本發(fā)明涉及數(shù)字輸出電路。
背景技術(shù)：
在功率分配網(wǎng)絡(luò)中，通過相應(yīng)的數(shù)字輸出處理單獨(dú)的設(shè)備項(xiàng)目(例如工廠項(xiàng)目或其它負(fù)載)的控制。各個(gè)這種數(shù)字輸出通常采取開關(guān)元件的形式，開關(guān)元件可打開且可關(guān)閉以選擇性地允許電流例如從電源流向設(shè)備項(xiàng)目，以致于設(shè)備項(xiàng)目可運(yùn)行。
各個(gè)開關(guān)元件可為繼電器觸頭或所謂的高速高斷觸頭，高速高斷觸頭通常由與電子開關(guān)元件(如呈晶體管形式的半導(dǎo)體開關(guān)元件)并聯(lián)布置的繼電器觸頭組成。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于控制功率分配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備項(xiàng)目的數(shù)字輸出電路，其包括：
開關(guān)元件，其可打開且可關(guān)閉以選擇性地允許電流流向在使用中由數(shù)字輸出電路控制的設(shè)備項(xiàng)目；
電流采集電路，其用以測量流經(jīng)開關(guān)元件的電流；和
狀態(tài)監(jiān)測電路，其布置成與電流采集電路通信，狀態(tài)監(jiān)測電路配置成記錄當(dāng)開關(guān)元件關(guān)閉時(shí)測量的流經(jīng)開關(guān)元件的電流，并因此建立開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志。
包括狀態(tài)監(jiān)測電路允許監(jiān)測由數(shù)字輸出電路控制的設(shè)備項(xiàng)目的性能和任何劣化。這允許安排預(yù)測性的維護(hù)和/或在設(shè)備項(xiàng)目的正確運(yùn)行受到不利影響之前檢測到初發(fā)故障。
而且，提供這種狀態(tài)監(jiān)測，而不需要難以整合到整個(gè)控制系統(tǒng)的其余部分中的昂貴的外部監(jiān)測裝備。
優(yōu)選開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志表示受控制的設(shè)備項(xiàng)目的特定性能特征，并因此允許標(biāo)識設(shè)備項(xiàng)目的問題。
僅僅根據(jù)開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志標(biāo)識受控制的設(shè)備項(xiàng)目的潛在問題的能力是非常有益的，因?yàn)槠淇稍试S進(jìn)行預(yù)先的維護(hù)或維修。
可選地，狀態(tài)監(jiān)測電路布置成還與關(guān)閉標(biāo)志評估單元通信，關(guān)閉標(biāo)志評估單元配置成將開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志與已知的基準(zhǔn)標(biāo)志作比較并且基于比較而指示設(shè)備項(xiàng)目何時(shí)存在特定問題。
這種布置提供受控制的設(shè)備項(xiàng)目的問題的及時(shí)的、精確的和可重復(fù)的標(biāo)識。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，關(guān)閉標(biāo)志評估單元配置成當(dāng)開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志偏離基準(zhǔn)標(biāo)志達(dá)預(yù)定程度時(shí)指示設(shè)備項(xiàng)目存在特定問題。
具有如此配置的關(guān)閉標(biāo)志評估單元提供忽略相對于參考標(biāo)識的微小偏離的選擇能力，并因此幫助減少關(guān)于設(shè)備項(xiàng)目存在問題的錯(cuò)誤指示的可能性。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例中，狀態(tài)監(jiān)測電路包括緩沖器，以記錄測量的流經(jīng)開關(guān)元件的電流。
包括這種緩沖器提供記錄由電流采集電路提供的測量的電流樣本的方便且簡潔的方式。
緩沖器可配置成將記錄的測量的電流樣本傳輸?shù)疥P(guān)閉標(biāo)志評估單元。
這種布置允許評估由數(shù)字輸出電路控制的設(shè)備項(xiàng)目的任何劣化，并因此幫助標(biāo)識設(shè)備項(xiàng)目的可能的問題，諸如增加的觸頭電阻、機(jī)械磨損、污染和/或電氣缺陷。
隨后用戶或某自動(dòng)化系統(tǒng)可作出例如安排設(shè)備項(xiàng)目的維護(hù)或使設(shè)備項(xiàng)目停止服務(wù)以進(jìn)行緊急維修的建議。
優(yōu)選當(dāng)開關(guān)元件打開時(shí)，緩沖器清空。
這種緩沖器允許狀態(tài)監(jiān)測電路為開關(guān)元件關(guān)閉的下一情形重新做好準(zhǔn)備，以致于在那時(shí)再次提供設(shè)備項(xiàng)目的所需的狀態(tài)監(jiān)測。
在本發(fā)明的又一優(yōu)選實(shí)施例中，電流采集電路包括電流傳感器。
這種電流傳感器能夠精確地并可靠地測量流經(jīng)開關(guān)元件的電流。
可選地，電流采集電路另外包括調(diào)節(jié)模塊，以過濾并放大由電流傳感器提供的測量的電流。
調(diào)節(jié)模塊優(yōu)選包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以將測量的電流轉(zhuǎn)換成單獨(dú)的測量的電流樣本。
包括這種特征合乎人意地提供適合于下游處理的測量的電流樣本。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，電流采集電路包括輔助保護(hù)電路，其配置成當(dāng)測量的流經(jīng)開關(guān)元件的電流超出規(guī)定的限度時(shí)促使打開開關(guān)元件。
在電流采集電路內(nèi)包括輔助保護(hù)電路在發(fā)生例如短路故障的情況下提供開關(guān)元件和由數(shù)字輸出電路控制的設(shè)備項(xiàng)目二者的即時(shí)保護(hù)，即，通過促使打開開關(guān)元件。
附圖說明
現(xiàn)在接下來是參照圖1的本發(fā)明的作為非限制性示例的優(yōu)選實(shí)施例的簡要描述，圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的數(shù)字輸出電路的示意圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的數(shù)字輸出電路大體上由參考標(biāo)號10表示。
數(shù)字輸出電路10包括開關(guān)元件12，其可打開且可關(guān)閉以選擇性地允許電流i流向設(shè)備項(xiàng)目14，例如負(fù)載16，設(shè)備項(xiàng)目14在使用中與數(shù)字輸出電路10連接并由數(shù)字輸出電路10控制。數(shù)字輸出電路10在使用中還與電源18連接，電源18供應(yīng)用于由設(shè)備項(xiàng)目14使用的前述電流i。
在示出的實(shí)施例中，開關(guān)元件12為高速高斷觸頭20，其由常規(guī)的繼電器觸頭22制成，繼電器觸頭22布置成與呈絕緣柵雙極型晶體管(igbt)23形式的半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)。其它形式的半導(dǎo)體開關(guān)元件諸如場效應(yīng)晶體管(fet)以及其它類型的開關(guān)元件諸如機(jī)電開關(guān)也是可行的。
數(shù)字輸出電路10還包括電流采集電路24，以測量流經(jīng)開關(guān)元件12的電流i。
電流采集電路24包括電流傳感器26，在示出的實(shí)施例中，其采取與開關(guān)元件12串聯(lián)連接的阻抗28的形式。然而其它類型的電流傳感器26是可行的，其包括例如分開的感測組件，如場效應(yīng)傳感器(例如霍爾效應(yīng)傳感器))或電流變壓器?？商幚碇绷麟娏?dc)并具有寬頻響應(yīng)以致于能夠測量快速的電流瞬變的任何電流傳感器將是適合的。
同時(shí)前面提及的分開的或遠(yuǎn)程的感測組件不必須要被整合到數(shù)字輸出電路10內(nèi)，而是可將測量的電流im提供至數(shù)字輸出電路10。
除了前述之外，電流采集電路24還包括調(diào)節(jié)模塊30，以過濾并放大由電流傳感器26提供的測量的電流im。
更具體而言，調(diào)節(jié)模塊30包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)32，以將測量的電流im轉(zhuǎn)換成單獨(dú)的測量的電流樣本is。adc32轉(zhuǎn)換并縮放測量的電流im，且adc32的分辨率和采樣速率使得在電流和時(shí)間二者方面，在被數(shù)字輸出電路10內(nèi)的其它電路使用的最終測量的電流樣本is中存在充分的分辨率。
在這點(diǎn)上，示出的數(shù)字輸出電路10進(jìn)一步包括可選的主保護(hù)電路34和狀態(tài)監(jiān)測電路36二者，其各自布置成與電流采集電路24通信，且更具體而言，其各自布置成接收來自電流采集電路24的相應(yīng)的測量的電流樣本is。
主保護(hù)電路34配置成基于測量的流經(jīng)開關(guān)元件12的電流im建立電流跳脫特性。主保護(hù)電路34還配置成當(dāng)電流跳脫特性超出預(yù)定的閾值時(shí)促使打開開關(guān)元件12。
更具體而言，主保護(hù)電路34配置成建立基于電流平方時(shí)間的電流跳脫特性i2t(但是，其他的(例如任意的)跳脫特性也是可行的)，且其包括下面的電路元件以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：第一緩沖器38，其在使用中以保留由電流采集電路24提供的單獨(dú)的測量的電流樣本is；和積分器40，其將在第一緩沖器38中保留的電流樣本is加和并提供電流樣本is的平均數(shù)。
在示出的實(shí)施例中，第一緩沖器38為旋轉(zhuǎn)緩沖器42，其布置成使得當(dāng)新的測量的電流樣本is保留在其中時(shí)，緩沖器42中最舊的測量的電流樣本is被覆蓋。
另外，各個(gè)測量的電流樣本is進(jìn)行平方。這可通過adc32(如在示出的實(shí)施例中的情形那樣)或通過旋轉(zhuǎn)緩沖器42完成。而且，以固定的速率(例如，由adc32的采樣速率確定的速率)得到測量的電流樣本is，使得通過積分器生成的平均數(shù)具有期望的基于電流平方時(shí)間的特性，其又建立類似地賦有的電流跳脫特性i2t。
每當(dāng)新的測量的電流樣本is保留在旋轉(zhuǎn)緩沖器42中時(shí)，積分器40讀出旋轉(zhuǎn)緩沖器42的內(nèi)容，并之后將單獨(dú)的樣本加和以給出全部存儲的樣本序列的積分?jǐn)?shù)(即平均數(shù))。而且，因?yàn)榈谝痪彌_器38為旋轉(zhuǎn)緩沖器42，所以通過積分器40生成的平均數(shù)為滾動(dòng)平均數(shù)，使得電流跳脫特性i2t類似地跟蹤滾動(dòng)平均值。
第一緩沖器38的長度(即，旋轉(zhuǎn)緩沖器42的長度)和第一緩沖器38保留單獨(dú)的測量的電流樣本is的速率各自是可調(diào)節(jié)的。例如，第一緩沖器38保留單獨(dú)的測量的電流樣本is的速率可通過更改adc32的采樣速率調(diào)節(jié)。
以前述的方式，根據(jù)主保護(hù)電路34的期望的電路中斷特性操縱電流跳脫特性i2t是可行的。例如，快的采樣速率和短的第一緩沖器38將提供快速的保護(hù)，即，較快促使打開開關(guān)元件12，而慢的采樣速率和長的第一緩沖器38將提供慢速的保護(hù)，即較慢促使打開開關(guān)元件12。
第一緩沖器38的長度l優(yōu)選地通過l=fs*tt給出
其中
fs為例如adc32d的采樣速率；和
tt為跳脫時(shí)間，即，當(dāng)開關(guān)元件12傳送標(biāo)稱跳脫電流inom時(shí)，完全打開開關(guān)元件12所需要的時(shí)間量。
主保護(hù)電路34還包括閾值比較器44以將電流跳脫特性i2t與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較。
預(yù)定的閾值t可通過t=l*inom2給出
其中
l為第一緩沖器38的長度；且
inom2為前面提及的標(biāo)稱電流inom的平方。
除了上述之外，主保護(hù)電路34另外配置成當(dāng)電流跳脫特性i2t落在預(yù)定的閾值以下時(shí)促使關(guān)閉開關(guān)元件12，即，將數(shù)字輸出電路10復(fù)位成其正常的運(yùn)行配置。
同時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測電路36配置成記錄當(dāng)開關(guān)元件關(guān)閉時(shí)測量的流經(jīng)開關(guān)元件12的電流is并因此建立開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志，即，表示為由數(shù)字輸出電路10控制的設(shè)備項(xiàng)目14的特定的性能特征的獨(dú)特的電流特性。
更具體而言，狀態(tài)監(jiān)測電路36布置成與關(guān)閉標(biāo)志評估單元54通信，關(guān)閉標(biāo)志評估單元54可以是處理器，諸如計(jì)算機(jī)或其它微處理器，且其在任何情況下都配置成將開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志與已知的基準(zhǔn)標(biāo)志進(jìn)行比較，并基于比較，例如當(dāng)開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志偏離基準(zhǔn)標(biāo)志達(dá)預(yù)定的程度時(shí)，而指示設(shè)備項(xiàng)目14存在特定問題。
狀態(tài)監(jiān)測電路36包括呈狀態(tài)緩沖器46的形式的緩沖器，以記錄測量的流經(jīng)開關(guān)元件12的電流im。更具體而言，狀態(tài)緩沖器46為快速緩沖器，其記錄開關(guān)元件12在遵循關(guān)閉開關(guān)元件12的指令的運(yùn)行的前幾毫秒期間的測量的電流樣本is(即,由電流樣本電路24提供的)。
狀態(tài)緩沖器46還配置成將記錄的測量的電流樣本ir傳輸至關(guān)閉標(biāo)志評估單元54。記錄的測量的電流樣本的這種傳輸可例如在狀態(tài)緩沖器46滿了的時(shí)候進(jìn)行。
此外，狀態(tài)緩沖器46還配置成當(dāng)開關(guān)元件12再次打開時(shí)清空，使得狀態(tài)緩沖器46然后能夠再次進(jìn)行前面提及的狀態(tài)監(jiān)測功能。
與上面提及的前述特征一樣，電流采集電路24還包括輔助保護(hù)電路(未示出)，其配置成當(dāng)測量的流經(jīng)開關(guān)元件12的電流im超出規(guī)定的限度時(shí)(例如在發(fā)生短路故障的情況下可能出現(xiàn)的那樣)促使打開開關(guān)元件12。
示出的數(shù)字輸出電路10還包括開關(guān)控制模塊48，其依據(jù)各自來自電流采集電路24和主保護(hù)電路34的命令信號起作用，以根據(jù)所需打開或關(guān)閉開關(guān)元件。
數(shù)字輸出電路10還包括接口模塊50，其建立數(shù)字輸出電路10和較高級別控制器52(如保護(hù)繼電器控制器或機(jī)架控制計(jì)算機(jī))之間的通信。在數(shù)字輸出電路10的正常運(yùn)行期間，接口模塊50還將其從較高級別控制器52接收的命令信號發(fā)送至開關(guān)控制模塊48以控制開關(guān)元件12的打開和關(guān)閉。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，較高級別控制器52可與前面提及的關(guān)閉標(biāo)志評估單元54合為一體。
在使用中，數(shù)字輸出電路10如下運(yùn)行。
在數(shù)字輸出電路10的正常運(yùn)行期間，開關(guān)控制模塊48響應(yīng)于由接口模塊50提供的命令信號，致使選擇性地打開和關(guān)閉開關(guān)元件12(即，其中的繼電器觸頭22和igbt23)，接口模塊50又從較高級別控制器52接收這些信號。該選擇性地打開和關(guān)閉開關(guān)元件12控制從電源18流向設(shè)備項(xiàng)目14的電流i，并因此控制設(shè)備項(xiàng)目14的運(yùn)行。
同時(shí)，電流采集電路24且更具體而言為其中的電流傳感器26(即其中串聯(lián)連接的阻抗28)測量流經(jīng)開關(guān)元件12的電流i。
如果測量的電流im的水平超過規(guī)定的限度，電流采集電路24將命令信號發(fā)送到開關(guān)控制模塊48以促使打開開關(guān)元件12。這保護(hù)開關(guān)元件12和受控制的設(shè)備項(xiàng)目14二者免于過量的電流的影響，否則可出現(xiàn)過量的電流，且過量的電流致使開關(guān)元件12和設(shè)備項(xiàng)目14的一個(gè)或兩個(gè)損壞。
通過電流傳感器26測量的電流im傳到電流采集電路24的調(diào)節(jié)模塊30，在此處，其被過濾并放大，之后通過adc32被采樣以形成單獨(dú)的測量的電流樣本is。另外adc32在將測量的電流樣本is發(fā)送至主保護(hù)電路34之前對其進(jìn)行平方。
主保護(hù)電路34基于測量的電流樣本is建立滾動(dòng)的電流跳脫特性i2t。主保護(hù)電路34通過在第一緩沖器38中保留相應(yīng)的測量的電流樣本is和使用積分器以將單獨(dú)的樣本加和而給出整個(gè)存儲的樣本序列的積分?jǐn)?shù)(即，平均數(shù))而完成這一點(diǎn)。
主保護(hù)電路34內(nèi)的閾值比較器將滾動(dòng)電流跳脫特性i2t與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較，并在電流跳脫特性i2t超出預(yù)定閾值(其表示故障)時(shí)經(jīng)由發(fā)送至開關(guān)控制模塊48的命令信號促使打開開關(guān)元件12。
在故障為瞬態(tài)的情況下，一旦滾動(dòng)電流跳脫特性i2t落回預(yù)定的閾值以下，則經(jīng)由發(fā)送至開關(guān)控制模塊48的另一命令信號，主保護(hù)電路34能夠促使關(guān)閉開關(guān)元件12。
以這種方式，主保護(hù)電路34和相關(guān)的開關(guān)元件12提供電路中斷功能，其能夠保護(hù)開關(guān)元件12和由數(shù)字輸出電路10控制的設(shè)備項(xiàng)目14二者免于過量電流和可能的相關(guān)損壞的影響。而且，在相關(guān)的故障為瞬態(tài)的情況下，這種電路中斷功能可被取消(即被移除)。
同時(shí)，通過adc32生成的測量的電流樣本is的平方也被發(fā)送至狀態(tài)監(jiān)測電路36。
當(dāng)促使關(guān)閉開關(guān)元件12的命令信號生成時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測電路36的狀態(tài)緩沖器46開始記錄這種測量的電流樣本is的平方的序列，并因此建立開關(guān)元件關(guān)閉標(biāo)志。
通過狀態(tài)緩沖器46將該關(guān)閉標(biāo)志傳輸至關(guān)閉標(biāo)志評估單元54，關(guān)閉標(biāo)志評估單元54可能形成或可能不形成較高級別控制器52的一部分。在任何情況下，關(guān)閉標(biāo)志評估單元54將關(guān)閉標(biāo)志與基準(zhǔn)標(biāo)志進(jìn)行比較，并且如果關(guān)閉標(biāo)志偏離基準(zhǔn)標(biāo)志達(dá)預(yù)定程度，則標(biāo)識由數(shù)字輸出電路10控制的設(shè)備項(xiàng)目14的運(yùn)行的問題。
當(dāng)開關(guān)元件12再次打開時(shí)，狀態(tài)緩沖器46清空。