DE19935043B4

DE19935043B4 - Schaltungsanordnung zur elektronischen Steuerung einer Antriebsspule

Info

Publication number: DE19935043B4
Application number: DE19935043A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Meid
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: CN1360730A; JP2003505842A; US6661635B1; EP1198813A1; ATE242542T1; AU6694200A; EP1198813B1; WO2001008188A1; DE19935043A1; ES2200910T3; CN1233092C

Abstract

Ein Verfahren zur elektronischen Antriebssteuerung zur Verwendung zur Steuerung einer Antriebspule eines Schützes im Haltebetrieb mit einer Pulsweitenmodulation, soll in einfacher Weise auch bei hohen Spannungen eine Minimierung der Halteleistung bewirken, ohne daß EMV-Probleme auftreten und ohne daß die Funktionssicherheit eingeschränkt wird. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, daß die Intervallzeit für die Pulsweitenmodulation zeitlich verändert wird oder daß das Pulsweitenverhältnis kontinuierlich verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Steuerung einer Antriebsspule nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei pulsweitenmodulierten Signalen besteht das Problem, daß die T_ON-Zeit nicht beliebig fein abstufbar ist. Im Haltebetrieb ist lediglich nur 1/7 bis 1/12 des Anzugstromes erforderlich, was schmale Impulse erforderlich macht. Bei den höchst zu erwartenden Eingangsspannungen muß die T_ON-Zeit noch erheblich kürzer sein, z.B. 400 ns. Da nur eine Abstufung in endlichen Schritten von z.B. 100 ns realisierbar ist, ist das Verhältnis von den realisierbaren Schritten zu der erforderlichen Impulsdauer relativ hoch. Eine Verkürzung der erwähnten kürzesten T_ON-Zeit erfordert einen kaum noch zu vertretenden Aufwand und bringt EMV-Probleme mit sich. Dies entspricht bei diesem Beispiel bereits einem Schrittweitenverhältnis von 25 % und einer Halteleistung von 50 %. Damit ist bei hohen Spannungen eine Minimierung der Halteleistung, ohne Stellreserven einzuschränken, nicht möglich. Dieses Problem tritt insbesondere bei einer DC-Spannung auf.

Ein Beispiel des Gleichspannungsbetriebs ist die Anordnung in DE 41 17 535 A1 . Hier wird eine PWM-Steuerung anhand einer gemessenen Versorgungsspannung Ub beschrieben. In dieser Anordnung wird die Ansteuerung mit einer festen Frequenz vorgenommen, wodurch ein besonders hohes Maximum der Störabstrahlung vorhanden ist.

Im einzelnen sind noch weitere Anordnungen zur Ansteuerung bekannt. Die US 5 737 172 A behandelt eine PWM-Steuerschaltung für Schütze, wobei zur PWM-Signalerzeugung Taktflanken eines Oszillators herangezogen werden. Die DE 196 41 188 C1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines pulsweitengesteuerten Magnetantriebs und dessen PWM-Signalerzeugung anhand eines gemessenen Spulenstroms. Aus der EP 0 789 378 A1 ist eine elektronische Antriebsteuerung für einen Magnetantrieb mit Pulsweitenmodulation des Ankerstromes bekannt.

In den letztgenannten Schriften sind Anordnungen aufgezeigt, die entweder im Haltebetrieb noch erheblichen Leistungsverbrauch aufweisen, oder bei denen ungünstige EMV-Effekte auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Steuerung einer Antriebsspule zu schaffen, mit der bei hohen Spannungen die Halteleistung vermindert wird, und sich die elektromagnetische Abstrahlung reduzieren lässt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst, während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Durch die Erfindung wird nicht nur in einfacher Weise auch bei hohen Spannungen die Halteleistung konstant gehalten und reduziert, sondern auch die EMV verbessert.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine Darstellung einer Kennfeldsteuerung,
2 eine Diagrammdarstellung, in der die Veränderung der Intervalldauer dargestellt ist und
3 ein Impulsdiagramm.
Die 1 zeigt die Steuerschaltung, bestehend aus einem Spannungsteiler 1, einer Temperaturkompensationsschaltung 2, einem Mischer 3, einem Oszillator 4, einem A/D-Wandler 5, einem nichtflüchtigen Datenspeicher 6 und einem Pulsweitenmodulator 7 zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters, der in Reihe mit der Antriebsspule geschaltet ist.
Mit Hilfe des Mischers 3 wird der Eingangsspannung U_e eine Wechselspannung überlagert.
Die 2 zeigt die Veränderung der Intervalldauer gegenüber der Zeit. Die Periodendauer der Kurve beträgt 1/f_Jitter, wobei f_Jitter eine Jitterfrequenz ist.
Die Frequenz der Wechselspannung ist wesentlich geringer als die Pulsfrequenz, vorzugsweise 2,5 kHz bei AC-Betrieb und 8,4 kHz bei DC-Betrieb.
Die Wechselspannung ist eine dreieck- oder sinusförmige Wechselspannung.
Durch die Überlagerung der Wechselspannung schwankt die Spannung kontinuierlich zwischen zwei Grenzwerten. Dadurch ergeben sich ständig neue aktuelle T_ON-Zeiten. Dabei verteilen sich die positiven und negativen Abweichungen des PWM-Ausgangssignals zur idealen T_ON-Zeit und heben sich dadurch auf.
Anstelle einer Hardwarelösung ist eine Softwarelösung möglich, wobei durch Inkrementierung und Dekrementierung der Vorgabe für das Zeitintervall des PWM-Signals über eine Dreiecksrampe die Taktfrequenz des PWM-Signals kontinuierlich verändert wird, wie in 3 dargestellt ist.
Aufgrund des erforderlichen Rechenaufwandes wird die PWM-Bestimmung mittels einer Kennfeldsteuerung durchgeführt. Bei dieser Steuerung werden die PWM-Werte unter Berücksichtigung aller bestimmbaren, konstanten Korrekturfaktoren bereits im Vorfeld berechnet und als feste Korrekturtabelle in dem Datenspeicher 6 eines Microkontrollers abgelegt. Der Ausgangswert eines A/D-Wandlers 5, mit dem die Eingangsspannung gemessen wird, dient dabei als Adresszeiger, so daß aus der so adressierten Datenspeicherzelle die dazugehörige T_ON- bzw. T_OFF-Zeit direkt ausgelesen werden kann.
Aufgrund von Geräuschentwicklungen des Magnetkreises durch das Pulsen der Antriebspule ist es im Gegensatz zur Anzugssteuerung, bei der diese kurzzeitige Geräuschentwicklung vollständig durch den Bewegungsvorgang des gesamten Antriebs überdeckt wird, erforderlich, die PWM-Frequenz für den Haltebetrieb auf eine Frequenz festzulegen, die außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegt. Im vorliegenden Fall ist das PWM-Signal für den Haltebetrieb auf 20kHz festgelegt. Durch die Stromreduzierung im Haltebetrieb auf ca. 1/12 des Anzugsstromes, dem Spannungsbereich von ca. 1/4,5 (U_Halte(max)/U_Halte(min) = 300V/66V), dem Scheitelverhältnis von √2/1 für den Wechselspannungsbetrieb und der notwendigen Stellreserve von ca. 40% zur Kompensation der Spannungsabfälle an den Halbleitern und zum Ausgleich der Spulenerwärmung, ergibt sich damit die kürzeste erforderliche T_ON-Zeit mit ca. 0,4 μs.
Um den Haltestrom, und damit die Verlustleistung in der Antriebspule, möglichst gering zu halten, ist es aufgrund des großen Spannungsbereichs erforderlich, den Haltestrom nicht nur zu minimieren, sondern über den gesamten Spannungsbereich auf einen möglichst geringen Wert konstant zu halten.
Bei μ-Controllern ist das Taktverhältnis des PWM-Modulators nicht beliebig, sondern vielmehr nur als ganzzahliges Vielfaches der Taktfrequenz oder einer daraus abgeleiteten Größe einstellbar. Im vorliegenden Fall wird der Controller mit einem Oszillator von 10 MHz betrieben. Die Oszillatorfrequenz wird intern nochmals durch einen Teiler 10/1 auf eine Taktfrequenz von 1 MHz heruntergesetzt, so daß als kürzeste T_ON-Zeit minimal 1 μs eingestellt werden kann.
Damit ist die kürzeste T_ON-Zeit, die der μ-Controller liefern kann, länger als die minimal für das PWM-Signal geforderte Zeit, so daß für den Haltebetrieb eine zusätzliche Impulsformerstufe zwischen dem PWM-Ausgang des μ-Controllers und dem Halbleiterschalter erforderlich ist, mit der die T_ON-Zeit des μ-Controllers entsprechend verkürzt werden kann. Des weiteren ist diese nicht näher gezeigte Impulsformerstufe erforderlich, damit die T_ON-Zeit feiner aufgelöst werden kann, um die Schrittweite des Haltestromes, und damit der Halteleistung (P_Halte ~ I_Halte ²), zu minimieren.
Durch die Impulsformerstufe ist die Impulsbreite von 100 ns auf 1 μs veränderbar. Durch das Jittern mit Hilfe dieses Verfahrens wird der Haltestrom auch bei hohen Spannungen konstant gehalten.
Durch das Jittern wird eine viel höhere Auflösung erreicht als durch eine reine Veränderung der Impulsbreite.
Durch geeignete Wahl der Jitterfrequenz kann das beim Schalten des Treibertransistors verursachte Störspektrum gleichmäßig verteilt werden, wodurch sich Störmaxima reduzieren lassen. Funkentstörspannung und elektromagnetische Abstahlung werden so reduziert.

1: Spannungsteiler
2: Temperaturkompensationsschaltung
3: Mischer
4: Oszillator
5: A/D-Wandler
6: Datenspeicher
7: Pulsweitenmodulator
8: Steuerungsteil

Claims

Schaltungsanordnung zur elektronischen Steuerung einer Antriebspule eines Schützes im Haltebetrieb mit einer Pulsweitenmodulation, wobei die Intervallzeit für die Pulsweitenmodulation zeitlich verändert oder das Pulsweitenverhältnis kontinuierlich verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Pulsweitensignals (U_e''') ein Oszillator (4) zur Erzeugung einer Wechselspannung und ein Mischer (3) vorhanden sind und dass der Mischer (3) das periodische Ausgangssignal des Oszillators (4) mit der der Eingangsspannung (U_e) zugeordneten Eingangsgröße (U_e'') überlagert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung ein einen Pulsweitenmodulator (7) umfassendes Steuerungsteil (8) mit einem Pulsweitensignal als Ausgangsgröße und einer der Eingangsspannung (U_e) zugeordneten Eingangsgröße (U_e'') als Eingangssignal aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsteil (8) eine Kennfeldsteuerung ist, die einen A/D-Wandler (5) und einen nichtflüchtigen Datenspeicher (6) umfasst, wobei der Ausgangswert des A/D-Wandlers (5) als Adresszeiger des Datenspeichers (6), in dem Korrekturfaktoren der PWM-Werte als feste Korrekturtabelle abgelegt sind, vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (4) eine Wechselspannung erzeugt, deren Frequenz wesentlich kleiner ist als die Pulsweitenfrequenz.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der erzeugten Wechselspannung im AC-Betrieb 1 bis 5 kHz beträgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der erzeugten Wechselspannung im DC-Betrieb 5 bis 15 kHz beträgt.