KR101886957B1 - 펄스 전원공급장치를 갖는 전기적 장치 및 전기적 장치의 전원공급장치를 검사하기 위한 방법 - Google Patents

펄스 전원공급장치를 갖는 전기적 장치 및 전기적 장치의 전원공급장치를 검사하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기적 장치, 특히 로봇 (1) 과 같은 전기적 기계에 관한 것이다. 상기 전기적 장치는 전기적 소모자 (22), 전자적 스위치 (25), 및 펄스 전원공급장치 (20) 를 포함하고, 상기 전자적 스위치는 전자적 스위칭 소자 (27) 와, 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 를 액추에이팅하는 드라이버 장치 (28) 를 포함하고, 상기 펄스 전원공급장치는 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 를 갖는 파워부 (23) 를 구비하고, 상기 펄스 전원공급장치는, 전압으로부터 상기 하나의 전자적 스위칭 소자 (27) 의 교대적인 스위치 온과 스위치 오프에 근거하여 상기 전기적 소모자 (22) 를 위한 공급전압 또는 공급전류를 발생시키도록 셋업된다. 상기 파워부 (23) 는 전류경로 (12) 를 구비하고, 상기 전원공급장치 (20) 의 작동중 상기 전자적 스위치 (25) 의 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 에 할당된 전류 (i) 는 상기 전류경로를 통해 흐른다. 상기 전기적 장치는 또한 펄스 트랜스포머 (29) 를 포함한다.

Description

펄스 전원공급장치를 갖는 전기적 장치 및 전기적 장치의 전원공급장치를 검사하기 위한 방법{ELECTRICAL DEVICE HAVING A PULSED POWER SUPPLY AND METHOD FOR TESTING THE POWER SUPPLY OF THE ELECTRICAL DEVICE}
본 발명은 펄스 전원공급장치를 갖는 전기적 장치, 특히 전기적 기계에 관한 것이며, 또한 상기 전기적 장치의 상기 전원공급장치를 테스트하기 위한 방법에 관한 것이다.
DE 10 2012 219 318 A1 은 전기적 소모자와, 펄스 전원공급장치와, 적어도 하나의 펄스 트랜스포머와, 평가장치를 구비하는 전기적 장치, 특히 전기적 기계를 공개한다. 상기 전원공급장치는 적어도 하나의 파워 반도체 스위치를 갖는 파워부 (power part) 를 포함하고, 전압으로부터 상기 적어도 하나의 파워 반도체 스위치의 교대적인 스위치 온과 스위치 오프에 근거하여 상기 전기적 소모자를 위한 펄스 전압을 발생시키도록 셋업된다. 상기 파워부는 적어도 하나의 전류경로 (current path) 를 구비하고, 상기 전원공급장치의 작동중 전류가 상기 전류경로를 통해 흐른다. 상기 평가장치는 상기 펄스 트랜스포머에서 유래하는 신호를 평가하도록 셋업되고, 상기 평가된 신호에 근거하여 상기 파워 반도체 스위치의 기능 유용성을 추론하도록 셋업된다.
본 발명의 목적은 전기적 장치의 작동 진행중에 상기 전기적 장치의 전자적 스위치를 보다 잘 검사하는, 개선된 가능성을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 전기적 장치로서, 상기 전기적 장치는
- 전기적 소모자를 구비하고,
- 전자적 스위칭 소자 (switching element) 와, 상기 전자적 스위칭 소자를 액추에이팅하는 드라이버 장치를 포함하는 전자적 스위치를 구비하고,
- 펄스 전원공급장치를 구비하고, 상기 펄스 전원공급장치는 상기 전자적 스위칭 소자를 갖는 파워부를 구비하고, 상기 펄스 전원공급장치는, 전압으로부터 상기 하나의 전자적 스위칭 소자의 교대적인 스위치 온과 스위치 오프에 근거하여 상기 전기적 소모자를 위한 공급전압 또는 공급전류를 발생시키도록 셋업되고, 이때 상기 파워부는 전류경로를 구비하고, 상기 전원공급장치의 작동중 상기 전자적 스위치의 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 전류는 상기 전류경로를 통해 흐르고,
- 적어도 하나의 펄스 트랜스포머를 구비하고, 상기 펄스 트랜스포머는 1차측 권선을 갖는 1차측과 2차측 권선을 갖는 2차측을 구비하고, 상기 펄스 트랜스포머는, 상기 전자적 스위치의 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 상기 전류가 상기 1차측 권선을 통해 흐를 정도로 그의 1차측과 함께 상기 파워부 안으로 접속되고, 이때 상기 펄스 트랜스포머는, 상기 2차측 권선에 인가되어 있는 2차측 전압이 상기 전자적 스위치의 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 상기 전류의 시간적 변화에 적어도 근사적으로 비례할 정도로 그의 2차측에서 부하를 적게 받고 있고,
- 역치 결정자를 구비하고, 상기 역치 결정자는, 상기 2차측 전압을 또는 상기 2차측 전압의 여과 (filtering) 를 통해 발생된 여과된 2차측 전압을, 특히 상기 완전히 기능이 유용한 전자적 스위치에 할당된 전류의 시간적 변화에 할당된 기준전압과 비교하도록 셋업되고,
- 상기 역치 결정자와 커플링된 평가장치를 구비하고, 상기 평가장치는, 상기 역치 결정자를 가지고 실행된 상기 비교에 근거하여 상기 전자적 스위치의 잠재적 결함을 인식하도록 셋업되는,
전기적 장치를 통해 달성된다.
상기 목적은 또한 하기의 방법단계들을 갖는:
- 상기 전자적 스위칭 소자를 교대로 개방 및 폐쇄하는 방법단계,
- 상기 2차측 전압을 또는 상기 여과된 2차측 전압을 상기 기준전압과 비교하는 방법단계, 그리고
- 상기 비교에 근거하여, 상기 전자적 스위치의 잠재적 결함을 추론하는 방법단계,
본 발명에 따른 상기 전기적 장치의 상기 전원공급장치를 검사하기 위한 방법을 통해 달성된다.
본 발명에 따른 상기 장치는 예컨대 로봇과 같은 전기적 기계이고, 펄스 전원공급장치를 포함하고, 상기 펄스 전원공급장치는 본 발명에 따른 상기 장치의 상기 전기적 소모자에 공급전압 또는 공급전류를 공급하기 위해 제공된다. 상기 공급전압은 특히 클로킹을 통해 조절된 전압이고, 또는 상기 공급전류는 특히 클로킹을 통해 조절된 전류이다.
상기 전기적 소모자는 특히 유도성 (inductive) 소모자이고, 바람직하게는 전기기계식 브레이크이다.
상기 유도성 소모자는 예컨대 임의의 스위칭 전원공급장치를 위한 또는 다상 브리지 회로 (주파수 컨버터) 와의 연결하에 모터를 위한 송전의 또는 파워 인덕터의 릴레이 또는 1차 권선일 수도 있다. 전기기계식 브레이크들은 예컨대 로봇의 로봇암 (robot arm) 의 부재들 중 하나를 특히 비상상황시 제동시키기 위해 상기 로봇들에서 사용된다. 로봇들은 일반적으로 로봇암과 제어장치를 포함한다. 상기 로봇암은 잇달아 배치된 그리고 관절들을 통하여 연결된 다수의 부재와, 상기 부재들을 서로 상대적으로 움직이기 위한 전기 모터들을 구비한다.
본 발명에 따른 상기 장치는 전자적 스위치를 포함하고, 상기 전자적 스위치는 전자적 스위칭 소자와, 상기 전자적 스위칭 소자를 액추에이팅하는 드라이버 장치를 포함한다. 상기 전자적 스위치는 바람직하게는 반도체 스위치이다. 이 경우 상기 전자적 스위칭 소자는 트랜지스터로서 형성된다. 상기 트랜지스터는 특히 파워 트랜지스터이다.
상기 펄스 전원공급장치는 예컨대 H 브리지로서 형성된 파워부를 포함한다. 상기 파워부는 상기 전자적 스위치의 상기 스위칭 소자를 포함한다. 상기 파워부는, 전압으로부터 예컨대 상기 전자적 스위칭 소자의 교대적인 스위치 온과 스위치 오프에 근거하여 상기 전기적 소모자를 위한 공급전압 또는 공급전류를 발생시키기 위해 제공된다.
상기 파워부는 예컨대 인버터로서 실시된다.
상기 전원공급장치의 작동중 또는 본 발명에 따른 상기 전기적 장치의 작동중, 특히 상기 전자적 스위칭 소자는, 상기 드라이버 장치를 통해 제어되어, 교대로 폐쇄 및 개방된다. 이를 위해, 당업자에게 원칙적으로 공지된 바와 같이, 상기 전원공급장치는 예컨대 적합한 액추에이팅 일렉트로닉스를 포함한다. 상기 액추에이팅 일렉트로닉스는, 상기 전자적 스위칭 소자가 상응하여 개방할 정도로 또는 폐쇄할 정도로 상기 전기적 스위치의 상기 드라이버 장치를 액추에이팅한다.
상기 전기적 장치의 작동 진행중 또는 그의 전원공급장치의 작동 진행중 상기 전자적 스위치의 기능 유용성을 검사하기 위해, 특히 상기 전자적 스위치의 상기 드라이버 장치의 시작되는 또는 잠재적인 결함을 인식하기 위해, 상기 펄스 트랜스포머가 제공된다.
펄스 트랜스포머들 자체는 당업자에게 공지되어 있다. 그들은 1차측 권선을 갖는 1차측을 포함한다. 상기 1차측 권선에 1차측 인덕턴스 (L1) 가 할당되고, 상기 1차측 권선은 n1 코일들을 포함한다. 펄스 트랜스포머들은 2차측 권선을 갖는 2차측을 구비한다. 상기 2차측 권선에 2차측 인덕턴스 (L2) 가 할당되고, 상기 2차측 권선은 n2 코일들을 포함한다. 이로써, 펄스 트랜스포머들은 n1:n2 의 1차측과 2차측의 변압비, 또는 n2:n1 의 2차측과 1차측의 변압비를 갖는다.
상기 펄스 트랜스포머는, 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 전류가 상기 1차측 권선을 통해 흐를 정도로 1차측에서 상기 파워부와 상호접속된다.
예컨대, 상기 전자적 스위치는, 상기 전원공급장치의 작동중 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 전류가 흐르는 전류경로의 부품일 수 있다. 이 경우, 상기 전자적 스위칭 소자를 통해서도 흐르는 전류는 상기 펄스 트랜스포머의 상기 1차측 권선을 통해 흐른다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 펄스 트랜스포머는, 상기 펄스 트랜스포머의 2차측 권선에 인가되어 있는 2차측 전압이 상기 전자적 스위치의 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 전류의 시간적 변화에 적어도 근사적으로 비례할 정도로 그의 2차측에서 부하를 적게 받고 있다.
펄스 트랜스포머들은 예컨대 1:20...1:100 의 변압비 n1:n2 를 갖는다. 하지만 본 발명에 따르면 상기 펄스 트랜스포머는, 흔히 통례적인 바와 같이, 정의된 작동저항 (operating resistance) 을 갖는 트랜스포머로서 2차측에서의, 전류 트랜스포머로서 통례적인 배선 (wiring) 에 있어서 작동되는 것이 아니라, 2차측에서 부하를 적게 받은 출력을 갖고 작동되고, 따라서 상기 펄스 트랜스포머의 상기 1차측 (입력측) 은 상기 배선과 달리 에너지를 전달하는 트랜스포머로서 인덕터처럼 작용하고 (부하를 받지 않은 트랜스포머), 상기 인덕터에서, 1차측에서 상기 1차측 전류의 변화에 적어도 근사적으로 비례하는 1차측 전압이 형성된다. 상기 1차측 전압은 상기 1차측 권선에 인가되어 있다. 이를 통해, 상기 펄스 트랜스포머의 변압비에 상응하여 상기 펄스 트랜스포머의 상기 2차측에서 또는 출력측에서 2차측 전압이 생기고, 상기 2차측 전압은 측정을 위해 이용 가능하다.
이 기본원리는 비교적 높은 파워를 갖는 적용들에서도 이용될 수 있다 (에너지 공급, 전자적 메인 주파수 변환, 예컨대 GTO 또는 IGBT 의 감시).
상기 감시되어야 하는 전자적 스위칭 소자에서의 양적으로 평가 가능한 전류변화속도를 계산하기 위한 토대로서는 특히 하기의 방정식들이 사용된다.
상기 펄스 트랜스포머의 출력전압, 즉 2차측 전압 (U2) 은 상기 펄스 트랜스포머의 입력전압, 즉 1차측 전압 (U1) 을 통해 주어져 있다, 즉:
U2 = n2/n1*U1
상기 2차측의, 부하를 받지 않은 펄스전달의 상기 1차측 전압 (U1) (입력전압) 에 관계
U1 = L1*di/dt
가 적용되고,
여기서 di/dt 는 상기 1차측을 통해 흐르는 전류의 시간적 변화이다.
두 식의 조합은
U2 = n2/n1*L1*di/dt
을 제공한다.
이 방정식은 적어도 근사적으로 상기 본 발명에 따른 장치의 상기 펄스 트랜스포머에 적용되고, 따라서 상기 2차측 전압은 상기 전자적 스위치의 상기 전자적 스위칭 소자에 할당된 전류의 시간적 변화에 적어도 근사적으로 비례한다.
본 발명에 따르면 역치 결정자가 제공되고, 상기 역치 결정자는, 상기 2차측 전압을 위해, 특히 상기 선택된 펄스 트랜스포머 및 그의 기술적 데이터와 협력하여, 전류경로 안에서의 특히 적어도 확정된 스위칭 속도에 도달하면, 바람직하게는 자유로이 선택 가능한 기준전압과 비교하여 인식한다. 그 후, 상기 역치 결정자의 출력에서는, 그 밖의 평가를 위한 신호가 사용 가능하다. 이 신호는 상기 평가장치에 의해 평가된다.
상기 전류경로 안에서의 상기 적어도 확정된 스위칭 속도는, 예컨대 펄스 파워 일렉트로닉 회로들 안에서 상기 사용된 전자적 파워 스위치의 비교적 전력손실이 적은 작동을 보장하기 위해 필요할 수 있다. 상기 전자적 파워 스위치의 드라이버 회로 안의 결함 또는 상기 전자적 파워 스위치 자체의 결함에 근거하여 상기 스위칭 속도가 너무 느려질 경우에는, 증가된 스위칭 전력손실이 예상될 수 있고, 상승된 그리고 아마도 파괴적인 온도가 발생할 수 있다.
상기 스위칭 속도의 감시를 통해, 후속하는 결함 또는 광범위한 부품고장 또는 어셈블리 고장이 나타나기 전에, 조짐이 보이는 결함이 인식될 수 있고 처리될 수 있다.
예컨대, 상기 전자적 스위치의 스위치 온 과정 (상승하는 전류변화 di/dt > 0) 뿐만 아니라 스위치 오프 과정도 (하강하는 전류변화 di/dt < 0) 감시하기 위해, 하나의 유일한 펄스 트랜스포머는 출력측의, 2개의 역치 결정자들과 조합하여 이용될 수 있다. 이를 통해, 경우에 따라서는 상기 감시된 전자적 스위치의 상대적으로 구별된 진단이 가능할 수 있다.
이로써, 특히 상기 전자적 스위치의 스위칭 속도의 감시가 발생한다.
상기 역치 결정자는 예컨대 연산 증폭기, 콤퍼레이터 또는 바이폴러 (bipolar) 트랜지스터이다.
상기 평가되어야 하는 스위칭 속도를 알면, 또한 필터, 특히 저역 통과 필터 (low-pass filter) 의 도움으로 2차측에서, 예컨대 일시적인, 발사된 간섭들에 맞서 내구성이 보장될 수 있다. 한편으로는 상기 펄스 트랜스포머의 설계는 최소-전류상승속도의 평가를 허용하고, 다른 한편으로는 상기 필터는 특히 빠른 그리고 짧은 이벤트들 (events) 을 감쇠시킨다. 이를 통해, 발사된 간섭 펄스들에 대한 상기 평가장치의 내구성이 개선될 수 있다.
상기 전기적 장치의 변형에 따르면, 그는 바람직하게는 상기 펄스 트랜스포머의 하류에 2차측에서 접속된 저역 통과 필터를 구비하고, 상기 저역 통과 필터는 상기 2차측 전압으로부터, 여과된 2차측 전압을 발생시키도록 셋업된다.
상기 전기적 장치의 실시형태에 따르면, 상기 평가장치는, 상기 역치 결정자를 가지고 실행된 비교에 근거하여 상기 전자적 스위칭 소자의 스위치 온 과정 또는 스위치 오프 과정을 위해 상기 전자적 스위치의 잠재적 결함을 인식하도록 셋업될 수 있다. 즉, 상기 잠재적 결함의 경우, 상기 전자적 스위치는 예컨대 상기 전자적 스위칭 소자 자체 안의 또는 그의 드라이버 장치 안의 가능한 결함에 근거하여, 예정된 것보다 느리게 스위칭된다.
바람직하게는, 상기 역치 결정자는, 상기 2차측 전압이 또는 상기 여과된 2차측 전압이 상기 기준전압을 넘자마자 변하는 출력신호를 발생시킨다.
상기 평가장치는 바람직하게는, 상기 전자적 스위치의 스위치 온 과정 또는 스위치 오프 과정에도 불구하고 상기 2차측 전압이 또는 상기 여과된 2차측 전압이 상기 기준전압에 항상 미달하면 상기 전자적 스위치의 잠재적 결함을 추론하도록 셋업된다.
이로써, 본 발명에 따른 방법은 하기의 방법단계를 구비할 수 있다: 상기 전자적 스위치의 스위치 온 과정 또는 스위치 오프 과정에도 불구하고 상기 2차측 전압이 또는 상기 여과된 2차측 전압이 상기 기준전압에 항상 미달하면, 상기 전자적 스위치의 잠재적 결함을 추론하는 방법단계.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도식적인 도면들에 예시적으로 도시된다.
도 1 은 로봇암을 갖는 로봇을 투시도로 나타내고,
도 2 는 개략적인 회로도를 나타내고,
도 3 은 전기적 회로의 회로도를 나타내고,
도 4 는 도 3 의 전기적 회로를 위한 시뮬레이션 결과들을 나타낸다.
도 1 은 로봇암 (2) 을 갖는 로봇 (1) 을 투시도로 나타낸다.
로봇암 (2) 은 본 실시예의 경우 잇달아 배치된 그리고 관절들을 통해 연결된 다수의 부재를 포함한다. 상기 부재들은 특히 고정된 또는 움직일 수 있는 베이스 (3), 및 상기 베이스 (3) 에 대해 상대적으로, 수직으로 연장되는 축 (A1) 둘레로 회전 가능하게 설치된 캐로셀 (carrousel, 4) 이다. 로봇암 (2) 의 그 밖의 부재들은 본 실시예의 경우 로커암 (5), 캔틸레버 (6), 및 상세히 도시되지 않은 엔드 이펙터를 고정하기 위한 예컨대 플랜지 (8) 로서 실시된 고정 장치를 갖는, 바람직하게는 다축인 로봇핸드 (robot hand, 7) 이다. 로커암 (5) 은 하부 단부에서, 예컨대 상세히 도시되지 않은 로커암 베어링 헤드에서 캐로셀 (4) 위에, 바람직하게는 수평인 축 (A2) 둘레로 선회 가능하게 설치된다. 로커암 (5) 의 상부 단부에는, 또다시 마찬가지로 바람직하게는 수평인 축 (A3) 둘레로 캔틸레버 (6) 가 선회 가능하게 설치된다. 그는 단부쪽에, 바람직하게는 3개의 축 (A4, A5, A6) 을 갖는 로봇핸드 (7) 를 받치고 있다.
로봇 (1) 을 또는 그의 로봇암 (2) 을 움직이기 위해, 그는 일반적으로 공지된 방식으로 제어장치 (10) 와 연결된 전기적 드라이브들을 포함한다. 도면 1 에는, 로봇암 (2) 안에 또는 상기 로봇암에 고정된 이 전기적 드라이브들의 전기 모터들 (9) 중 몇몇이 도시된다. 상기 전기적 드라이브들의 파워일렉트로닉스 (power electronics) 는 예컨대 상세히 도시되지 않은 제어 캐비닛의 하우징의 내부에 배치되고, 상기 제어 캐비닛의 내부에 예컨대 제어장치 (10) 도 배치된다. 전기 모터들 (9) 은 본 실시예의 경우 삼상 교류 모터들, 예컨대 삼상 교류 동기식 모터들이다. 하지만 상기 파워일렉트로닉스는 로봇암 (2) 안에 그리고/또는 상기 로봇암에 배치될 수도 있다.
상기 파워일렉트로닉스는 본 실시예의 경우, 당업자에게 원칙적으로 공지된 바와 같이, 메인 전압 (mains voltage) 으로부터 직류전압을 발생시키는, 상세히 도시되지 않은 정류기와, 상기 정류기의 하류에 접속된, 마찬가지로 상세히 도시되지 않은, 상기 직류전압을 평활화하기 위한 중간회로 커패시터를 갖는 중간회로와, 상기 중간회로 커패시터의 하류에 접속된 변환기 또는 인버터를 포함한다.
예컨대 컴퓨터로서 실시된 제어장치 (10) 상에 계산 프로그램이 진행되고, 상기 계산 프로그램을 이용해 제어장치 (10) 는 로봇 (1) 의 작동중 예컨대 플랜지 (8) 가 또는 이른바 Tool Center Point 가 미리 결정된 운동을 실행할 정도로 상기 로봇을 액추에이팅한다. 경우에 따라서는 제어장치 (10) 는, 원칙적으로 당업자에게 공지된 바와 같이, 상기 전기적 드라이브들을 조절한다. 경우에 따라서는 상기 전기적 드라이브들은 조절된 전기적 드라이브들이고, 제어장치 (10) 는 상기 조절된 전기적 드라이브들을 위한 또는 그들의 인버터들을 위한 목표신호들을 발생시킨다.
본 실시예의 경우 로봇 (1) 은 상기 개별적인 부재들을 제동시키기 위한 전기기계식 브레이크들을 포함한다. 상기 브레이크들은, 전류로 가압된 인덕터를 이용해 상기 브레이크들이 풀린 상태로 유지될 정도로 실시된다. 상기 인덕터가 스위치 오프되면 상기 브레이크는 자동적으로 작동되고, 그에 할당된 로봇암 (2) 의 부재를 제동시킨다. 이를 위해, 상기 브레이크들은 예컨대 예비인장된 스프링들을 포함한다. 도 2 는 예컨대 캐로셀 (4) 을 제동시키기 위해 제공된 브레이크의 인덕터 (21) 를 나타낸다.
로봇 (1) 의 작동중 상기 브레이크를 그의 풀린 상태로 유지시키기 위해 또는 그의 작동된 상태로부터 그의 풀린 상태로 데려가기 위해, 로봇 (1) 은 본 실시예의 경우 상기 브레이크들에 할당된 펄스 전원공급장치들을 포함한다.
도 2 에는, 캐로셀 (4) 의 브레이크에 할당된 펄스 전원공급장치 (20) 의 회로도가 부분적으로 도시된다. 이로써, 인덕터 (21) 는 전원공급장치 (20) 를 위한 전기적 소모자, 특히 유도성 소모자 (22) 를 나타낸다.
전원공급장치 (20) 는 본 실시예의 경우 파워부 (23) 와, 상기 파워부 (23) 를 액추에이팅하도록 셋업되는 액추에이팅 일렉트로닉스 (24) 를 포함한다. 액추에이팅 일렉트로닉스 (24) 는 예컨대 제어장치 (10) 의 부분이다.
도 2 에 부분적으로 도시된 전원공급장치 (21) 는 예컨대, 그의 파워부 (23) 가 부분적으로만 도시된 H 브리지로서 실시될 정도로 실시된다. H 브리지들 자체는 당업자에게 원칙적으로 공지되어 있다.
전원공급장치 (20) 의 파워부 (23) 는 본 실시예의 경우 다수의 전기적 경로를 포함하고, 전원공급장치 (20) 의 작동중 상기 경로들을 통해 전류들이 흐른다.
전원공급장치 (20) 는 본 실시예의 경우 적어도 하나의 전자적 스위치 (25) 를 포함한다. 전자적 스위치 (25) 는 특히 반도체 스위치로서, 바람직하게는 파워 반도체 스위치로서 실시되고, 전자적 스위칭 소자와 상기 전자적 스위칭 소자를 액추에이팅하는 드라이버 장치 (28) 를 포함한다. 상기 전자적 스위칭 소자는 예컨대 트랜지스터 (27) 이다. 트랜지스터 (27) 는 FET 기술로 실시될 수 있다. 그는 바이폴러 트랜지스터일 수도 있다.
본 실시예의 경우 파워부 (23) 는 트랜지스터 (27), 일반적으로 상기 전자적 스위칭 소자와, 프리휠링 다이오드 (26) 를 포함한다.
파워부 (23) 는 예컨대, 특히 직류전압인 그리고 제 1 노드 (node, K1) 에 인가되어 있는 공급전압에 의해 공급을 받는다. 그는 예컨대 메인 전압으로부터 정류 및 후속하는 평활화를 이용해 발생된다.
본 실시예의 경우 파워부 (23) 의 토폴로지 (topology) 는 다음과 같다:
프리휠링 다이오드 (26) 는 한편으로는 제 1 노드 (K1) 와 연결되고 다른 한편으로는 제 2 노드 (K2) 와 차단방향으로 연결된다. 트랜지스터 (27) 는 한편에서 제 2 노드 (K2) 와 그리고 제 3 노드 (K3) 와 연결된다. 제 3 노드 (K3) 는 예컨대 기준 전위, 예컨대 접지와 연결된다.
제 2 노드 (K2) 와 제 4 노드 (K4) 사이에 상기 브레이크의 인덕터 (21) 가 접속된다.
인덕터 (21) 는 제 1 전류경로 (11) 의 부품이고, 트랜지스터 (27) 는 제 2 전류경로 (12) 의 부품이고, 프리휠링 다이오드 (28) 는 제 3 전류경로 (13) 의 부품이다.
본 실시예의 경우, 정상 작동중, 즉 상기 브레이크가 풀려져 있는 그리고 이로써 그의 관련 부재를 제동시키지 않는 작동중, 트랜지스터 (27) 는 교대로 스위치 온 및 스위치 오프된다. 특히, 그는 펄스폭 변조된 신호를 이용해 스위치 온 및 스위치 오프된다.
본 실시예의 경우, 상기 브레이크들을 그들의 풀린 상태에서 전원공급장치 (20) 를 이용해 전류로 가압하는 것이 제공된다. 이를 통해, 전자적 스위치 (25) 는 또는 트랜지스터로서 형성된 그의 전자적 스위칭 소자는 적합한 방식으로, 펄스폭 변조된 신호를 발생시키는 액추에이팅 일렉트로닉스 (24) 를 이용해 스위치 온 및 스위치 오프된다. 이를 위해 액추에이팅 일렉트로닉스 (24) 는 당업자에게 원칙적으로 공지된 방식으로 전자적 스위치 (25) 의 드라이버 장치 (28) 를 액추에이팅한다.
전자적 스위치 (25) 의 또는 그의 드라이버 장치 (28) 의 액추에이팅에 근거하여, 트랜지스터 (27) 로서 실시된 전자적 스위칭 소자는 교대로, 그의 전도하는 또는 로우 임피던스 상태와 그의 차단하는 또는 하이 임피던스 상태 사이에서 상기 펄스폭 변조된 신호에 상응하여 이리 저리로 스위칭된다.
이미 기술한 바와 같이, 브레이크의 인덕터 (21) 를 통해 지속적으로 전류가 더 이상 흐르지 않으면, 상기 브레이크가 작동된다. 이는, 전자적 스위치 (25) 가 또는 트랜지스터 (27) 로서 실시된 그의 전자적 스위칭 소자가 지속적으로 개방된 채로 있음으로써 또는 지속적으로 그의 차단하는 상태에 머무름으로써 달성된다.
로봇 (1) 의 작동 진행중에도 또는 정상 작동중에도 전자적 스위치 (25) 의 기능 유용성을 검사하기 위해, 즉 풀린 브레이크에 있어서도 전자적 스위치 (25) 의 기능 유용성을 검사하기 위해, 로봇 (1) 은 본 실시예의 경우 펄스 트랜스포머 (29) 를 포함한다.
펄스 트랜스포머 (29) 는 1차측 권선 (W2) 을 갖는 1차측을 포함하고, 상기 1차측 권선에 1차측 인덕턴스 (L1) 가 할당되고, 상기 1차측 권선은 n1 코일들을 포함한다. 펄스 트랜스포머 (29) 는 2차측 권선 (W2) 을 갖는 2차측을 포함하고, 상기 2차측 권선에 2차측 인덕턴스 (L2) 가 할당되고, 상기 2차측 권선은 n2 코일들을 포함한다. 펄스 트랜스포머 (29) 는 n1:n2 의 변압비를 갖는다 (1차측/2차측).
펄스 트랜스포머 (29) 는 본 실시예의 경우 트랜지스터 (27) 로서 실시된 전자적 스위칭 소자와 직렬로 접속되고, 따라서 1차측 권선 (W1) 을 통해 그리고 스위칭 소자 (27) 를 통해 제 2 전류경로 (12) 의 전류 (i) 가 흐른다.
펄스 트랜스포머 (29) 는, 적어도 근사적으로 다음의 것이 유효할 정도로 2차측에서 부하를 적게 받고 있고:
U2=n2:n1*U1=n2:n1*L1*di/dt
여기서 U1 은 상기 1차측 권선 (W1) 에 인가되어 있는, 펄스 트랜스포머 (29) 의 1차측 전압이고, U2 는 상기 2차측 권선 (W2) 에 인가되어 있는, 펄스 트랜스포머 (29) 의 2차측 전압이다.
이로써, 2차측 전압 (U2) 은 트랜지스터 (27) 로서 형성된 전자적 스위칭 소자를 통해 흐르는 전류 (i) 의 시간적 변화에 적어도 근사적으로 비례한다.
스위칭 전원공급장치 (20) 는 본 실시예의 경우 역치 결정자 (30) 를 포함하고, 상기 역치 결정자는 예컨대 연산 증폭기로서 실시된다.
역치 결정자 (30) 는 예컨대 제 1 입력 (31) 과 제 2 입력 (32) 을 포함하고, 상기 제 2 입력에 2차측 전압 (U2) 이 인가되어 있다. 제 1 입력 (31) 에는 기준신호로서의 기준전압 (Uref) 이 인가되어 있다. 상기 기준신호는 정적일 수 있고 또는 필요시 작동 진행중 동적으로 맞춰질 수 있다.
역치 결정자 (30) 는 출력 (33) 을 포함하고, 상기 출력에 출력신호가 인가되어 있다. 그에 2개의 논리적 값들이 할당되고, 즉 상기 출력신호는 그의 제 2 입력 (32) 에 인가되어 있는 2차측 전압 (U2) 이 비교전압 (Uref) 보다 작은 동안은 제 1 값을 갖는다. 제 2 입력 (32) 에 인가되어 있는 2차측 전압 (U2) 이 기준전압 (Uref) 보다 크면, 상기 출력신호는 상기 제 1 값과 다른 제 2 값을 갖는다.
이미 설명한 바와 같이, 적어도 근사적으로 다음이 유효하다
U2=n2:n1*L1*di/dt.
상기 기준전압 (Uref) 또는 상기 기준신호는 본 실시예의 경우, 트랜지스터 (27) 를 통한 전류 (i) 의 시간적 변화가 미리 결정된 값을 넘으면 상기 출력신호가 그의 제 2 값을 취할 정도로 선택된다. 이 미리 결정된 값은 상기 완전히 기능이 유용한 전자적 스위치 (25) 에 할당된다. 전류 (i) 가 스위칭시 너무 느리게 변하면 2차측 전압 (U2) 은 기준전압 (Uref) 을 넘지 않고, 그로 인하여, 전자적 스위치 (25) 의 시작되는 결함이 추론될 수 있다.
상기 출력신호는 그 후 평가장치 (34) 에 의해 평가될 수 있다. 평가장치 (34) 는 제어장치 (10) 의 부분일 수 있다.
또한, 펄스 트랜스포머 (29) 가 프리휠링 다이오드 (26) 와 직렬로 접속되고, 따라서 프리휠링 다이오드 (26) 를 통한 전류의 시간적 변화가 분석되는 것이 제공될 수 있다. 이 전류는 마찬가지로 전자적 스위칭 소자 (25) 에 할당된 전류이다.
트랜지스터 (27) 의 스위칭 시점들에 관해 알고 평가장치 (34) 는 전자적 스위치 (25) 의 시작되는 결함을 비교적 빨리 인식할 수 있다. 적합한 설계에 있어서 예컨대 200 ns 이내보다 훨씬 더 빠르다.
펄스 트랜스포머 (29) 의 극성 (polarity), 트랜지스터 (27) 에서의 또는 프리휠링 다이오드 (26) 에서의 그의 배치, 및 역치 결정자 (30) 에의 그의 연결의 유형은 자유로이 선택될 수 있고, 스위치 온 과정의 시작 (로드 인덕터의 자화, 저항성 또는 용량성 로드 안의 전류흐름의 시작) 을 또는 스위치 오프 과정의 시작 (소자 (demagnetize), 프리휠링, 다른 로드의 스위치 오프) 을 평가하는 것을 허용한다.
도 3 은 컴퓨터 시뮬레이션 형태의 실시형태를 나타낸다. 이때, 전자적 스위치 (25) 는 또는 그의 전자적 스위칭 소자는 스위칭 가능한 전류원 (41) 으로서 시뮬레이션되고, 따라서 전류원 (41) 의 전류는 트랜지스터 (27) 를 통한, 일반적으로 전자적 스위칭 소자 (27) 를 통한, 전류 (i) 를 시뮬레이션한다.
상기 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 펄스 트랜스포머 (29) 의 값들은 다음과 같다:
L1=200nF
L2=80μF
n1=1
n2=20
도 3 에 도시된 컴퓨터 시뮬레이션의 회로도의 경우, 펄스 트랜스포머 (29) 는 2차측에서 저역 통과 필터와 배선되고, 상기 저역 통과 필터는 제 1 저항 (R1), 제 1 커패시터 (C1), 및 상기 제 1 커패시터 (C1) 에 병렬로 접속된 제 2 저항 (R2) 을 구비한다. 이 구성요소들의 값들은 다음과 같다:
R1=100Ω
R2=10kΩ
C1=1nF
상기 저역 통과 필터의 하류에 역치 결정자 (42) 가 접속되고, 상기 역치 결정자의 입력 (43) 에 전압이 인가되어 있다. 본 실시예의 경우, 제 2 저항 (R2) 에 대해 그리고 제 1 커패시터 (C1) 에 대해 병렬로 다이오드 (D) 는, 입력들 (43) 에 양의 전압들만 인가되어 있을 정도로 접속된다.
이로써, 역치 결정자 (42) 의 입력 (43) 에 인가되어 있는 전압은 상기 저역 통과 필터를 이용해 여과된, 펄스 트랜스포머 (29) 의 2차측 전압 (U2｀) 이고, 이때 음의 전압값들은 다이오드 (D) 를 통해 걸러내져 있다.
역치 결정자 (42) 는 본 실시예의 경우 제어된 스위치이고, 상기 제어된 스위치는 그의 입력 (43) 에 인가되어 있는 전압이 기준전압보다 크거나 같자마자 폐쇄한다. 상기 기준전압은 본 실시예의 경우 1.0V 이고, 따라서 상기 스위치는 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 1.0V 보다 크거나 같자마자 폐쇄하고, 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 1.0V 보다 작으면 개방한다.
역치 결정자 (42) 는 예컨대 바이폴러 트랜지스터이고 출력전압 (U) 을 갖는다.
도 3 의 회로는 또한 제 3 저항 (R3) (220Ω) 과 제 2 커패시터 (C2) (10nF) 를 포함하고, 그들은 각각 그들의 연결부들 중 하나와 함께 노드 (K) 와 연결된다. 제 2 커패시터 (C2) 의 다른 연결부는 접지와 연결된다.
또한, 1.0V 의 직류전압을 발생시키는 전압원 (V) 이 제공된다. 전압원 (V) 은 한편으로는 접지와 연결되고 다른 한편으로는 제 3 저항 (R3) 과 연결된다.
역치 결정자 (42) 의 스위치는 노드 (K) 및 접지와 연결된다.
상기 역치 결정자의 입력 (43) 에서의 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 1.0V 보다 작으면 역치 결정자 (42) 의 스위치가 개방되어 있기 때문에, 그의 입력 (43) 에서의 상기 여과된 전압 (U2｀) 이 1.0V 보다 작은 동안은 출력전압 (U) 은 1.0V 와 같다. 입력 (43) 에서의 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 1.0V 보다 크거나 같으면, 역치 결정자 (42) 의 상기 스위치가 폐쇄하고 출력전압 (U) 은 영이 된다.
도 3 의 회로를 테스트하기 위해, 전류원 (41) 은 전류 (i) 의 서로 다른 높이의 펄스들 (전류 펄스들) 을 발생시키고, 상기 펄스들은 도 4 에 도시된다. 상기 전류 펄스들의 상승 시간들 및 하강 시간들은 항상 1 ㎲ 이고, 따라서 상기 상이한 펄스높이로부터 그리고 상기 항상 동일한 상승 시간 및 하강 시간으로부터, 기능 원리를 증명하기 위해, 서로 다른 높이의 전류변화율 di/dt 을 갖는 펄스들이 생긴다.
상기 전류 펄스들은 펄스 트랜스포머 (29) 의 1차측을 통해 보내진다. 두 인덕턴스 (L1, L2) 의 비율 (1:400) 은 1:20 의 코일수 비율 또는 전달비에 상응한다.
그러나 펄스 트랜스포머 (29) 의 출력에, 즉 2차측에서 언급할 만하게 부하를 가하지 않으면서 그리고 펄스 트랜스포머 (29) 의 1차측에서의 특성들을 현저히 변경시키기 않으면서, 펄스 트랜스포머 (29) 의 2차측 전압 (U2) 은 저역 통과 필터 및 다이오드 (D) 를 통해 여과되고 제한된다.
펄스 트랜스포머 (29) 의 값들에 근거하여, 250 mA / ㎲ 의 전류 (i) 의 변화부터 1.0 V 의 결정역치가 달성되고, 평가 가능한 신호 (출력신호 U) 가 생기는 것이 발생한다.
도 4 는, 펄스 트랜스포머 (29) 의 1차측 권선 (W1) 안의 di/dt = 250 mA / ㎲ 의 전류 (i) 의 변화부터 출력신호 (U) 가 생기는 것을 나타내고, 상기 출력신호는 상기 선택된 수치 예를 위해 충분히 빠른 전류변화를 표시한다.
도 4 에 도시된 전류 펄스들은 다음과 같은 높이들에서 전류변화율 di/dt 를 갖는다:
25 mA / ㎲; 50 mA / ㎲; 75 mA / ㎲; 100 mA / ㎲; 125 mA / ㎲;
150 mA / ㎲; 175 mA / ㎲; 200 mA / ㎲; 225 mA / ㎲; 250 mA / ㎲;
275 mA / ㎲; 300 mA / ㎲; 325 mA / ㎲; 350 mA / ㎲; 375 mA / ㎲;
400 mA / ㎲; 425 mA / ㎲; 450 mA / ㎲; 475 mA / ㎲; 500 mA / ㎲;
상기 저역 통과 필터는 상기 역치 결정자의 의도치 않은 작동을 초래할 수 있는 발사된 간섭들을 감쇠시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 전기적 장치로서,
    - 전기적 소모자 (22) 를 구비하고,
    - 전자적 스위칭 소자 (27) 와, 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 를 액추에이팅하는 드라이버 장치 (28) 를 포함하는 전자적 스위치 (25) 를 구비하고,
    - 펄스 전원공급장치 (20) 를 구비하고, 상기 펄스 전원공급장치는 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 를 갖는 파워부 (23) 를 구비하고, 상기 펄스 전원공급장치는, 전압으로부터 상기 하나의 전자적 스위칭 소자 (27) 의 교대적인 스위치 온과 스위치 오프에 근거하여 상기 전기적 소모자 (22) 를 위한 공급전압 또는 공급전류를 발생시키도록 셋업되고, 이때 상기 파워부 (23) 는 전류경로 (12) 를 구비하고, 상기 전원공급장치 (20) 의 작동중 상기 전자적 스위치 (25) 의 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 에 할당된 전류 (i) 는 상기 전류경로를 통해 흐르고,
    - 적어도 하나의 펄스 트랜스포머 (29) 를 구비하고, 상기 펄스 트랜스포머는 1차측 권선 (W1) 을 갖는 1차측과 적어도 하나의 2차측 권선 (W2) 을 갖는 적어도 하나의 2차측을 구비하고, 상기 펄스 트랜스포머는, 상기 전자적 스위치 (25) 의 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 에 할당된 상기 전류 (i) 가 상기 1차측 권선 (W1) 을 통해 흐를 정도로 그의 1차측과 함께 상기 파워부 (23) 안으로 접속되고, 이때 상기 펄스 트랜스포머 (29) 는, 상기 2차측 권선 (W2) 에 인가되어 있는 2차측 전압 (U2) 이 상기 전자적 스위치 (25) 의 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 에 할당된 상기 전류 (i) 의 시간적 변화에 적어도 비례할 정도로 그의 2차측에서 부하를 적게 받고 있고,
    - 역치 결정자 (30, 42) 를 구비하고, 상기 역치 결정자는 상기 2차측 전압 (U2) 을 또는 여과 (filtering) 를 통해 발생된 여과된 2차측 전압 (U2｀) 을, 특히 전자적 스위치 (25) 에 할당된 전류의 시간적 변화에 할당된 기준전압과 비교하도록 셋업되고,
    - 상기 역치 결정자 (30, 42) 와 커플링된 평가장치 (34) 를 구비하고, 상기 평가장치는, 상기 역치 결정자 (30, 42) 를 가지고 실행된 상기 비교에 근거하여 상기 전자적 스위치 (25) 의 잠재적 결함을 인식하도록 셋업되는, 전기적 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자적 스위치 (25) 는 반도체 스위치이고, 상기 전자적 스위칭 소자는 트랜지스터 (27) 로서 형성되는 것;
    상기 전기적 소모자 (22) 는 유도성 (inductive) 소모자인 것; 및
    상기 파워부 (23) 는 H 브리지로서 형성되는 것 중 적어도 하나인, 전기적 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자적 스위칭 소자 (27) 는 상기 전류경로 (12) 의 부품이고, 상기 전원공급장치 (20) 의 작동중 상기 전자적 스위치 (25) 의 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 에 할당된 상기 전류 (i) 는 상기 전류경로를 통해 흐르는, 전기적 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가장치 (34) 는, 상기 역치 결정자 (30, 42) 를 가지고 실행된 상기 비교에 근거하여 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 의 스위치 온 과정 또는 스위치 오프 과정을 위해 상기 전자적 스위치 (25) 의 잠재적 결함을 인식하도록 셋업되는, 전기적 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차측 전압 (U2) 은 적어도 근사적으로 하기의 방정식에 따라 발생하고:
    U2=n2/n1*L1*di/dt
    여기서 n1 은 상기 1차측 권선 (W1) 의 코일들이고, n2 는 상기 2차측 권선 (W2) 의 코일들이고, L1 은 상기 1차측 권선 (W1) 의 1차측 인덕턴스이고, L2 는 상기 2차측 권선 (W2) 의 2차측 인덕턴스이고, di/dt 는 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 에 할당된 상기 전류 (i) 의 변화인, 전기적 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 역치 결정자 (30, 42) 는, 상기 2차측 전압 (U2) 이 또는 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 상기 기준전압을 넘자마자 변하는 출력신호를 발생시키는, 전기적 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 장치의 상기 평가장치 (34) 는, 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 의 스위치 온 과정 또는 스위치 오프 과정에도 불구하고 상기 2차측 전압 (U2) 이 또는 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 상기 기준전압에 항상 미달하면 상기 전자적 스위치 (25) 의 잠재적 결함을 추론하도록 셋업되는, 전기적 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 장치는 상기 펄스 트랜스포머 (29) 의 하류에 2차측에서 접속된 저역 통과 필터를 구비하고, 상기 저역 통과 필터는 상기 2차측 전압 (U2) 으로부터 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 을 발생시키도록 셋업되는, 전기적 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 전기적 장치 (1) 의 전원공급장치 (20) 를 검사하기 위한 방법으로서,
    - 상기 전자적 스위칭 소자 (27) 를 교대로 개방 및 폐쇄하는 방법단계,
    - 상기 2차측 전압 (U2) 을 또는 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 을 상기 기준전압과 비교하는 방법단계, 그리고
    - 상기 비교에 근거하여, 상기 전자적 스위치 (25) 의 잠재적 결함을 추론하는 방법단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전자적 스위칭 소자 (27) 의 스위치 온 과정 또는 스위치 오프 과정에도 불구하고 상기 2차측 전압 (U2) 이 또는 상기 여과된 2차측 전압 (U2｀) 이 상기 기준전압에 항상 미달하면, 상기 전자적 스위치 (25) 의 잠재적 결함을 추론하는 것을 구비하는, 방법.
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