einschaltdauer Δt_n wird gemäß dieser Ausgestaltung in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert, somit insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Steuerspannung U_B gewählt. Während bei einer Zeitsteuerung für die Beaufschlagung des Triebsystems die maximale Zeitdauer gewählt werden muss, die notwendig ist, um eine sichere Auslösung, beispielsweise einen sicheren Anzug, des Triebsystems im gesamten Temperatur- und Steuerspannungsbereich zu gewährleisten, ermöglicht die Schaltungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung eine Anpassung der Einschaltdauer Δt_n an den Energiebedarf des Triebsystems bei gegebener, erfasster Temperatur ϑ_c bzw. ϑ_a und Steuerspannung U_B. Die so bestimmte Einschaltdauer Δt_n ist immer kürzer oder gleich der maximalen Zeitdauer, die für eine Zeitsteuerung verwendet werden muss. Die Einschaltdauer Δt_n ist beispielsweise die minimale Zeitdauer, die notwendig ist, um eine sichere Auslösung, insbesondere einen sicheren Anzug, des Triebsystems zu gewährleisten. In einer Ausgestaltung umfasst die Einschaltdauer Δt_n ein Sicherheitsintervall ts.According to this embodiment, the duty cycle Δt _n is selected as a function of the first and second characteristic value, thus in particular as a function of the temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or the ambient temperature θ _a and the control voltage U _B . While in the case of a time control for the loading of the drive system, the maximum length of time must be selected which is necessary to ensure reliable triggering, for example reliable tightening, of the drive system in the entire temperature and control voltage range, the circuit arrangement allows, according to one embodiment, an adaptation of the duty cycle Δt _n to the energy requirement of the drive system for a given, recorded temperature ϑ _c or ϑ _a and control voltage U _B . The switch-on time Δt _n determined in this way is always shorter than or equal to the maximum time period that must be used for time control. The switch-on time Δt _n is, for example, the minimum length of time that is necessary to ensure reliable triggering, in particular reliable tightening, of the drive system. In one embodiment, the duty cycle Δt _n includes a safety interval ts.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerschaltung eine Verknüpfungsschaltung auf, wobei die Verknüpfungsschaltung den Ansteuerparameter anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt. Insbesondere wird der Ansteuerparameter in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert so gewählt, dass die sichere Auslösung, insbesonder der sichere Anzug, des elektromagnetischen Triebsystems gewährleistet ist. Das Kennlinienfeld weist insbesondere eine Charakteristik auf, die den Zeitpunkt der Auslösung, insbesondere des sicheren Anzugs, des Triebsystems kennzeichnet.According to one embodiment of the invention, the control circuit has a logic circuit, the logic circuit setting the control parameter using a family of characteristics as a function of the first characteristic value and the second characteristic value. In particular, the control parameter is selected as a function of the first and second characteristic value in such a way that reliable triggering, in particular reliable tightening, of the electromagnetic drive system is ensured. The family of characteristics has, in particular, a characteristic that characterizes the point in time at which the drive system is triggered, in particular when it is started safely.

Das Kennlinienfeld beschreibt beispielsweise den zeitlichen Verlauf der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a einerseits und der Steuerspannung U_B andererseits. Als Kennlinienfeld kann auch der zeitliche Verlauf des Stroms I_ZM am elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a einerseits und der Steuerspannung U_B andererseits verwendet werden.The family of characteristics describes, for example, the time course of the voltage U _ZM on the electromagnetic drive system as a function of the temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ϑ _a on the one hand and the control voltage U _B on the other. The time profile of the current I _ZM in the electromagnetic drive system as a function of the temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ϑ _a on the one hand and the control voltage U _B on the other hand can also be used as a family of characteristics.

Durch Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems mit einer Steuerspannung entsteht am elektrischen Triebsystem eine Spannung U_ZM und ein Strom I_ZM. Der zeitliche Verlauf der Spannung U_ZM am bzw. des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem ist von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems bzw. der Umgebungstemperatur ϑ_a und der angelegten Steuerspannung U_B abhängig. Die Spannung U_ZM am bzw. der Strom I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur ϑ_c bzw. ϑ_a und Steuerspannung U_B definiert ein dreidimensionales Kennlinienfeld. Für eine bestimmte, erfasste Temperatur ϑ_c bzw. ϑ_a und eine bestimmte, erfasste Steuerspannung U_B ist die Spannung U_ZM am bzw. der Strom I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem eine Funktion der Zeit.By applying a control voltage to the electromagnetic drive system, a voltage U _ZM and a current I _ZM are produced in the electrical drive system. The time profile of the voltage U _ZM am or of the current I _ZM in the electromagnetic drive system depends on the temperature θ _c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature θ _a and the applied control voltage U _B . The voltage U _ZM am or the current I _ZM in the electromagnetic drive system as a function of time, temperature ϑ _c or ϑ _a and control voltage U _B defines a three-dimensional family of characteristics. For a specific, recorded temperature θ _c or θ _a and a specific, recorded control voltage U _B , the voltage U _ZM am or the current I _ZM in the electromagnetic drive system is a function of time.

Das elektromagnetische Triebsystem löst aus, wenn die Anzugkraft des elektromagnetischen Triebsystems erreicht wird. Der der Anzugkraft entsprechende Wert der Spannung U_ZM am Triebsystem bzw. der der Anzugskraft entsprechende Wert des Stroms I_ZM ist der Anzugswert. In einer Ausgestaltung ist die Einschaltdauer Δt_n der dem Anzugswert auf einer durch die erfasste Temperatur und die erfasste Steuerspannung definierten Kennlinie zugeordnete Zeitwert.The electromagnetic drive system is triggered when the attraction force of the electromagnetic drive system is reached. The value of the voltage U _ZM at the drive system corresponding to the attraction force or the value of the current I _ZM corresponding to the attraction force is the attraction value. In one embodiment, the duty cycle Δt _n is the time value assigned to the pull-in value on a characteristic curve defined by the detected temperature and the detected control voltage.

In einer Ausgestaltung der Erfindung gibt die Verknüpfungsschaltung ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer Δt_n aus. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Steuerschaltung eine Sollwertaufbereitungsstufe zur Erzeugung einer angepassten Spannung U_tSoll zur Weiterleitung an die Ansteuerstufe auf, wobei der Sollwertaufbereitungsstufe das in der Verknüpfungsschaltung erzeugte Spannungsäquivalent zugeleitet wird.In one embodiment of the invention, the logic circuit outputs a voltage equivalent of the on-time Δt _n . According to one embodiment, the control circuit has a setpoint processing stage for generating an adjusted voltage U _tSoll for forwarding to the drive stage, with the setpoint processing stage being fed the voltage equivalent generated in the logic circuit.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Temperaturerfassungsschaltung mit der Verknüpfungsschaltung verbunden und weist einen Temperatursensor zum Messen des eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts auf. Der Temperatursensor ermöglicht die Bestimmung des die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a kennzeichnenden ersten Kennwerts. Der Temperatursensor ist mit dem elektromagnetischen Triebsystem verbunden und weist beispielsweise einen Heißleiter, insbesondere einen NTC-Widerstand (negative temperature coefficient thermistor, NTC), auf. Somit ist eine direkte Erfassung des die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts durch den Widerstand des Heißleiters, insbesondere des NTC-Widerstands, möglich.In one embodiment of the invention, a temperature detection circuit is connected to the logic circuit and has a temperature sensor for measuring the first characteristic value indicating a temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature θ _a . The temperature sensor makes it possible to determine the first characteristic value characterizing the temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature θ _a . The temperature sensor is connected to the electromagnetic drive system and has, for example, a thermistor, in particular an NTC resistor (negative temperature coefficient thermistor, NTC). Thus, a direct detection of the first characteristic value indicating the temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature θ _a is possible through the resistance of the thermistor, in particular the NTC resistor.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung angeordnet, wobei die Temperaturerfassungsschaltung eine Schaltung zur Berechnung des eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts anhand eines elektrischen Widerstands des elektromagnetischen Triebsystems aufweist. Somit kann auf einen Temperatursensor verzichtet werden. Dies minimiert etwaige Störsignale oder sonstige mit dem Temperatursensor verbundene Fehlerquellen sowie zeitliche Verzögerungen. Der die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigende erste Kennwert wird durch die Verknüpfungsschaltung direkt bestimmmt.According to an alternative embodiment, a temperature detection circuit is arranged in the logic circuit, the temperature detection circuit having a circuit for calculating the first characteristic value indicating a temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature θ _a using an electrical resistance of the electromagnetic drive system. A temperature sensor can thus be dispensed with. This minimizes any interference signals or other sources of error associated with the temperature sensor len and time delays. The temperature θ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature θ _a indicating the first characteristic value is determined directly by the logic circuit.

Beispielsweise erfolgt die Berechnung unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands des Materials des magnetischen Systems des Triebsystems, insbesondere des Materials der Wicklungen des magnetischen Systems. Insbesondere erfolgt die Berechnung des ersten Kennwerts unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands von Kupfer.For example, the calculation is carried out taking into account the specific resistance of the material of the magnetic system of the drive system, in particular the material of the windings of the magnetic system. In particular, the first parameter is calculated taking into account the specific resistance of copper.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Temperaturerfassungsschaltung einen Riemannintegrator zur Integration der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem und des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem auf. Der Riemannintegrator weist in einer Ausgestaltung einen Analogschalter in Zweifachausführung auf, dem der im elektromagnetischen Triebsystem anliegende Strom und die am elektromagnetischen Triebsystem anliegende Spannung zugeführt werden. Der Analogschalter ist mit einer monostabilen Kippstufe verbunden. Die monostabile Kippstufe gibt das Integrationsintervall vor. Weiterhin weist der Riemannintegrator beispielsweise einen als Divisor betriebenen Operationsverstärker und eine nachgeschaltete Multiplikatorstufe zur Bildung des Quotienten aus Spannung und Strom auf.According to one embodiment of the invention, the temperature detection circuit has a Riemann integrator for integrating the voltage U _ZM on the electromagnetic drive system and the current I _ZM in the electromagnetic drive system. In one embodiment, the Riemann integrator has an analog switch in duplicate, to which the current present in the electromagnetic drive system and the voltage present in the electromagnetic drive system are supplied. The analog switch is connected to a monostable multivibrator. The monostable multivibrator specifies the integration interval. Furthermore, the Riemann integrator has, for example, an operational amplifier operated as a divisor and a downstream multiplier stage for forming the quotient of voltage and current.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Sollwertaufbereitungsstufe eine Abtast-Halte-Schaltung auf. Die Sollwertaufbereitung weist beispielsweise weiter einen Negator auf. Der Negator verbindet die monostabile Kippstufe des Riemannintegrators mit dem Steuereingang der Abtast-Halte-Schaltung. Der Abtast-Halte-Schaltung ist in einer Ausgestaltung ein Spannungsteiler nachgeschaltet. Der Spannungsteiler leitet ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer der Ansteuerstufe zu.According to one embodiment of the invention, the setpoint processing stage has a sample-and-hold circuit. The setpoint processing also has a negator, for example. The negator connects the monostable multivibrator of the Riemann integrator to the control input of the sample and hold circuit. In one embodiment, a voltage divider is connected downstream of the sample-and-hold circuit. The voltage divider feeds a voltage equivalent to the duty cycle of the control stage.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Ansteuerstufe eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung) mit einer monostabiler Kippstufe auf, wobei ein Steuereingang der monostabilen Kippstufe mit der Steuerschaltung verbunden ist und ein Ausgang der monostabilen Kippstufe mit der Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist. Die monostabile Kippstufe stellt somit eine Einschaltzeitbegrenzung dar. Die Pulsdauer der PWM-Schaltung wird mittels der monostabilen Kippstufe durch die von der Steuerschaltung ausgegebenen Spannung bestimmt und entspricht der Einschaltdauer Δt_n.According to a further embodiment, the control stage has a pulse width modulation circuit (PWM circuit) with a monostable multivibrator, a control input of the monostable multivibrator being connected to the control circuit and an output of the monostable multivibrator being connected to the pulse width modulation circuit. The monostable multivibrator thus represents a switch-on time limitation. The pulse duration of the PWM circuit is determined by the monostable multivibrator by the voltage output by the control circuit and corresponds to the switch-on time Δt _n .

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Leistungsstufe auf und die Ansteuerstufe eine Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe auf.According to one embodiment of the invention, the circuit arrangement has a power stage and the drive stage has a driver circuit for driving the power stage.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuerschaltung und die Pulsweitenmodulationsschaltung als Microcontrollerschaltung ausgeführt. Dies ermöglicht eine kompakte Umsetzung sowie einen schnellen und kompakten Einbau der Schaltungsanordnung mit geringem Verdrahtungsaufwand. Insbesondere sind die Schaltungsteile Spannungserfassungsschaltung, Riemannintegrator, Abtast-Halte-Schaltung und PWM-Schaltung mit monostabiler Kippstufe als Microcontrollerschaltung ausgeführt.According to one embodiment of the invention, the control circuit and the pulse width modulation circuit are designed as a microcontroller circuit. This enables a compact implementation and a quick and compact installation of the circuit arrangement with little wiring effort. In particular, the circuit parts of the voltage detection circuit, Riemann integrator, sample-and-hold circuit and PWM circuit with a monostable multivibrator are designed as a microcontroller circuit.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Steuerschaltung, die Pulsweitenmodulationsschaltung und die Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) oder in einem Hybridschaltkreis angeordnet. Insbesondere sind die Schaltungsteile Spannungserfassungsschaltung, Riemannintegrator, Abtast-Halte-Schaltung, PWM-Schaltung mit monostabiler Kippstufe und die Treiberschlatung der Leistungsstufe in einer ASIC oder in einem Hybridschaltkreis vereint.According to a further embodiment, the control circuit, the pulse width modulation circuit and the driver circuit for controlling the power stage are arranged in an application-specific integrated circuit (ASIC) or in a hybrid circuit. In particular, the circuit parts voltage detection circuit, Riemann integrator, sample-and-hold circuit, PWM circuit with monostable multivibrator and the driver circuit of the power stage are combined in an ASIC or in a hybrid circuit.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Leistungsstufe einen Ausgangsgleichrichter, insbesondere mit Glättung, auf. Somit wird das elektromagnetische Triebsystem mit Gleichspannung beaufschlagt. Die Leistungsstufe weist in einer Ausgestaltung einen Leistungstransistor und einen Übertrager auf.According to one configuration, the power stage has an output rectifier, in particular with smoothing. Thus, the electromagnetic drive system is supplied with DC voltage. In one configuration, the power stage has a power transistor and a transformer.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren nach Anspruch 16 zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.The subject matter of the invention is also a method according to claim 16 for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system with a circuit arrangement according to one of claims 1 to 15.

Demnach wird durch die Steuerschaltung ein eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigender erster Kennwert und ein die Steuerspannung U_B anzeigender zweiter Kennwert erfasst und durch die Steuerschaltung zumindest ein Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert gesetzt.Accordingly, the control circuit detects a first characteristic value indicating a temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ϑ _a and a second characteristic value indicative of the control voltage U _B , and the control circuit uses the first characteristic value and at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system of the second parameter is set.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt die Vorteile der Schaltungsanordnung auf Verfahrensebene um. Insbesondere wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem ein elektromagnetisches Triebsystem energieoptimiert betrieben wird.The method according to the invention implements the advantages of the circuit arrangement at the method level. In particular, a method is made available with which an electromagnetic drive system is operated in an energy-optimized manner.

Gemäß einer Ausgestaltung wird das Triebsystem durch Anlegen der Steuerspannung U_B zum Schalten des mechanischen Systems durch die Ansteuerstufe bestromt.According to one embodiment, the drive system is energized by the control stage by applying the control voltage U _B for switching the mechanical system.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Steuerschaltung als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer Δt_n zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems gesetzt.According to one embodiment of the invention, the control circuit sets a duty cycle Δt _n as a control parameter for controlling the electromagnetic drive system.

Dabei wird die Einschaltdauer Δt_n insbesondere so gewählt, dass eine Auslösung des Triebsystems, insbesondere der Anzugswert, innerhalb der Einschaltdauer Δt_n erreicht wird. Der Anzugswert ist abhängig von der Temperatur des Triebsystems ϑ_c bzw. der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Steuerspannung U_B. Die Einschaltdauer Δt_n wird bevorzugt minimal gewählt. Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb. Bevorzugt weist die Einschaltdauer Δt_n ein Sicherheitsintervall ts auf. Das Sicherheitsintervall ts stellt eine zuverlässige Auslösung des Triebsystems innerhalb der Mess- und Schaltungstoleranzen sicher.In this case, the duty cycle Δt _n is selected in particular such that the drive system is triggered, in particular the pull-in value, within the duty cycle Δt _n . The tightening value depends on the temperature of the drive system ϑ _c or the ambient temperature ϑ _a and the control voltage U _B . The duty cycle Δt _n is preferably chosen to be minimal. This enables energy-optimized operation. The duty cycle Δt _n preferably has a safety interval ts. The safety interval ts ensures reliable triggering of the drive system within the measurement and switching tolerances.

Gemäß einer Ausgestaltung wird die Einschaltdauer Δt_n unter Berücksichtigung eines Endlagenkriteriums mittels des dreidimensionalen Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am oder des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem als Funktion der Steuerspannung U_B, der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Zeit bestimmt.According to one embodiment, the duty cycle Δt _n is calculated taking into account an end position criterion using the three-dimensional family of characteristics of the voltage U _ZM am or the current I _ZM in the electromagnetic drive system as a function of the control voltage U _B , the temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ϑ _a and the time determined.

Bevorzugt ist der Anzugswert durch ein Endlagenkriterium des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_ZM am oder des Stroms I_ZM im Triebsystem bei einer bestimmten, erfassten Temperatur ϑ_c des Triebsystems bzw. einer bestimmten, erfassten Umgebungstemperatur ϑ_a des Triebsystems und einer bestimmten, erfassten Steuerspannung U_B definiert. Bevorzugt ist der Anzugswert durch eine Spannungsspitze des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_ZM am Triebsystem definiert. Der Anzugswert kann auch durch einen Stromeinbruch des zeitlichen Verlaufs des Stroms I_ZM im Triebsystem definiert werden.The tightening value is preferably determined by an end position criterion of the time profile of the voltage U _ZM am or the current I _ZM in the drive system at a specific, recorded temperature θ _c of the drive system or a specific, recorded ambient temperature θ _a of the drive system and a specific, recorded control voltage U _B defined. The tightening value is preferably defined by a voltage peak of the time profile of the voltage U _ZM on the drive system. The pull-in value can also be defined by a current drop in the course of the current I _ZM over time in the drive system.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

1 ein Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem bei festgehaltener Steuerspannung U_B als Funktion der Zeit t für verschiedene Werte der Umgebungstemperatur ϑ_a;
2 ein Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am und des Stroms I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem bei festgehaltener Umgebungstemperatur ϑ_a als Funktion der Zeit t für verschiedene Werte der Steuerspannung U_B;
3 ein Prinzipalschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
4 ein Prinzipalschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung; und
5 eine schematische Darstellung der Bestimmung des Widerstands R_ZM des elektromagnetischen Triebsystems.

The idea on which the invention is based is to be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 a family of characteristics of the voltage U _ZM on the electromagnetic drive system with a fixed control voltage U _B as a function of time t for different values of the ambient temperature ϑ _a ;
2 a family of characteristics of the voltage U _ZM am and the current I _ZM in the electromagnetic drive system at a fixed ambient temperature ϑ _a as a function of time t for different values of the control voltage U _B ;
3 a basic circuit diagram of the circuit arrangement according to an embodiment of the invention;
4 a basic circuit diagram of the circuit arrangement according to a further embodiment of the invention; and
5 a schematic representation of the determination of the resistance R _ZM of the electromagnetic drive system.

1 zeigt das Kennlinienfeld der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem 41 bei festgehaltener Steuerspannung U_B als Funktion der Zeit t. Die Spannung U_ZM des elektromagnetischen Triebsystems 41 hängt von der Steuerspannung U_B, der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 bzw. der Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 und der seit dem Einschaltmoment to verstrichenen Zeitdauer ab. Im folgenden ist der Nullpunkt als Einschaltmoment gewählt: t₀=0. Dieses dreidimensionale Kennlinienfeld ist zur Veranschaulichung als zwei-dimensionales Kennlinienfeld für eine festgehaltene Steuerspannung U_B in 1 und als zweidimensionales Kennlinienfeld für eine festgehaltene Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems in 2 dargestellt. 1 shows the family of characteristics of the voltage U _ZM at the electromagnetic drive system 41 with fixed control voltage U _B as a function of time t. The voltage U _ZM of the electromagnetic drive system 41 depends on the control voltage U _B , the temperature θ _c of the electromagnetic drive system 41 or the ambient temperature θ _a of the electromagnetic drive system 41 and the time that has elapsed since the switch-on moment to. In the following, the zero point is selected as the switch-on moment: t ₀ =0. This three-dimensional family of characteristics is illustrated as a two-dimensional family of characteristics for a fixed control voltage U _B in 1 and as a two-dimensional family of characteristics for a fixed ambient temperature ϑ _a of the electromagnetic drive system in 2 shown.

Das elektromagnetischen Triebsystem 41 weist ein Magnetsystem, insbesondere eine Spule mit Kern, und ein mechanisches System 6, insbesondere einen Anker, auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Triebsystem 41 ein Zugmagnet 41. Der Zugmagnet 41 wird mit einer Steuerspannung U_B beaufschlagt. Dabei ist to der Zeitpunkt des Einschaltens der Steuerspannung U_B. Die Beaufschlagung mit der Steuerspannung U_B führt zu einem Anstieg der Spannung U_ZM am Zugmagneten 41. Die magnetische Kraft auf den Anker nimmt zu. Beim Endanschlag des Ankers des Zugmagneten 41 kommt es zu einer Spannungsspitze Z.The electromagnetic drive system 41 has a magnet system, in particular a coil with a core, and a mechanical system 6, in particular an armature. In the illustrated embodiment, the electromagnetic drive system 41 is a traction magnet 41. The traction magnet 41 is supplied with a control voltage U _B . In this case, to is the time at which the control voltage U _B is switched on. The application of the control voltage U _B leads to an increase in the voltage U _ZM at the pulling magnet 41. The magnetic force on the armature increases. At the end stop of the armature of the pull magnet 41, a voltage peak Z occurs.

Im vorliegenden Diagramm ist der Verlauf der Spannung U_ZM am Zugmagneten 41 für drei verschiedene Umgebungstemperaturwerte gezeigt: die maximale Umgebungstemperatur ϑ_amax, die Nenntemperatur ϑ_aNenn und die minimale Umgebungstemperatur ϑ_amin. Der Endanschlag des Ankers muss über den gesamten Funktionstemperaturbereich von ϑ_a=ϑ_amin bis ϑ_a=ϑ_amax gewährleistet sein.In the present diagram, the course of the voltage U _ZM at the pulling magnet 41 is shown for three different ambient temperature values: the maximum ambient temperature θ _amax , the nominal temperature θ _anom and the minimum ambient temperature θ _amin . The end stop of the armature must be guaranteed over the entire functional temperature range from ϑ _a =ϑ _amin to ϑ _a =ϑ _amax .

Der zeitliche Verlauf der Spannung U_ZM weist im Zeitpunkt des Anschlags T_Anschl ein Maximum auf. Die Anschlagszeit T_Anschl ist bei festgehaltener Steuerspannung U_B eine Funktion der Umgebungstemperatur ϑ_a. Je niedriger die Umgebungstemperatur ϑ_a, desto größer die Anschlagszeit T_Anschl: es wird mehr Zeit benötigt, um dem Zugmagneten 41 die zur Auslösung notwendige Energie zuzuführen. Ursache hierfür sind die veränderten magnetischen Eigenschaften des Zugmagneten 41 und die erhöhte Gleitreibung des Ankers des Zugmagneten 41 bei geringerer Temperatur ϑ_a.The time profile of the voltage U _ZM has a maximum at the time of the stop T _Anschl . With fixed control voltage U _B , attack time T _Anschl is a function of ambient temperature ϑ _a . The lower the ambient temperature θ _a , the greater the attack time T _Anschl : more time is required to supply the pulling magnet 41 with the energy required for triggering. The reasons for this are the changed magnetic properties of the pulling magnet 41 and the increased sliding friction of the armature of the pulling magnet 41 at a lower temperature ϑ _a .

Das Ende des Anschlagvorgangs t_n ist mit dem Abfallen der Flanke der Spannungsspitze Z erreicht. Dabei bezeichnet t₁ das Ende des Anschlagvorgangs bei maximaler Umgebungstemperatur ϑ_amax, t₂ das Ende des Anschlagvorgangs bei Nenntemperatur ϑ_aNenn und t₃ das Ende des Anschlagsvorgangs bei minimaler Umgebungstemperatur ϑ_amin. Dabei ist das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t₁ kleiner als das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t₂, das wiederum kleiner als das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t₃ ist. Je niedriger die Umgebungstemperatur ϑ_a desto größer die Zeitdauer t_n bis zum Ende des Anschlagvorgangs.The end of the impact process t _n is reached when the edge of the voltage peak Z falls. Here, t ₁ denotes the end of the impact process at maximum ambient temperature ϑ _amax , t ₂ the end of the impact process at nominal temperature ϑ _anom and t ₃ the end of the impact process at minimum ambient temperature ϑ _amin . The time interval from switch-on moment to to the end of the striking process t ₁ is smaller than the time interval from switch-on moment to to the end of the striking process t ₂ , which in turn is smaller than the time interval from switch-on moment to to the end of the striking process t ₃ . The lower the ambient temperature ϑ _{a ,} the greater the time t _n until the end of the impact process.

Das Ende des Anschlagvorgangs und das damit einhergehende Abfallen der Flanke der Spannungsspitze Z stellen ein Endlagenkriterium für das Erreichen der Endlage des Zugmagneten 41 dar. Die Einschaltdauer Δt_n wird durch das Endlagenkriterium bestimmt. Bevorzugt wird eine Sicherheitsintervall ts zum Zeitpunkt t_n des Endes des Anschlagvorgangs addiert. Das resultierende Zeitintervall t_n+t_s ist die Einschaltdauer Δt_n= t_n+t_s. Die Einschaltdauer Δt ist die Zeitdauer, die der Zugmagnet 41 mit der Steuerspannung U_B bei der Umgebungstemperatur ϑ_a beaufschlagt werden muss, damit das Erreichen der Endlage sichergestellt ist.The end of the impact process and the accompanying drop in the edge of the voltage peak Z represent an end position criterion for reaching the end position of the pulling magnet 41. The duty cycle Δt _n is determined by the end position criterion. A safety interval ts is preferably added at the time t _n of the end of the striking process. The resulting time interval t _n +t _s is the duty cycle Δt _n = t _n +t _s . The switch-on time Δt is the length of time that the tension magnet 41 must be supplied with the control voltage U _B at the ambient temperature ϑ _a in order to ensure that the end position is reached.

Wäre die Umgebungstemperatur ϑ_a nicht bekannt, müsste die Beaufschlagung mit der Steuerspannung U_B mindestens für die Zeitdauer t₃+t_s erfolgen, um das Erreichen der Endlage über den gesamten Temperaturbereich zwischen minimaler und maximaler Umgebungstemperatur ϑ_amin bis ϑ_amax zu gewährleisten. Durch die Bestimmung der Einschaltdauer Δt_n in Abhängigkeit sowohl von der Steuerspannung U_B als auch der Umgebungstemperatur ϑ_a wird die Beaufschlagungszeit verringert.If the ambient temperature ϑ _a were not known, the control voltage U _B would have to be applied for at least the period t ₃ +t _s in order to ensure that the end position was reached over the entire temperature range between the minimum and maximum ambient temperature ϑ _amin to ϑ _amax . The exposure time is reduced by determining the duty cycle Δt _n as a function of both the control voltage U _B and the ambient temperature θ _a .

Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb des Triebsystems 41 auch für Tieftemperaturanwendungen, wie beispielsweise Batterieschutzschalter von Schienenfahrzeugen, deren erforderlicher Funktionstemperaturbereich zwischen -60°C und 85°C liegt.This enables energy-optimized operation of the drive system 41 even for low-temperature applications, such as battery circuit breakers in rail vehicles, for which the required functional temperature range is between -60.degree. C. and 85.degree.

2 zeigt das Kennlinienfeld der Spannung U_ZM und des Stroms I_ZM des elektromagnetischen Triebsystems 41 bei festgehaltener Umgebungstemperatur O_a als Funktion der Zeit t in Abhängigkeit von der Steuerspannung U_B. 2 shows the family of characteristics of the voltage U _ZM and the current I _ZM of the electromagnetic drive system 41 at a fixed ambient temperature O _a as a function of time t as a function of the control voltage U _B .

Der zeitliche Verlauf der Spannung U_ZM am Triebsystem 41 ist für drei verschiedene Steuerspannungen U_B dargestellt: die maximale Steuerspannung U_Bmax, die Nennspannung U_BNenn und die minimale Steuerspannung U_Bmin. Das sichere Erreichen der Endlage muss über den gesamten Steuerspannungsbereich von U_B=U_Bmin bis U_B=U_Bmax gewährleistet sein.The time profile of the voltage U _ZM on the drive system 41 is shown for three different control voltages U _B : the maximum control voltage U _Bmax , the nominal voltage U _Bnom and the minimum control voltage U _Bmin . It must be ensured that the end position is safely reached over the entire control voltage range from U _B =U _Bmin to U _B =U _Bmax .

Je größer die Steuerspannung U_B, desto schneller wird die Endlage erreicht. Die Endlage ist durch eine Spannungsspitze Z gekennzeichnet. Die Einschaltdauer Δt_n ergibt sich aus der Zeit t_n, zu der die Flanke der Spannungsspitze Z abgefallen ist, zuzüglich eines Sicherheitsintervalls ts.The greater the control voltage U _B , the faster the end position is reached. The end position is marked by a voltage peak Z. The duty cycle Δt _n results from the time t _n at which the flank of the voltage peak Z has fallen, plus a safety interval ts.

Wäre der Wert der Steuerspannung U_B nicht bekannt, müsste als Zeitdauer der Beaufschlagung des Zugmagneten 41 die längste Zeitdauer gewählt werden, d.h. die Zeitdauer t₃+t_s, die für eine Beaufschlagung mit der minimalen Steuerspannung U_Bmin zum Erreichen der Endlage notwendig ist.If the value of the control voltage U _B were not known, the longest period of time would have to be selected as the duration of the loading of the pulling magnet 41, ie the duration t ₃ +t _s that is necessary for the loading of the minimum control voltage U _Bmin to reach the end position.

Die Bestimmung der Einschaltdauer Δt_n in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ϑ_a und der Steuerspannung U_B ermöglicht eine Verringerung der Dauer der Beaufschlagung des Triebsystems 41. Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb des Triebsystems 41, insbesondere für Steuerspannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich, wie beispielsweise für Batterieschutzschalter von Schienenfahrzeugen, bei denen der sichere Anzug in einem weiten Spannungsbereich von 65V bis 150V gewährleistet sein muss, wobei die Nennsteuerspannung der Batterie 110V beträgt.Determining the duty cycle Δt _n as a function of the ambient temperature ϑ _a and the control voltage U _B allows the duration of the loading of the drive system 41 to be reduced. This enables energy-optimized operation of the drive system 41, in particular for control voltage sources with a wide voltage range, such as for battery circuit breakers of rail vehicles, where safe operation must be guaranteed in a wide voltage range from 65V to 150V, with the nominal control voltage of the battery being 110V.

In 3 ist ein Prinzipalschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.In 3 a basic circuit diagram of a circuit arrangement for operating an electromagnetic drive system 41 according to an embodiment of the invention is shown.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Triebsystem 41 ein Zugmagnet eines Batterieschutzschalters, bevorzugt eines Batteriemanagementsystems in einem Schienenfahrzeug, beispielsweise ein Batterieschutzschalter des Typs BMR-437-01-V-S0-07-110-200A.In the exemplary embodiment shown, the electromagnetic drive system 41 is a pull magnet of a battery circuit breaker, preferably a battery management system in a rail vehicle, for example a battery circuit breaker of the type BMR-437-01-V-S0-07-110-200A.

Das elektromagnetische Triebsystem 41 weist ein thermisch abhängiges Anzugverhalten auf. Das Anzugverhalten ist in 1 und 2 qualitativ dargestellt. Das Anzugverhalten ist von der Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41, der Steuerspannung U_B und der Beaufschlagungsdauer abhängig. Anstelle der Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 kann auch die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 als Referenzwert verwandt werden.The electromagnetic drive system 41 has a thermally dependent pull-in behavior. Suit behavior is in 1 and 2 presented qualitatively. The tightening behavior depends on the ambient temperature ϑ _a of the electromagnetic drive system 41, the control voltage U _B and the duration of the application. Instead of the ambient temperature θ _a of the electromagnetic drive system 41, the temperature θ _c of the electromagnetic drive system 41 can also be used as a reference value.

Für einen Batterieschutzschalter, insbesondere eines Batteriemanagementsystems eines Schienenfahrzeugs, muss der sichere Anzug des elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere des Zugmagneten, in einem weiten Spannungsbereich U_B von U_Bmin=65V bis U_Bmax=150V sichergestellt sein. Die Nennbatteriespannung U_BNenn beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel U_BNenn=110V. Der erforderliche Funktionstemperaturbereich beträgt -60°C bis 85°C. Das heisst, der sichere Anzug muss im gesamten Intervall von ϑ_amin=-60°C bis ϑ_amax=85°C gewährleistet sein.For a battery circuit breaker, in particular a battery management system of a rail vehicle, the safe attraction of the electromagnetic drive system 41, in particular the traction magnet, must be ensured in a wide voltage range U _B from U _Bmin =65V to U _Bmax =150V be posed In the exemplary embodiment shown, the nominal battery voltage U _Bnom is U _Bnom =110V. The required operating temperature range is -60°C to 85°C. This means that safe tightening must be guaranteed over the entire interval from ϑ _amin =-60°C to ϑ _amax =85°C.

Ein einfaches elektromagnetisches Triebsystem 41 ohne Vorschaltgerät kann einen sicheren Anzug in einem solch weiten Steuerspannungsbereich U_B nicht gewährleisten. Auch ist der sichere Anzug bei tiefen Temperaturen ϑ_a ohne Vorschaltgerät nicht gewährleistet. Bei tiefen Temperaturen ϑ_a verändert sich das Magnetsystem des elektromagnetischen Triebsystems 41, so dass längere Beaufschlagungszeiten notwendig werden, um den sicheren Anzug zu gewährleisten. Beispielsweise verändern sich die magnetischen Eigenschaften und die Gleiteigenschaften des Ankers. Dem Magnetsystem muss bei tieferen Temperaturen ϑ_a mehr Energie zugeführt werden, um den Anzug auszulösen.A simple electromagnetic drive system 41 without a ballast cannot guarantee reliable tightening in such a wide control voltage range U _B . Safe tightening at low temperatures ϑ _a is also not guaranteed without a ballast. At low temperatures ϑ _a , the magnet system of the electromagnetic drive system 41 changes, so that longer loading times are necessary to ensure reliable tightening. For example, the magnetic properties and the sliding properties of the armature change. At lower temperatures ϑa _, more energy must be supplied to the magnet system in order to trigger the attraction.

Zur Gewährleistung des sicheren Anzugs auch bei tiefen Temperaturen ϑ_a und bei einem weiten Steuerspannungsbereich U_B ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen. Diese Schaltungsanordnung stellt sicher, dass sowohl bei tiefen Temperaturen ϑ_a, 1, als auch bei niedriger Steuerspannung U_B, 2, der Anzug gewährleistet ist, d.h. genügend Zeit zur Verfügung steht, um die notwendige Energie zuzuführen.A circuit arrangement is provided to ensure reliable tightening even at low temperatures ϑ _a and with a wide control voltage range U _B . This circuit arrangement ensures that both at low temperatures ϑ _a , 1 , as well as with low control voltage U _B , 2 , the tightening is guaranteed, ie sufficient time is available to supply the necessary energy.

Die Schaltungsanordnung weist deshalb eine Steuerschaltung 1 auf, die der Ansteuerstufe 2 zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems 41 anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert setzt. Der erste Kennwert zeigt eine Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder eine Umgebungstemperatur ϑ_a an. Der zweite Kennwert zeigt die Steuerspannung U_B an. Insbesondere umfasst der zumindest eine Ansteuerparameter die Einschaltdauer Δt_n. Die Steuerschaltung 1 und die Ansteuerstufe 2 werden mittels einer Stromversorgung 5 mit einer Steuerstromversorgungsspannung Us, vorliegend mit Us=15VDC, gespeist. Die Stromversorgung 5 ist durch einen schnellen Aufbau der Steuerstromversorgungsspannung Us gekennzeichnet.The circuit arrangement therefore has a control circuit 1, which sets the control stage 2 at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system 41 using the first characteristic value and the second characteristic value. The first parameter indicates a temperature θ _c of the electromagnetic drive system 41 and/or an ambient temperature θ _a . The second characteristic shows the control voltage U _B . In particular, the at least one control parameter includes the duty cycle Δt _n . The control circuit 1 and the drive stage 2 are fed by means of a power supply 5 with a control power supply voltage Us, in this case Us=15VDC. The power supply 5 is characterized by a rapid build-up of the control power supply voltage Us.

Die Schaltungsanordnung weist eine Temperaturfassungsschaltung zur Erfassung des die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑ_a anzeigenden ersten Kennwerts auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Temperaturerfassungsschaltung einen Temperatursensor 42, bevorzugt einen Heissleiter oder NTC-Widerstand. Der Temperatursensor 42 ist mit dem elektromagnetischen Triebsystem 41, insbesondere der Spule des Zugmagneten 41, thermisch gekoppelt.The circuit arrangement has a temperature detection circuit for detecting the first characteristic value indicating the temperature θ _c of the electromagnetic drive system 41 and/or the ambient temperature θ _a . In the illustrated embodiment, the temperature detection circuit includes a temperature sensor 42, preferably a thermistor or NTC resistor. The temperature sensor 42 is thermally coupled to the electromagnetic drive system 41, in particular the coil of the pulling magnet 41.

Des weiteren weist die Steuerschaltung 1 eine Spannungserfassungsschaltung 11 zur Erfassung des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts auf. Die Spannungserfassungsschaltung 11 erfasst beispielsweise die eingehende Steuerspannung U_B über ein Eingangsfilter.Furthermore, the control circuit 1 has a voltage detection circuit 11 for detecting the second characteristic value indicative of the control voltage U _B . The voltage detection circuit 11 detects, for example, the incoming control voltage U _B via an input filter.

Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Verknüpfungsschaltung 12 zur Verknüpfung des ersten Kennwertes und des zweiten Kennwertes auf, wobei die Verknüpfungsschaltung 12 den Ansteuerparameter, insbesondere die Einschaltdauer Δt_n, anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist einen ersten und einen zweiten Eingang auf, wobei der erste Eingang mit einem Ausgang der Spannungserfassungschaltung 11 verbunden ist und wobei der zweite Eingang mit einem Ausgang der Temperaturerfassungsschaltung, insbesondere dem Temperatursensor 42, verbunden ist.The circuit arrangement also has a logic circuit 12 for combining the first characteristic value and the second characteristic value, the logic circuit 12 setting the control parameter, in particular the duty cycle Δt _n , using a family of characteristics as a function of the first characteristic value and the second characteristic value. The logic circuit 12 has a first and a second input, the first input being connected to an output of the voltage detection circuit 11 and the second input being connected to an output of the temperature detection circuit, in particular the temperature sensor 42 .

Die Verknüpfungsschaltung 12 bestimmt die Einschaltdauer Δt_n unter Berücksichtigung des Kennlinienfelds des zeitlichen Verlaufs der Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem 41 in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑ_a einerseits und der Steuerspannung U_B andererseits. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist einen Ausgang zur Ausgabe eines Spannungsäquivalents der so bestimmten Einschaltdauer Δt_n auf.The logic circuit 12 determines the duty cycle Δt _n taking into account the family of characteristics of the time profile of the voltage U _ZM on the electromagnetic drive system 41 as a function of the temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ϑ _a on the one hand and the control voltage U _B on the other hand. The logic circuit 12 has an output for outputting a voltage equivalent of the duty cycle Δt _n determined in this way.

Die Steuerschaltung 1 weist außerdem eine Sollwertaufbereitung 13 zur Erzeugung einer angepassten Spannung U_tSoll auf. Ein Eingang der Sollwertaufbereitung 13 ist mit der Verknüpfungsschaltung 12 verbunden. Die Sollwertaufbereitung 13 erzeugt die angepasste Spannung U_tSoll aus dem von der Verknüpfungsschaltung 12 empfangenen Spannungsäquivalent der Einschaltdauer Δt_n.The control circuit 1 also has a reference processing 13 for generating an adjusted voltage U _tSoll . An input of setpoint processing 13 is connected to logic circuit 12 . The setpoint preparation 13 generates the adjusted voltage U _tSoll from the voltage equivalent of the duty cycle Δt _n received from the logic circuit 12 .

Die Steuerschaltung 1 ist mit der Ansteuerstufe 2 verbunden und stellt dieser den Ansteuerparameter, d.h. insbesondere die unter Berücksichtigung des die Temperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑ_c anzeigenden ersten Kennwerts und des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwerts bestimmte Einschaltdauer Δt_n, bereit.The control circuit 1 is connected to the control stage 2 and provides it with the control parameter, i.e. in particular the duty cycle determined taking into account the temperature ϑ _a of the electromagnetic drive system 41 and/or the ambient temperature ϑ _c and the second characteristic value indicating the control voltage U _B Δt _n , ready.

Die Steuerschaltung 1 leitet der Ansteuerstufe 2 die in der Sollwertaufbereitung 13 erzeugte angepasste Spannung U_tSoll zu.The control circuit 1 forwards the adjusted voltage U _tSoll generated in the setpoint preparation 13 to the drive stage 2 .

Dargestellt ist eine Ansteuerstufe 2 mit PWM-Schaltung 21 und einer Treiberschaltung 22 für eine nachgeschaltete Leistungsstufe 3. Die PWM-Schaltung 21 weist eine monostabile Kippstufe 211 auf, mittels derer die in der Sollwertaufbereitung 13 erzeugte angepasste Spannung U_tSoll in ein Einschaltintervall t_soll der PWM-Schaltung 21 umgewandelt wird. Die Impulse der PWM-Schaltung werden über die Treiberschaltung 22 der Leistungsstufe 3 zugeleitet, so dass das elektromagnetische Triebsystem 41 beaufschlagt wird.A control stage 2 is shown with a PWM circuit 21 and a driver circuit 22 for a downstream power stage 3. The PWM circuit 21 has a monostable multivibrator 211, by means of which the adjusted voltage U _tSoll generated in the setpoint processing 13 is switched _to a switch-on interval t nom der PWM circuit 21 is converted. The pulses of the PWM circuit are fed to the power stage 3 via the driver circuit 22, so that the electromagnetic drive system 41 is acted upon.

Die Leistungsstufe 3 weist einen Ausgangsgleichrichter 33 mit Glättung auf, so dass die Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems 41 mit Gleichspannung erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Leistungsstufe 3 einen Leistungstransistor 31 und einen Übertrager 32 auf.The power stage 3 has an output rectifier 33 with smoothing, so that direct voltage is applied to the electromagnetic drive system 41 . In the exemplary embodiment shown, the power stage 3 has a power transistor 31 and a transformer 32 .

Durch die Speisung des elektromagnetischen Triebsystems 41 mit einer Gleichspannung wird die Störaussendung, insbesondere bei längeren Verbindungsleitungen zwischen der Schaltungsanordnung und dem elektromagnetischen Triebsystems 41, verringert.By feeding the electromagnetic drive system 41 with a DC voltage, the emission of interference, in particular with longer connecting lines between the circuit arrangement and the electromagnetic drive system 41, is reduced.

Die Schaltungsanordnung ist ferner mit einer Stromregelung ausgestattet. Über den Shuntwiderstand R_sh wird der Hauptstrom im Leistungskreis 3 erfasst und der Spannungserfassungsschaltung 11 zugeführt.The circuit arrangement is also equipped with a current control. The main current in the power circuit 3 is detected via the shunt resistor R _sh and fed to the voltage detection circuit 11 .

Somit wird eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere eines Zugmagneten 41 eines Batterieschutzschalters, zur Verfügung gestellt, die einen energieoptimierten Betrieb ermöglicht.A circuit arrangement for operating an electromagnetic drive system 41, in particular a pulling magnet 41 of a battery circuit breaker, is thus made available, which enables energy-optimized operation.

In 4 ist ein Prinzipalschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere eines Zugmagneten 41 eines Batterieschutzschalters, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.In 4 is a basic circuit diagram of a circuit arrangement for operating an electromagnetic drive system 41, in particular a pull magnet 41 of a battery circuit breaker, according to a further embodiment of the invention.

Gemäß der dargestellten Ausgestaltung ist eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung 12 angeordnet, insbesondere erfolgen Verknüpfung und Temperaturerfassung in einer Schaltung. Die Temperaturerfassungsschaltung bestimmt den die Temperatur ϑ_c des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑ_a des elektromagnetischen Triebsystems 41 anzeigenden ersten Kennwert mittels eines analogen Berechnungsverfahrens und verknüpft diesen mit dem mittels der Spannungserfassungsschaltung 11 erfassten die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten Kennwert.According to the embodiment shown, a temperature detection circuit is arranged in the logic circuit 12, in particular the logic and temperature detection take place in one circuit. The temperature detection circuit determines the temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system 41 and/or the ambient temperature ϑ _a of the electromagnetic drive system 41 indicative of the first characteristic value by means of an analog calculation method and links this with the second characteristic value indicative of the control voltage U _B detected by means of the voltage detection circuit 11.

In der dargestellten Ausführungsform werden die Spannung U_ZM am elektromagnetischen Triebsystem 4 und der Strom I_ZM im elektromagnetischen Triebsystem 41 über die Erfassungsschaltung 11 erfasst. Die Erfassungsschaltung 11 weist ein Eingangsfilter für U_B und die am Shuntwiderstand R_sh abfallende Spannung U_Rsh auf. Bevorzugt ist das Eingangsfilter auf 500Hz eingestellt. Die Erfassungsschaltung 11 weist eine Einheit 111 zur Potentialtrennung, insbesondere einen Optokoppler z.B. des Typs CNY17-4, auf, dem die Spannung U_ZM zugeführt wird. Die Filterung von U_ZM und I_ZM bzw. U_Rsh erfolgt beispielsweise mit einem Filter des Typs LMC 6482.In the embodiment shown, the voltage U _ZM on the electromagnetic drive system 4 and the current I _ZM in the electromagnetic drive system 41 are detected via the detection circuit 11 . The detection circuit 11 has an input filter for U _B and the voltage U _Rsh dropping across the shunt resistor R _sh . The input filter is preferably set to 500Hz. The detection circuit 11 has a unit 111 for potential isolation, in particular an optocoupler, for example of the CNY17-4 type, to which the voltage U _ZM is supplied. U _ZM and I _ZM or U _Rsh are filtered, for example, with an LMC 6482 filter.

Die Ausgangssignale der Erfassungschaltung 11, insbesondere des Eingangsfilters, werden der Verknüpfungsschaltung 12 zugeführt. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist in der dargestellten Ausführungsform einen Riemannintegrator auf. Im Riemannintegrator werden die Spannung U_ZM am Zugmagneten 41 und der Strom I_ZM im Zugmagneten 41 für ein Integrationsintervall t_R gemessen und eine äquivalente Spannung durch Quotientenbildung aus U_ZM und I_ZM bzw. U_RSH gebildet. Das Integrationsintervall t_R wird durch einen Analogschalter 121 in Zweifachausführung, der durch eine monostabile Kippstufe 122 angesteuert wird, definiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Analogschalter 121 beispielsweise vom Typ MAX 320 MJA und die monostabile Kippstufe vom Typ NE 555 FE. Das Stromsignal I_ZM bzw. U_Rsh wird über einen Widerstand R₁, beispielsweise R₁=10kΩ, einem Operationsverstärker 123 für die Division zugeführt. Der Operationsverstärker 123 ist beispielsweise vom Typ AD 711. In der Multiplikatorstufe 124 wird das Produkt aus Spannungssignal U_ZM und inversem Strom 1/I_ZM, d.h. der Quotient aus Spannung U_ZM und Strom I_ZM gebildet.The output signals of the detection circuit 11, in particular of the input filter, are fed to the logic circuit 12. FIG. In the embodiment shown, the logic circuit 12 has a Riemann integrator. In the Riemann integrator, the voltage U _ZM at the pulling magnet 41 and the current I _ZM in the pulling magnet 41 are measured for an integration interval t _R and an equivalent voltage is formed by forming the quotient of U _ZM and I _ZM or U _RSH . The integration interval t _R is defined by an analog switch 121 in duplicate, which is controlled by a monostable multivibrator 122 . In the illustrated embodiment, for example, the analog switch 121 is of the MAX 320 MJA type and the monostable is of the NE 555 FE type. The current signal I _ZM or U _Rsh is fed via a resistor R ₁ , for example R ₁ =10 kΩ, to an operational amplifier 123 for the division. The operational amplifier 123 is, for example, of the AD 711 type. In the multiplier stage 124, the product of the voltage signal U _ZM and the inverse current 1/I _ZM , ie the quotient of the voltage U _ZM and the current I _ZM , is formed.

Das Integrationsintervall t_R ist dabei sehr viel kleiner gewählt als die minimale Einschaltdauer Δt_min=t_min+t_s. Hierdurch wird sichergestellt, dass die minimale Einschaltdauer Δt_min=t_min+t_s durch die Erzeugung des Spannungsäquivalents bzw. der angepassten Spannung U_tSoll zur Ansteuerung der Ansteuerstufe 2, insbesondere der PWM-Schaltung 21, nicht beeinflusst wird.The integration interval t _R is chosen to be much smaller than the minimum switch-on time Δt _min =t _min +t _s . This ensures that the minimum duty cycle Δt _min =t _min +t _s is not influenced by the generation of the voltage equivalent or the adjusted voltage U _tSoll for driving the drive stage 2 , in particular the PWM circuit 21 .

Der Quotient wird der Sollwertaufbereitung 13 zugeleitet. Die Sollwertaufbereitung 13 weist einen Abtast-Halte-Schaltkreis 132 auf. Der Abtast-Halte-Schaltkreis 132 wird über die monostabile Kippstufe 122 als Zeitgeber geschaltet. Dazu wird das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 122 einem Negator 131 zugeleitet, der mit dem Steuereingang des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 wird durch einen Spannungsteiler mit Widerständen R₃, R₄ mit dem In2 verknüpft.The quotient is sent to setpoint processing 13 . The setpoint processing 13 has a sample-and-hold circuit 132 . The sample and hold circuit 132 is switched via the monostable multivibrator 122 as a timer. For this purpose, the output signal of the monostable multivibrator 122 is fed to an inverter 131, which is connected to the control input of the sample-and-hold circuit 132. The output of the sample and hold circuit 132 is represented by a span voltage divider with resistors R ₃ , R ₄ linked to the In2.

Für kleine t_R, d.h. kurz nach dem Einschaltmoment to=0, steigen sowohl Spannung U_ZM als auch Strom I_ZM am Zugmagneten 41 exponentiell an, siehe 5. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Spannungs- bzw. Stromkennlinie U_ZM, I_ZM im Kleinsignalbereich kann das Riemannintegral mit dem Logarithmus von 2, In2≈0,693, verknüpft werden. Die Spule des Zugmagneten 41 ist aus einer Kupferleitung gewickelt. Der Widerstand des Zugmagneten R_ZM lässt sich somit unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands von Kupfer, gegeben für die entsprechende Temperatur, bestimmen zu: R_ZM=[U_ZM/I_ZM]·In2.For small t _R , ie shortly after the switch-on moment to=0, both the voltage U _ZM and the current I _ZM at the pulling magnet 41 increase exponentially, see FIG 5 . Due to the exponential character of the voltage or current characteristic U _ZM , I _ZM in the small-signal range, the Riemann integral can be linked to the logarithm of 2, In2≈0.693. The coil of the pulling magnet 41 is wound from copper wire. The resistance of the pulling magnet R _ZM can thus be determined, taking into account the specific resistance of copper, given for the corresponding temperature: R _ZM =[U _ZM /I _ZM ]*In2.

Die Ausgangsspannung des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 liegt, je nach errechnetem Wert, zwischen 0 und 10VDC, so dass durch das Spannungsteilerverhältnis R₃/R₄ die ausgegebene angepasste Spannung U_tSoll quasi normiert hergeleitet wird.Depending on the calculated value, the output voltage of the sample-and-hold circuit 132 is between 0 and 10 VDC, so that the adjusted voltage U _tSoll that is output is derived in a quasi-normalized manner through the voltage divider ratio R ₃ /R ₄ .

Die so erzeugte angepasste Spannung U_tSoll gelangt auf den Eingang 211 zur Zeitsteuerung der PWM-Schaltung 21. Mit der Vorsteuerung durch U_B, welche über den Eingang 212 an die PWM-Schaltung 21 gelangt, bestimmt die angepasste Spannung U_tSoll die Einschaltdauer Δt_n entsprechend der in 1 bzw. 2 dargestellten Kennlinienfelder.The adjusted voltage U _tSoll generated in this way reaches the input 211 for timing control of the PWM circuit 21. With the pre-control by U _B , which reaches the PWM circuit 21 via the input 212, the adjusted voltage U _{tSoll determines} the duty cycle Δt _n according to the in 1 or. 2 illustrated characteristic curves.

Die Impulse der PWM-Schaltung 21 werden über die Treiberschaltung 22 der Leistungsstufe 3 zugeleitet, so dass der Zugmagnet 41 beaufschlagt wird.The pulses of the PWM circuit 21 are fed to the power stage 3 via the driver circuit 22, so that the pull magnet 41 is acted upon.

Die Steuerschaltung 1 sowie die Ansteuerstufe 2 werden durch die Stromversorgung 5 mit 15VDC gespeist. Die Stromversorgung 5 ist durch einen schnellen Aufbau der Versorgungsspannung Us im Einschaltmoment to gekennzeichnet.The control circuit 1 and the drive stage 2 are fed by the power supply 5 with 15VDC. The power supply 5 is characterized by a rapid build-up of the supply voltage Us at the moment to.

BezugszeichenlisteReference List

11: Steuerschaltungcontrol circuit
1111: Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung des die Steuerspannung U_B anzeigenden zweiten KennwertsVoltage detection circuit for detecting the second characteristic value indicative of the control voltage U _B
111111: Potentialtrennung mit OptokopplerPotential separation with optocoupler
112112: Eingangsfilterinput filter
1212: Verknüpfungsschaltung zur Verknüpfung Steuerspannung U_B und Temperatur ϑ_a, ϑ_c Linking circuit for linking control voltage U _B and temperature ϑ _a , ϑ _c
121121: Analogschalter in ZweifachausführungDual analog switch
122122: monostabile Kippstufe (Monoflop)monostable multivibrator (monoflop)
123123: Operationsverstärkerstufe für DivisionOp-amp stage for division
124124: Multiplikatorstufemultiplier level
1313: Sollwertaufbereitungsetpoint processing
131131: Negatornegator
132132: Abstast-und-Halte-Schaltkreissample and hold circuit
22: Ansteuerstufecontrol stage
2121: Pulsweitenmodulations-Schaltung mit monostabiler KippstufePulse width modulation circuit with monostable multivibrator
211211: Eingang für Einschaltdauer ΔtInput for duty cycle Δt
212212: Eingang für Vorsteuerung durch Steuerspannung U_B Input for pre-control by control voltage U _B
213213: Eingang für StromregelungCurrent control input
2222: Treiberschaltung für LeistungsstufePower stage driver circuit
33: Leistungsstufepower level
3131: Leistungstransistorpower transistor
3232: Übertrager T1Transformer T1
3333: Ausgangsgleichrichtung mit GlättungOutput rectification with smoothing
4141: elektromagnetisches Triebsystemelectromagnetic drive system
4242: Temperatursensortemperature sensor
55: Steuerstromversorgungcontrol power supply
66: mechanisches Systemmechanical system
USU.S: Steuerstromversorgungsspannungcontrol power supply voltage
UBUB: Steuerspannung, Batteriespannungcontrol voltage, battery voltage
UZMUZM: Spannung am elektromagnetischen TriebsystemVoltage on the electromagnetic drive system
IZMIZM: Strom im elektromagnetischen TriebsystemCurrent in the electromagnetic drive system
RshRsh: Shuntwiderstand (0,1Ω), induktivitätsarmShunt resistor (0.1Ω), low inductance
R1R1: Widerstand (10kΩ)Resistance (10kΩ)
R2R2: Widerstand (10kΩ)Resistance (10kΩ)
R3R3: Widerstand (3,61kΩ)Resistance (3.61kΩ)
R4R4: Widerstand (6,39kΩ)Resistance (6.39kΩ)
MBMB: Minuspotential des Hauptstromsnegative potential of the main current
tt: Zeittime
t0t0: Einschaltzeitpunktswitch-on time
tRtR: Integrationsintervallintegration interval
tntn: Zeitpunkt des Erreichens der EndlageTime of reaching the end position
tsts: Sicherheitsintervallsafety interval
ΔtnΔtn: Einschaltdauerduty cycle
AA: Endlage in Abhängigkeit von der Temperatur ϑ_a bei festgehaltener Steuerspannung U_B End position depending on the temperature ϑ _a with fixed control voltage U _B
BB: Endlage in Abhängigkeit von der Steuerspannung U_B bei festgehaltener Temperatur ϑ_a End position depending on the control voltage U _B at fixed temperature ϑ _a
ZZ: Spannungsspitze im Anschlagszeitpunkt/Zeitpunkt des Erreichens der EndlageVoltage peak at the point of impact/point of reaching the end position
ϑaϑa: Umgebungstemperatur, insbesondere des elektromagnetischen TriebsystemsAmbient temperature, especially the electromagnetic drive system
ϑcϑc: Temperatur des elektromagnetischen TriebsystemsTemperature of the electromagnetic drive system

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2017/093552 [0008]
DE 102018109594 [0011]

Claims

Circuit arrangement for actuating an electromagnetic drive system (41) for switching a mechanical system (6), with a control voltage source for generating a control voltage ( _UB ), a control stage (2) for controlling the electromagnetic drive system (41) for switching the mechanical system (6 ) during a shifting process and a control circuit (1) for controlling the drive circuit (2), characterized in that the control circuit (1) is designed to measure a temperature (ϑ _c ) of the electromagnetic drive system (41) and/or an ambient temperature (ϑ _a ) detecting a first characteristic value indicating the control voltage ( _UB ) and a second characteristic value indicating the control voltage (UB) and setting at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system (41) using the first characteristic value and the second characteristic value.

Circuit arrangement according to claim 1 , characterized in that the control stage (2) is designed to energize the drive system (41) by applying the control voltage ( _UB ) for switching the mechanical system (6).

Circuit arrangement according to one of Claims 1 until 2 , characterized in that the control circuit (1) is designed to set a duty cycle (Δt _n ) for controlling the electromagnetic drive system (41) as a control parameter.

Circuit arrangement according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the control circuit (1) has a logic circuit (12), wherein the logic circuit (12) sets the control parameter using a family of characteristics as a function of the first characteristic value and the second characteristic value.

Circuit arrangement according to claim 4 , characterized in that the logic circuit (12) outputs a voltage equivalent of the duty cycle (Δt _n ).

Circuit arrangement according to claim 5 , characterized in that the control circuit (1) has a setpoint processing stage (13) for generating an adapted voltage (U _tSoll ) for forwarding to the drive stage (2), the setpoint processing stage (13) being supplied with the voltage equivalent generated in the logic circuit (12). becomes.

Circuit arrangement according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that a temperature detection circuit is connected to the logic circuit (12) and has a temperature sensor (42) for measuring the first characteristic value indicating a temperature (ϑ _c ) of the electromagnetic drive system (41) and/or an ambient temperature (ϑ _a ).

Circuit arrangement according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that a temperature detection circuit is arranged in the logic circuit (12), the temperature detection circuit having a circuit for calculating the first characteristic value indicating a temperature ϑ _c of the electromagnetic drive system (41) and/or an ambient temperature ϑ _a using an electrical resistance (R _ZM ) of the electromagnetic drive system (41).

Circuit arrangement according to claim 8 , characterized in that the temperature detection circuit has a Riemann integrator for integrating the voltage (U _ZM ) on the electromagnetic drive system (41) and the current (I _ZM ) in the electromagnetic drive system (41).

Circuit arrangement according to one of Claims 8 until 9 , characterized in that the setpoint processing stage (13) has a sample-and-hold circuit (132).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the control stage (2) has a pulse width modulation circuit (21) with a monostable multivibrator, a control input (211) of the monostable multivibrator being connected to the control circuit (1) and an output of the monostable multivibrator connected to the pulse width modulation circuit.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement has a power stage (3) and the drive stage (2) has a driver circuit (22) for driving the power stage (3).

Circuit arrangement according to one of Claims 11 until 12 , characterized in that the control circuit (1) and the pulse width modulation circuit (21) are designed as a microcontroller circuit.

Circuit arrangement according to one of Claims 11 until 12 , characterized in that the control circuit (1), the pulse width modulation circuit (21) and the driver circuit (22) are arranged for driving the power stage (3) in an application-specific integrated circuit (ASIC) or in a hybrid circuit.

Circuit arrangement according to one of Claims 12 until 14 , characterized in that the power stage (3) has an output rectifier (33).

Method for actuating an electromagnetic drive system (41) for shifting a mechanical system (6) with a circuit arrangement according to one of Claims 1 until 15 , characterized in that a first characteristic value indicating a temperature (ϑ _c ) of the electromagnetic drive system (41) and/or an ambient temperature (ϑ _a ) and a second characteristic value indicating the control voltage ( _UB ) are detected by the control circuit and by the control circuit at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system (41) is set using the first characteristic value and the second characteristic value.

procedure after Claim 16 , characterized in that the drive system (41) is energized by applying the control voltage ( _UB ) for switching the mechanical system (6) through the control stage (2).

Procedure according to one of Claims 16 until 17 , characterized in that the control circuit (1) sets a duty cycle (Δt _n ) as a control parameter for controlling the electromagnetic drive system (41).