JP4991936B2 - プルインコイルおよび／またはホールドコイルを備えた切換装置のための制御装置、および、コイルを流れる電流を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、プルインコイルおよび／またはホールドコイルを備えた切換装置のための制御装置、特に電圧または電流の遮断器のための制御装置であって、コイルに接続されたパルス幅変調制御される切換素子と切換素子に接続された制御ユニットとを有しており、この制御ユニットによりパルス幅変調制御信号が形成される、切換装置のための制御装置に関する。また、本発明は、プルインコイルおよび／またはホールドコイルを通る電流を制御する電流制御方法に関する。

独国実案第２９９０９９０１号から、保護モードのための制御装置が公知である。この制御装置は、駆動コイルに直列に接続され、パルス幅変調制御される電子回路と、当該の電子回路に接続された制御回路とを有する。保護モードはコイルの２つのアクティブな切換状態すなわちプルイン状態およびホールド状態を有している。このために、目標値を有する２つの特性値テーブルが制御回路に格納されている。付加的に、２つの異なる切換状態に対して、瞬時の駆動コイル電圧を求める２つの回路が利用される。求められた駆動コイル電圧の２つの測定値は制御回路へ伝送される。当該の制御回路は、信号を変換するために、２つの入力側およびこれに接続されたアナログディジタル変換器を有する。

欧州公開第０７８９３７８号明細書には保護モードのための制御装置が開示されている。ここでは、駆動コイル、スイッチングトランジスタおよびコイル電流の測定値を測定する測定抵抗から形成される直列回路が設けられている。当該の測定値は制御回路へ供給される。この制御回路は、測定値、制御装置の入力電圧および切換状態に基づいて、スイッチングトランジスタに対する制御信号を求める。

ここで、コイル電流を測定する素子を設けると回路が煩雑となるし、コイルを通って流れる電流を制御するには時間がかかる。

したがって、本発明の基礎とする課題は、従来技術に比べてプルインコイルおよび／またはホールドコイルを備えた切換装置、特に電圧または電流の遮断器に対する制御装置を簡単化し、制御ユニット内に特性値テーブルを格納することなく、コイルを通る電流を近似に一定に保持できるようにすることである。

この課題は、制御ユニットが、パルス幅変調制御信号を、制御ユニットの入力電圧信号に応じて、プルインコイルまたはホールドコイルを通る電流が近似に一定に保持されるように定めることを特徴とする請求項１記載の制御装置により解決される。また、前述の課題は、制御ユニットが、パルス幅変調制御信号を、制御ユニットの入力電圧信号に応じて、プルインコイルまたはホールドコイルを通る電流が近似に一定に保持されるように定めることを特徴とする請求項１９記載の切換装置により解決される。さらに、前述の課題は、切換装置の入力電圧を求め、設定されるコイル電圧の目標値に応じて、切換素子を駆動制御するためのパルス幅変調制御信号を、プルインコイルまたはホールドコイルを通る電流が近似に一定に保持されるように形成することを特徴とする請求項２０記載の電流制御方法により解決される。

本発明のプルインコイルおよび／またはホールドコイルを備えた切換装置のための制御装置のブロック図である。 図１の制御装置の制御ユニットの詳細を示す図である。 制御ユニットによって新たなパルス幅変調のオン期間を求めるフローチャートを示す図である。 図１の切換装置のパルス幅変調のオン時間に対する電圧信号の電圧時間特性を示す図である。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明の制御装置は電圧測定により切換装置を通る電流を近似に一定に保持する。切換装置のコイルに印加される電圧の目標値は、本発明の制御装置によって、切換装置のタイプに応じて設定される。電圧または電流の遮断器としての切換装置がプルインコイルおよび／またはホールドコイルを備えており、制御装置の入力電圧が所定の直流電圧または交流電圧である場合、切換装置を通る電流は近似に一定の値へ制御される。これは、近似に一定のコイル電圧により達成され、コイル電流を一定に制御するための電流測定に比べて回路コストが小さくなり、きわめて有利であると判明している。

本発明の制御装置は、切換装置のコイルにかかる電圧を、切換装置の切換状態すなわちプルイン状態またはホールド状態に関係なく、設定されたコイル電圧の目標値に相応するように制御する。

切換素子に対するパルス幅変調制御信号は制御ユニットによって形成される。制御ユニットは入力電圧信号の大きさを検出する電圧センサに接続されている。この電圧センサは入力電圧信号の実際値を制御ユニットへ伝送する。伝送された入力電圧信号の実際値に応じて、制御ユニットは、切換素子がコイル電圧を近似に一定に保持するように、パルス幅変調制御信号の実際値を求める。

有利には、本発明の制御装置は、切換装置の切換状態すなわちプルインモードまたはホールドモードには関係なく、切換装置に印加される電圧または切換装置を通る電流を一定に保持する。このため、切換装置を通って流れる電流の測定を行う必要はない。

本発明の制御装置が切換装置のプルインコイルおよび／またはホールドコイルを流れる電流を一定に保持できるようにするために、有利には、切換装置に印加されるコイル電圧の実際値が求められる。有利には、入力電圧のそのつどの実際値をサンプリングする少なくとも１つのサンプリング装置が設けられる。このサンプリング装置は電圧センサの一部であってもよい。このサンプリング装置により、所定の時点でまたは連続的に、印加される入力電圧がサンプリングされる。電圧センサによって求められた入力電圧値が制御ユニットへの電圧信号の印加期間すなわちオン期間とパルス幅変調制御信号の期間との商に乗算され、コイル電圧値が得られる。このようにして得られたコイル電圧値は、有利には、設定されたコイル電圧の目標値と比較され、比較の結果に基づいて、パルス幅変調に対する新たなオン期間が求められる。

有利には、パルス幅変調制御される切換素子はスイッチングトランジスタを含む。有利な実施形態では、スイッチングトランジスタは電界効果トランジスタＦＥＴであり、特に、自己阻止形のｎチャネルＦＥＴである。こうした電界効果トランジスタを用いる利点は、トランジスタを直接に制御ユニットから送出される電圧によって駆動できるということである。

切換素子に対するパルス幅変調制御信号はパルス発生器によって形成される。この場合、制御ユニットは求められたパルス幅の実際値をパルス発生器へ伝送する。パルス発生器を制御ユニットとは別個に設け、これにより制御ユニットの複雑さを低減することもできる。

これに代えて、パルス発生器を制御ユニットに組み込み、制御ユニットがパルス幅変調された制御信号を直接に形成することもできる。これにより、パルス発生器を別個に設ける必要がなくなる。

制御装置の制御ユニットは、有利には、データ処理のための少なくとも１つのデータ処理ユニットを有しており、制御ユニットはそのつど制御信号のパルス幅の実際値を求めるためのデータを迅速かつ効率的に検出および処理することができる。特に有利には、データ処理ユニットはマイクロコントローラである。こうしたマイクロコントローラは低コストであり、適用分野に応じて問題なく利用することができる。

一般に、制御ユニットは低オームのインピーダンスを有しており、電圧センサは高オームのインピーダンスを有している。このため、有利には、制御ユニットは電圧センサの高オームのインピーダンスを制御ユニットの低オームのインピーダンスへ適合させるインピーダンス変換器を含む。これにより、制御ユニットの入力電圧信号を求めるために用いられる電圧センサの負荷が最小となり、検出される測定値の精度が向上する。

こうしたインピーダンス変換器は有利には少なくとも１つのオペアンプを有する。オペアンプは低コストであり、多様に利用できるからである。さらに、オペアンプは離散的な回路素子を利用した技術に比べて、動作点の安定化や温度特性の補償を行う必要がないという利点を有する。

データ処理ユニットは一般に内部ではディジタル信号によって動作する。入力側に印加されるアナログ信号は、ここでは制御ユニットの入力電圧信号を求めるための電圧センサのアナログの測定信号であるが、これをディジタル信号へ変換しなければならない。このために、データ処理ユニットは、内部でのさらなる処理のためにアナログ信号をディジタル信号へ変換するアナログディジタル変換器を有している。

切換装置は、コイル、すなわち、電圧および／または電流の遮断器を操作するためのプルインコイルおよび／またはホールドコイルを含む。入力側に交流電圧が印加される場合、有利には、入力側に印加される交流電圧を整流する整流器回路が制御装置内に設けられる。

さらに、制御装置の入力電圧信号は直流電圧成分および交流電圧成分を含んでいるので、有利には交流電圧成分をフィルタ回路によりフィルタリング除去する。こうしたフィルタ回路は制御装置の入力側に設けられる。

適用分野に応じて、制御装置の別の実施例も可能である。例えば、制御ユニットの入力電圧が強く変動する場合には、本発明の方法を連続的に行うと有利である。また、本発明の方法を所定の時点ごとに選択的に行ってもよい。これは、例えば、入力電圧が所定の時点ごとに変化する場合などに有利である。こうした変化を検出するために、入力電圧の変化にしたがって本発明の方法を行うこともできる。制御装置が切換装置を通る電流を一定に保持する精度は、制御過程の頻度によって定まる。制御装置をできるだけフレキシブルに利用できるようにするために、有利には、本発明の方法を規則的な時間間隔で間欠的に行ってもよい。このとき、２つの制御過程のあいだの時間は設定可能である。

プルインコイルおよび／またはホールドコイルを通る電流を保持する精度は特に制御の行われる頻度に応じて定まることを前提として、有利には、２つの制御過程のあいだの時間は１５０μｓより小さく、特に有利には、７０μｓより小さい。

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

図１には本発明の切換装置のための制御装置１が示されている。制御装置１は、切換装置の電圧ないし電流の遮断器を操作するために、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２を通る電流を近似に一定に保持する。プルインコイルおよび／またはホールドコイル２を通って流れる電流を測定するのは煩雑なので、これを回避するために、本発明では、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される電圧を測定する。プルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される電圧を、交流電圧であるかまたは直流電圧であるかに関係なく、一定に保持することにより、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２を通る電流を近似に一定に保持することができる。制御装置１がプルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される電圧を近似に一定に保持するために、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２は切換素子３に接続されている。図示の実施例では、切換素子３は、ドレイン側でプルインコイルおよび／またはホールドコイル２に接続され、ゲート側で制御ユニット４に接続されたｎチャネルＦＥＴである。当該の切換素子３はパルス幅変調制御信号によって駆動制御される。パルス幅変調制御信号に基づいて、切換素子３はプルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される電圧を制御する。パルス幅変調制御信号は制御ユニット４によって形成される。

制御ユニット４はプルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される瞬時のコイル電圧Ｕ_Ｓｐと制御ユニット４に格納されたコイル電圧目標値Ｕ_{ＳｐＳｏｌｌ}とを比較し、比較の結果の値に基づいて、パルス幅変調制御信号のパルス幅を変更する。これにより、切換素子３はプルインコイルおよび／またはホールドコイル２にかかるコイル電圧Ｕ_Ｓｐを近似に一定に保持する。コイル電圧目標値Ｕ_{ＳｐＳｏｌｌ}との比較のために、制御ユニット４は制御装置１に印加される瞬時の入力電圧Ｕを必要とする。入力電圧Ｕは制御ユニット４へ供給されるが、制御ユニット４の前方に電圧センサ５および入力電圧Ｕをサンプリングするサンプリング装置６が設けられている。

制御装置１の入力側に印加される交流電圧は整流器回路７またはフィルタ回路７を介して直流電圧へ変換される。ここでの変換はパルス状の直流電圧が得られれば充分である。当該の直流電圧はサンプリング装置６およびコイル２へ印加される。

図２には図１の制御ユニット４のブロック図が示されている。制御ユニット４はマイクロコントローラ８およびオペアンプ９を有する。制御ユニット４の入力側とマイクロコントローラ８とのあいだに接続されたオペアンプ９はインピーダンス変換器の機能を有している。制御ユニット４は電圧センサ５から制御装置１の瞬時の入力電圧Ｕを受け取る。ここで、電圧センサ５は高オームのインピーダンスを有しており、マイクロコントローラ８は低オームのインピーダンスを有している。オペアンプ９がインピーダンスを適合調整しないと、制御ユニット４の低オームのインピーダンスは電圧センサ５の高オームのインピーダンスによって強く負荷され、電圧センサ５の精度が著しく低下してしまう。

電圧センサ５によって求められた制御装置１の入力電圧Ｕの値はアナログの測定値である。アナログの測定値をマイクロコントローラ８においてディジタルでさらに処理するために、マイクロコントローラ８はその入力側にアナログディジタル変換器Ａ１を有している。制御装置１の入力電圧のディジタル値、パルス幅変調のオン期間の時点ｔ_Ｏｎおよび期間（長さ）ｔ_ＰＷＭを用いて、マイクロコントローラ８はプルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される瞬時コイル電圧Ｕ_Ｓｐを求め、格納されているコイル電圧目標値Ｕ_{ＳｐＳｏｌｌ}と比較する。比較の結果の値に基づいて、マイクロコントローラ８は新たなパルス幅変調制御信号を形成する。

図３には制御過程のフローチャートが示されており、図４にはパルス幅変調制御信号の電圧時間特性が示されている。第１のステップ１０では、電圧センサ５が制御装置１に印加される瞬時の入力電圧Ｕを測定するか、または、サンプリング装置６が入力電圧Ｕをサンプリングし、その値を制御ユニット４へ伝送する。第２のステップ１１では、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される電圧Ｕ_Ｓｐの瞬時値が計算される。このとき、第１のステップ１０で得られた入力電圧値Ｕは、制御信号のパルス幅に相応する時間ｔ_Ｏｎと乗算される。ここで得られた値は、制御信号の期間ｔ_ＰＷＭによって除算され、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加される瞬時のコイル電圧が求められる。図４のグラフでは、電圧軸に対して破線が引かれ、コイル電圧Ｕ_Ｓｐおよびその計算結果が示されている。

次のステップ１２では、コイル電圧Ｕ_Ｓｐが設定可能なコイル電圧目標値Ｕ_{ＳｐＳｏｌｌ}と比較される。これは図３に示されている制御ユニット（制御回路）において行われる。比較の結果の値に基づいて、制御ユニットは切換素子３に対する制御信号の新たなパルス幅ＰＷＭを求める。これにより、プルインコイルおよび／またはホールドコイル２に印加されるコイル電圧Ｕ_Ｓｐはコイル電圧Ｕ_{ＳｐＳｏｌｌ}へ制御される。

最後のステップ１３では、新たなパルス幅ＰＷＭを有する制御信号が形成され、図１の切換素子３へ送出される。

説明した図示の実施例はプルインコイルおよび／またはホールドコイルを備えた切換装置に対する制御装置の実施例であるが、検出された入力電圧に応じて制御信号のパルス幅を調整し、プルインコイルおよび／またはホールドコイルの電圧およびこれらを通って流れる電流を近似に一定に保持するのであれば、他の実施例も可能である。

Claims (16)

1. プルインコイルおよび／またはホールドコイル（２）を備えた、保護モード用の切換装置のための制御装置（１）であって、
   前記コイルに接続されたパルス幅変調制御される切換素子（３）と該切換素子に接続された制御ユニット（４）とを有しており、該制御ユニットによりパルス幅変調制御信号が形成され、
   前記制御ユニットは、前記パルス幅変調制御信号のパルス幅を、該制御ユニットの入力電圧信号（Ｕ）に応じて、前記プルインコイルまたは前記ホールドコイルを通る電流が近似に一定に保持されるように定め、
   前記制御ユニットは、前記入力電圧信号からパルス幅変調期間（ｔ_ＰＷＭ）を考慮して前記コイルの瞬時コイル電圧（Ｕ_Ｓｐ）を求め、該瞬時コイル電圧からパルス幅変調のオン期間（ｔ_Ｏｎ）の実際値を設定することにより、前記切換装置の電圧を定める、
   切換装置のための制御装置において、
   前記制御ユニットのデータ処理ユニット（８）が、前記瞬時コイル電圧と前記制御装置内に格納されたコイル電圧目標値（Ｕ_{ＳｐＳｏｌｌ}）とを比較し、比較の結果に基づいて前記制御ユニットの出力信号のための前記パルス幅変調のオン期間の実際値を求める
   ことを特徴とする切換装置のための制御装置。
2. 前記コイル電圧目標値は当該の制御装置の入力電圧の最小値よりも小さい、請求項１記載の切換装置のための制御装置。
3. 電圧センサ（５）により当該の制御装置に印加される電圧が測定される、請求項１または２記載の切換装置のための制御装置。
4. サンプリング装置（６）により前記入力電圧信号がサンプリングされる、請求項１から３までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
5. 前記切換素子はスイッチングトランジスタを含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
6. 前記スイッチングトランジスタは電界効果トランジスタであり、特に自己阻止形のｎチャネルＦＥＴである、請求項５記載の切換装置のための制御装置。
7. 前記パルス幅変調制御信号はパルス発生器によって形成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
8. 前記パルス幅変調制御信号は前記制御ユニットによって形成される、請求項１から６までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
9. 前記制御ユニットはデータ処理のための少なくとも１つのデータ処理ユニット（８）を含む、請求項１から８までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
10. 前記データ処理ユニットはマイクロコントローラを含む、請求項９記載の切換装置のための制御装置。
11. 前記制御ユニットは前記電圧センサの高オームのインピーダンスを前記制御ユニットの低オームのインピーダンスへ適合させるインピーダンス変換器（９）を含む、請求項１から１０までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
12. 前記インピーダンス変換器は少なくとも１つのオペアンプを含む、請求項１１記載の切換装置のための制御装置。
13. 前記データ処理ユニットは前記電圧センサからのアナログの測定信号をさらなる処理のためにディジタル信号へ変換するアナログディジタル変換器（Ａ１）を含む、請求項９から１２までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
14. 当該の制御装置の入力側に印加される交流電圧を整流する整流器回路（７）が設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
15. 当該の制御装置の入力信号から交流電圧成分をフィルタリングにより除去するフィルタ回路（７）が設けられている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。
16. ２つの制御過程のあいだの時間は１５０μｓより小さく、有利には７０μｓより小さい、請求項１から１５までのいずれか１項記載の切換装置のための制御装置。

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