专利名称：用于具有吸引和/或保持线圈的开关设备的控制装置以及用于控制流经线圈的电流的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于具有吸引和/或保持线圈的开关设备、特别是电压或电流脱扣器的控制装置，包括一个与该吸引和/或保持线圈连接的、脉宽被控制的开关装置和一个控制单元，该控制单元与该开关装置连接并且产生脉宽可调的控制信号，本发明还涉及一种用于控制流经所述吸引和/或保持线圈的电流的方法。
背景技术：
由DE 299 09 901 Ul公开了一种用于接触器驱动装置的控制装置，其中，控制装置包括一个与驱动线圈串联连接的、脉宽被控制的电子开关装置和一个控制电路，该控制电路在输出侧与该开关装置连接。该接触器驱动装置具有两个激活的开关状态，即线圈的吸引和保持。为此，在控制电路中存储两个具有额定值的特征值表。此外，对于这两个不同的开关状态使用两个开关回路来确定瞬时的驱动线圈电压。驱动线圈电压的被求得的两个测量值被传输给控制电路。为了信号的转换，控制电路具有两个信号输入端，所述信号输入端具有前联的模-数-转换器。
在EP 0 789 378 Al中公开了一种用于接触器驱动装置的控制装置，该控制装置由串联连接的驱动线圈、开关晶体管和用于提供来自线圈电流的测量值的测量电阻构成。测量值被供应给一控制电路，该控制电路基于该测量值、控制装置的输入电压和接触器驱动装置的开关状态确定用于开关晶 体管的控制信号。
线圈电流的确定在测量技术上很费事，并且流经线圈的电流的调整很费时间。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种相对于现有技术简化的开关装置，该开关装置用于具有吸引和/或保持线圈的开关设备、特别是用于电压或电 流脱扣器，该开关装置使流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈的电流近 似保持恒定，而不必在控制单元中存储特征值表。
所述目的通过如权利要求1前序部分所述的控制装置通过以下方式实 现，即，控制单元根据该控制单元的输入电压信号这样地确定控制信号的 脉宽，使得控制装置使流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈的电流近似
保持恒定。所述目的对于如权利要求19前序部分所述的开关设备通过以下 方式实现，即，控制单元根据该控制单元的输入电压信号这样地确定控制 信号的脉宽，使得控制装置使流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈的电 流近似保持恒定。此外，所述目的通过一种用于控制流经开关设备的吸引 和/或保持线圈的电流的方法以如下方式实现，即，求得该开关设备的输入 电压并且根据线圈电压的可预给定的电压额定值这样地确定用于控制开关 装置的脉宽调制信号，使得开关装置使流经所述开关设备的吸引和/或保持 线圈的电流近似保持恒。
在从属权利要求中定义了本发明的进一步构型。
因此，本发明的控制装置借助于电压测量使流经开关设备的电流近似 保持恒定。可以根据所述开关设备的类型将用于施加在开关设备线圈上的 电压的额定值预先供给控制装置。如果作为电压或电流脱扣器的开关设备 具有一个吸引和/或保持线圈并且控制装置的输入电压是直流电压或交流电 压，则流经开关设备的电流被调整到一个近似恒定的值上。这通过近似恒 定的线圈电压时间实现并且由于与用于调整恒定的线圈电流的电流测量相 比电路耗费较少而被证实是非常有利的。
控制装置这样地调整开关设备线圈上的电压，使得其与开关设备的开 关状态、即线圈的吸引或保持、无关地与预给定的线圈给定电压相应。
用于开关装置的脉宽可调的控制信号由控制单元产生。该控制单元在 输入侧例如与用于检测输入电压信号的高低的电压测量器连接，该电压测 量器向控制单元发送当前的输入电压信号。控制单元根据被发送的输入电
压信号求得具有当前脉宽的当前控制信号，从而开关装置将所述开关设备 线圈上的线圈电压近似保持恒定。
控制装置有利地与开关设备的开关状态(吸引过程或保持工况)无关 地恒定地保持开关设备上的电压或流经该开关设备的电流。由此，避免了流经该开关设备的电流的费事的测量。
为了能够使控制装置恒定地保持流经开关设备的吸引和/或保持线圈， 有利地求得当前施加在该开关设备上的线圈电压。有利的是，设置至少一 个用于探测当前施加的输入电压的探测装置。该探测装置可以是所述电压 测量器的一部分，借助于该探测装置在可预给定的时刻或必要时连续地探 测施加的输入电压。然后，由电压测量器求得的输入电压值与电压信号在 控制单元上的施加持续时间(接通时间)和脉宽调制的控制信号的周期持 续时间的商相乘。获得的线圈电压值有利地被与一个可预给定的线圈电压 额定值相比较并且由此求得一个新的用于脉宽调制的接通时间。
有利的是，所述脉宽被控制的开关装置包括一个开关晶体管。在一个
有利的实施方式中，所述开关晶体管是场效应晶体管，特别是自截止的n-沟道-场效应晶体管。使用这种场效应晶体管的优点是，这种场效应晶体管 可以通过电压控制，在这种情况下，直接通过由控制单元输出的电压控制。
用于开关装置的、脉宽可调的控制信号可以由脉冲发生器产生。在此， 控制单元向该脉冲发生器发送控制信号的被求得的当前脉宽。所述脉冲发 生器可以与控制单元分开地设置，由此降低控制单元的复杂性。
作为替代方案，可以的是，将脉冲发生器集成到控制单元中，由此控 制单元可以自己直接产生脉宽可调的控制信号。由此，避免了分开的脉冲 发生器的设置。
控制装置的控制单元有利地具有至少一个用于处理数据的数据处理单 元，由此，控制单元可以快速且有效地检测和处理用于确定控制信号的当 前脉宽的数据。特别有利的是，所述数据处理单元包括一个微处理器。这 种微处理器物美价廉并且可以毫无问题地与当时的应用领域相适配。
控制单元通常具有低欧姆阻抗，而电压测量器具有高欧姆阻抗。出于 该原因，被证明有利的是，控制单元包括一个用于使所述高欧姆的电压测 量器的阻抗与控制单元的低欧姆阻抗相适配的阻抗变换器。由此，可被用 于求得控制单元的输入电压信号的电压测量器仅被最小地负载并且可检测 的测量值的精度得到提高。
这种阻抗变换器有利地包括至少一个运算放大器，因为运算放大器可 以物美价廉地并且多方面的使用。此外，运算放大器与分立的电路技术相 比优点在于无需进行工作点的稳定化和温度变化特性的补偿。数据处理单元通常在内部以数字信号工作。所以，在输入侧施加的模 拟信号、在此是用于求得控制单元的输入电压信号的电压测量器的模拟测 量信号、应被转换。为此，所述数据处理单元包括一个模-数-转换器，该模 -数-转换器将模拟信号转换为数字信号以便在该数据处理单元中进行进一 步处理。
开关设备包括一个线圈，即用于操作所述电压和/或电流脱扣器的吸引 和/或保持线圈。因此，对于在输入侧施加的交流电压有利的是，控制装置 在输入侧具有一个用于对施加在控制装置的输入端上的交流电压进行整流 的整流器电路。
此外，控制装置的输入电压信号可以除了直流电压份额外还包括交流 电压份额，所述交流电压份额可以由一个有利地设置的滤波器电路滤除。 这种滤波器电路可以设置在控制装置的输入侧。
根据控制装置的应用领域，控制装置的替代实施方式也是可以的。因 此例如有利的是，当控制单元的输入电压遭受强烈的波动时，可连续地执 行所述用于控制的方法。但是，在其他情况下也有意义的是，可以在确定 的、可调节的时刻(自由选择)执行所述用于控制的方法，例如，如果可 预料的话，仅仅在确定的时刻改变输入电压。为了检测这种改变，在输入 电压改变之后执行所述方法。控制装置以一定精度恒定地保持流经开关设 备的电流，所述精度可以取决于控制过程的频繁程度。为了能够使控制装 置尽可能灵活地被使用，被证明有利的是，除了连续的和自由选择的控制 之外，所述控制也可以间歇地被执行，也就是说所述控制规则地以相同的 时间间隔被执行，其中，两个控制过程之间的时间是可调节的。
在流经开关设备的吸引和/或保持线圈的电流的保持精度(所述控制被 以所述精度执行)主要与频繁程度有关的前提下，有利的是，两个控制过
程之间的时间不大于150|_is并且优选不大于70ps。
下面借助于附图中所示的实施例详细解释本发明。附图中 图1:是本发明的用于具有吸引或保持线圈的开关设备的控制装置的电 路图，
图2:是图1中控制装置的控制单元的细节的电路图，图3:是确定新的脉宽调制接通时间的流程图，其由图1中的控制装置 的控制单元执行，和
图4:是电压信号的电压/时间图，被施加在脉宽调制的接通时间上用 于控制图1中的控制装置。
具体实施例方式
在图1中示出本发明的用于开关设备的控制装置1。该控制装置1使流 经吸引或保持线圈2的电流近似保持恒定，所述吸引或保持线圈用于操作 该开关设备的电压或电流脱扣器。为了避免费事地测量流经吸引和/或保持 线圈2的电流，根据本发明，对施加在吸引/保持线圈2上的电压进行测量。 通过与是否存在AC或DC输入电压无关地近似恒定地保持吸引/保持线圈 上的电压，流经吸引/保持线圈2的电流也被近似保持恒定。为了控制装置 1能够近似恒定地保持施加在吸引/保持线圈2上的电压， 一个开关装置3 与该吸引/保持线圈2连接。在所示的实施例中，所述开关装置是n-沟道-场效应晶体管，该n-沟道-场效应晶体管在漏极侧与吸引/保持线圈2连接并 且在栅极侧与控制单元4连接。该开关装置3通过脉宽可调的控制信号控 制。开关装置3根据该控制信号的脉宽来控制施加在开关设备的吸引/保持 线圈2上的电压。所述脉宽可调的控制信号由一个控制单元4产生。
控制单元4将瞬时施加在吸引/保持线圈2上的、被计算的线圈电压USp 与存储在该控制单元4中的线圈电压额定值Usp,s。u进行比较并且根据比较 值改变该控制信号的脉宽，由此，开关装置3近似恒定地保持吸引/保持线 圈2上的线圈电压Usp。为了与线圈电压额定值Usp,^进行比较，控制单元 4需要瞬时施加在控制装置1上的输入电压U。该输入电压U通过一个电 压测量器5被提供给控制单元4，其中，可以设置一个用于探测该输入电压 U的探测装置6。
施加在控制装置1的输入端上的交流电压通过整流器电路或滤波器电 路7被转换为直流电压，其中，转换为脉冲式的直流电压就足够了。该直 流电压施加在探测装置6以及线圈2上。
图2示出所述在图1中仅仅示意性表示的控制单元4的电路图。该控 制单元4包括一个微控制器8和一个运算放大器9。该运算放大器9连接在 控制单元4的输入端与微控制器8之间，其满足阻抗变换器的功能。控制
9单元4从电压测量器5获得控制装置1的瞬时输入电压U，其中，该电压 测量器5大多具有高欧姆阻抗，而微控制器8具有低欧姆阻抗。如果运算 放大器9没有使阻抗相互适配，则控制单元的低欧姆阻抗将强烈地加重电 压测量器的高欧姆阻抗的负担，由此将明显降低该电压测量器5的精度。
控制装置1的由电压测量器5求得的输入电压U的值涉及模拟测量值。 为了使该模拟测量值与微控制器8中的数字式进一步处理相适配，在微控 制器8的输入端上设置了一个模/数转换器Al。借助于控制装置1的输入电 压的数字化的值、脉宽调制的存在的时间TQn (-脉宽调帝ij-接通时间)和周 期持续时间tPWM (=脉宽调制时间)，微控制器8确定瞬时施加在吸引/保 持线圈2上的线圈电压Usp，该微控制器8将该线圈电压与存储的线圈电压 额定值Usp，s。u相比较。根据该比较值，微控制器8产生一个新的具有适配 的脉宽的控制信号。
图3示出该控制或调整过程的相应的流程图，图4示出用于脉宽可调 的控制信号的电压/时间图。在第一步骤10中，瞬时施加在控制装置1上的 输入电压U由电压测量器5确定或者由探测装置6探测并且被传输给控制 单元4。在第二步骤ll中，计算出瞬时施加在吸引/保持线圈2上的线圈电 压Usp。为此，将来自步骤10的输入电压U与时间Ton相乘，其中，该时 间Ton相应于控制信号的脉宽。为了获得瞬时施加在吸引/保持线圈2上的
线圈电压，所述值被控制信号的周期持续时间tpwM除。线圈电压Usp的计
算结果以图解的方式在图4中用虚线示出并且在电压轴上通过Usp表征出。 在下一步骤12中，将线圈电压Usp与所述可预给定的线圈电压额定值 Usp，s。u相比较。这在一个调整器中进行(参见图3)。根据该比较值，该调 整器确定一个用于开关装置3的控制信号的新脉宽PWM，由此，施加在吸 弓I/保持线圈2上的线圈电压USp被调整到线圈电压额定值Usp，,。n上。
在最后的步骤13中，产生具有新脉宽PWM的控制信号，该控制信号 被进一步引导至开关装置3，如图1中所示。
除了用于具有吸引和/或保持线圈的开关设备的控制装置的上面描述的 和图中所示的实施例之外，大量其他的实施例也是可以的，其中，控制信 号的相应的可调节的脉宽根据可检测到的控制装置输入电压被这样调节， 使得吸引和/或保持线圈上的电压并且从而流经该吸引和/或保持线圈的电 流基本上保持恒定。
权利要求
1.一种控制装置(1)，其用于具有一吸引和/或保持线圈(2)的开关设备、特别是电压或电流脱扣器，包括一与该线圈(2)连接的、脉宽被控制的开关装置(3)和一控制单元(4)，该控制单元与该开关装置(3)连接并且产生脉宽可调的控制信号，其特征在于，控制单元(4)根据该控制单元(4)的输入电压信号(U)这样地确定所述控制信号的脉宽，使得控制装置(1)近似恒定地保持流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流。
2. 如权利要求1所述的控制装置(1)，其特征在于， 一电压测量器(5)测量施加在控制装置(1)上的电压。
3. 如权利要求1或2所述的控制装置(1)，其特征在于，设置一用于探测所述输入电压信号的探测装置(6)。
4. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于，所述脉宽被控制的开关装置(3)包括一开关晶体管。
5. 如权利要求4所述的控制装置(1)，其特征在于，所述开关晶体管是场效应晶体管(3)，特别是自截止的n-沟道-场效应晶体管(3)。
6. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于， 一脉冲发生器产生所述脉宽可调的控制信号。
7. 如权利要求1至5之一所述的控制装置(1)，其特征在于，控制单元(4)产生所述脉宽可调的控制信号。
8. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于，控制单元(4)包括至少一个用于处理数据的数据处理单元(8)。
9. 如权利要求8所述的控制装置(1)，其特征在于，所述数据处理单元(8)包括一微控制器(8)。
10. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于，控制单元(4)包括一用于使高欧姆的电压测量器(5)的阻抗与控制单元(4)的低欧姆阻抗相适配的阻抗变换器(9)。
11. 如权利要求10所述的控制装置(1)，其特征在于，控制单元(4)的阻抗变换器(9)包括至少一个运算放大器(9)。
12. 如权利要求8至11之一所述的控制装置(1)，其特征在于，所述数据处理单元(8)在输入侧具有一个用于将电压测量器(5)的模拟测量信号转化为数字信号以便在所述数据处理单元(8)中进一步处理的模-数-转换器(Al)。
13. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于，设置一用于对施加在控制装置(1)的输入端上的交流电压进行整流的整流器电路(7)。
14. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于，设置一用于将交流电压份额从控制装置(1)的输入信号中滤除的滤波器电路(7)。
15. 如上述权利要求之一所述的控制装置(1)，其特征在于，两个控制过程之间的时间间隔不大于150pS，优选不大于70pis。
16. 如上述权利要求之一所述的用于开关设备的控制装置(1)，其特征在于，控制单元(4)通过以下方式确定该开关设备的电压，即，该控制单元由控制单元(4)的被求得的输入电压信号(U)在考虑脉宽调制时间(tpwM)的情况下求得所述吸引和/或保持线圈(2)上的瞬时线圈电压(USp)并且由该瞬时线圈电压(USp)调节当前脉宽调制接通时间(t0n)。
17. 如权利要求16所述的控制装置(1)，其特征在于，控制单元(4)的一数据处理单元(8)使开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电压(USp)与一可预给定的线圈电压额定值(Usp,s。u)相比较并且据此求得用于控制单元(4)的输出信号的当前脉宽调制接通时间(ton)。
18. 如权利要求17所述的控制装置(1)，其特征在于，所述线圈电压额定值(USp,s。 )不大于控制装置(1)的输入电压(U)的最小值。
19. 一种具有集成的控制装置(1)的开关设备，包括一脉宽被控制的开关装置(3)和一控制单元(4)，该控制单元与该开关装置(3)连接并且产生脉宽可调的控制信号，其特征在于，控制单元(4)根据该控制单元(4)的输入电压信号(U)这样地确定所述控制信号的脉宽，使得控制装置(1)近似恒定地保持流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流。
20. —种用于控制流经开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流的方法，其特征在于，求得该开关设备的输入电压(U)并且根据线圈电压(USp)的可预给定的电压额定值(USp,s。u)这样地确定用于控制幵关装置的脉宽调制信号，使得开关装置(3)近似恒定地保持流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法被连续地执行。
22. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法在可调节的时刻被执行。
23. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法被间歇地执行。
24. 如权利要求22或23所述的方法，其特征在于，两个控制过程之间的时间间隔不大于150ps，优选不大于7(His。
全文摘要
在控制具有吸引和/或保持线圈(2)的开关设备时，有利的是，流经线圈(2)的电流与开关状态、即吸引或保持、无关地近似恒定。为了避免在电路技术和测量技术上费事的电流测量或者避免复杂的、具有存储在其中用于不同的开关状态的特征值表的控制单元(8)，根据本发明提供了一种用于开关设备的控制装置(1)，其中，该控制装置(1)包括一个与线圈(2)连接的、脉宽被控制的开关装置(3)和一个控制单元(4)，其中，该控制单元(4)根据该控制单元(4)的输入电压信号(U)这样地确定所述控制信号的脉宽，使得控制装置(1)近似恒定地保持流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流。在开关设备中集成有一个这样的控制装置。在一种用于控制流经开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流的方法中，求得该开关设备的输入电压(U)并且根据线圈电压(U<sub>Sp</sub>)的可预给定的电压额定值(U<sub>Sp，soll</sub>)确定用于控制开关装置的脉宽调制信号，以致开关装置(3)近似恒定地保持流经所述开关设备的吸引和/或保持线圈(2)的电流。
文档编号H01H47/22GK101689442SQ200880024282
公开日2010年3月31日 申请日期2008年4月12日 优先权日2007年7月9日
发明者W·迈德 申请人:默勒有限公司