用于为计轴器的轨道接触件产生工作频率的频率发生器和方法以及计轴器与流程

1.本发明涉及一种用于为计轴器的轨道接触件的发射信号产生工作频率的频率发生器，所述频率发生器包括串联谐振电路，所述串联谐振电路包括轨道接触件的发射器线圈单元和电容器。本发明还包括一种具有相应频率发生器的计轴器和一种用于为计轴器的轨道接触件产生工作频率的方法。


背景技术：

2.从[thales]中已知一种用于为计轴器的轨道接触件产生工作频率的频率发生器。
[0003]
轨道接触件是包括发射器线圈单元(包括至少一个发射线圈)和接收器线圈单元(包括至少一个接收线圈)的计轴器头。当轨道接触件附接到轨道时，频率发生器的其它电子部件位于远离轨道接触件的轨道附近的电子单元中。
[0004]
计轴器检测经过的列车，并用于确定轨道区段是空闲的还是被列车占用。计轴器包括具有轨道接触件的检测点，即传感器(发射器线圈单元和接收线圈单元)，所述传感器附接在轨道上，并且电子单元位于相应的轨道接触件附近。当轮轴经过轨道接触件时，在检测点处感应出电压脉冲(“车轮脉冲”)，导致初始电压改变(检测信号)。电子单元连接到计轴器评估器，所述计轴器评估器评估检测到的信号并产生轨道占用信息。轨道占用信息然后被传送到控制系统。
[0005]
为了确保产生的电压具有恒定的强度，将电子电路产生的频率调谐到计轴器头的频率是至关重要的。对于从[thales]已知的计轴器，这在生产期间在电路内部以相当大的努力手动完成。另外，为了确保对经过的车轮的可靠检测，需要高精度的感应器，这是昂贵的。
[0006]
本发明的目的是提供一种用于计轴器的轨道接触件的频率发生器，其需要较少的制造成本和较便宜的部件，并且提供一种使用所述频率发生器的方法。


技术实现要素：

[0007]
所述目的通过根据权利要求1的频率发生器、根据权利要求10的计轴器和根据权利要求11的方法来实现。
[0008]
根据本发明，所述频率发生器还包括：
[0009]
·
逆变器，所述逆变器的输出端连接到所述电容器，其中，所述逆变器被配置为产生振荡电压并且经由所述电容器将所产生的振荡电压
[0010]
馈送到所述轨道接触件的发射器线圈单元；
[0011]
·
电流变换器，用于使逆变器的输出电压与串联谐振电路中的电流
[0012]
同步；以及
[0013]
·
启动电路，其电连接到所述逆变器，被配置为触发所述逆变器，
[0014]
并且被配置为电连接到输入电源。
[0015]
串联谐振电路(发射器线圈单元+连接在逆变器下游的电容器)限定发射信号的频率。
[0016]
虽然现有技术电路使用振荡器和功率放大器来将足够的功率驱动到发射器线圈中，但是根据本发明将这两个功能及其部件组合。
[0017]
本发明的频率发生器形成自振荡逆变器，其中，电流变换器将谐振电路中的电流作为电压反馈到逆变器。这意味着逆变器的输出电压与串联谐振电路的电流保持同步，从而谐振振荡不会中断。因此，逆变器总是遵循由电容器和发射器线圈单元给出的频率(逆变器的输出与串联谐振电路的电流同相)。
[0018]
已知自振荡逆变器用于功率模块中，如从[siemens]和[wang]中已知的，其中公开了用于金属卤化物灯的具有恒定灯电流控制的自振荡互补电子镇流器，以便在输出端产生恒定电压或恒定电流。
[0019]
然而，在本发明中，电压或电流不是重点。根据本发明，负载(轨道接触件的发射器头中的发射器线圈单元)是soi的谐振电路的一部分。因此，在所述发射器线圈单元处的电磁场是最大的，并且总体上具有最低可能的功耗。
[0020]
利用本发明的频率发生器，在制造期间不再需要用于将由电子电路产生的频率调谐到计轴器头的频率的调谐过程。
[0021]
虽然对于现有技术的电路，总是需要测试来确定串联谐振电路是否实际上可以在由于容差而可用的整个频率范围内振荡，但是对于本发明的频率发生器，可以省略该测试，因为它在非常大的频率范围上工作。因此，可以减少昂贵且复杂的部件的数量。仅需要标准部件。特别地，可以省略集成电路(ic)，这降低了成本并增强了鲁棒性和可靠性。
[0022]
本发明的频率发生器还简化了串联谐振电路的不同变型的工作频率的变化。因此，未来的升级可以很容易地完成。
[0023]
频率发生器优选地包括集成的输入电源。替代地，外部电源可以连接到频率发生器。输入电源为dc电源。
[0024]
本发明的频率发生器的启动电路最初实现逆变器的操作(将逆变器设置为振荡状态)。随着电源电压的上升沿，启动电路产生触发以第一次切换逆变器。这使得谐振电路开始振荡。从那时起，通过借助于电流变换器检测串联谐振电路中的电流，自动产生用于维持振荡的其它触发。
[0025]
本发明的频率发生器的逆变器优选地总是在谐振电路中的电流过零时切换，即无应力，这额外地增加了设备的寿命。
[0026]
为了使逆变器的输出电压同步，电流变换器优选地被配置为将串联谐振电路的电流馈送到逆变器的控制输入端。
[0027]
电流变换器优选地包括次级线圈和两个相同的初级线圈。次级线圈电连接到逆变器的输出端并且感应电流到初级线圈。感应电流馈人逆变器的控制输入端。
[0028]
电流变换器的次级线圈优选地串联连接到发射器线圈单元。
[0029]
逆变器优选地被配置为禁用启动电路。一旦逆变器被设置为振荡状态，逆变器就禁用启动电路。
[0030]
在一个高度优选的实施例中，逆变器是半桥逆变器。逆变器包括低侧栅极驱动器和高侧栅极驱动器。每个栅极驱动器包括开关，该开关由启动电路触发而导通，以便启动逆
变器的振荡。通过将开关切换到导通状态，启动电路被禁用。或者，可以使用全桥逆变器。
[0031]
优选地，提供也作为输入分压器工作的阻断电容器。
[0032]
高侧栅极驱动器优选地包括高路径滤波器以去除任何不想要的低频振荡，而低侧栅极驱动器包括低路径滤波器以去除任何不想要的高频振荡。
[0033]
在本发明的频率发生器的一个高度优选的实施例中，低栅极驱动器包括短路保护电容器。
[0034]
如果发射线圈单元短路(例如，由于现场电缆损坏)，短路保护电容器会中断电路，从而形成短路保护。根据所述实施例的频率发生器形成短路保护的自振荡逆变器。
[0035]
通过使用短路保护电容器，不需要限流器来保护输入电源免受过电流。
[0036]
然而，在一个更基本的实施例中，可以提供限流器。
[0037]
为了使谐振电路与电子设备绝缘，优选地，功率变压器电连接在逆变器和电容器之间。这有助于人身安全，因为到轨道接触件的电缆可能受到高感应电压的影响。在所述实施例中，逆变器的输出电压被施加到功率变压器的初级，即施加到逆变器的输出端。功率变压器适于将初级侧上的电子部件(其特别地包括逆变器和电流变换器的初级线圈)与次级侧上的电子部件(其特别地包括发射器线圈单元和电流变换器的次级线圈)电流隔离。
[0038]
在另一个实施例中，如果自激振荡逆变器完全分配给“热”侧，即存在受到高感应电压影响的风险(例如，连接到轨道接触件的电缆和连接到计轴器评估器的电缆)，则可以省略功率变压器。为了使维护人员能够在不采取额外安全措施的情况下对电子设备进行操作，所有这些与“热侧”的接口均应绝缘。
[0039]
发射器线圈单元和串联谐振电路的电容器优选地经由现场电缆连接。现场电缆是位于现场的电缆，即，特别是在电子单元和检测点的轨道接触件(传感器)之间。现场电缆暴露于环境影响，因此受损的风险增加。
[0040]
本发明还涉及一种计轴器，其包括如前所述的频率发生器。本发明的计轴器还包括接收器线圈单元和与接收器线圈单元电连接的计轴器评估单元。使用带通滤波器将接收器线圈单元调谐/定尺寸到所需的频率范围，使得其针对所有频率工作，这可以通过部件公差和温度影响的公差来设置。
[0041]
本发明还涉及一种使用如前所述的频率发生器来为计轴器的轨道接触件产生工作频率的方法。根据本发明，通过使用电流变换器将串联谐振电路中的电流反馈到逆变器的控制输入端，逆变器的输出电压与串联谐振电路中的电流同步。
[0042]
在一个优选的变型中，dc电压被施加到启动电路，并且启动电路触发逆变器。
[0043]
非常优选的是，功率变压器用于串联谐振电路与频率发生器的其它电子部件的电流隔离。
[0044]
本发明的频率发生器形成用于产生磁场的鲁棒且有效的电路。
[0045]
本发明的其它优点可从说明书和附图中得到。此外，根据本发明，上述和进一步描述的特征可以单独地或以任意组合使用。所示出和描述的实施例不应理解为结论性的列表，而是具有用于本发明的描述的示例性特征。
附图说明
[0046]
图1a示出了根据本发明的频率发生器的基本实施例的示意性布局。
[0047]
图1b示出了根据本发明的频率发生器的优选实施例的示意性布局。
[0048]
图2示出了根据图1b的频率发生器的示意性布局，其具有根据本发明的频率发生器的部件的优选电路。
[0049]
图3示出了具有本发明的频率发生器的计轴器。
[0050]
图4示出了启动时的触发电流以及在逆变器开关处产生的栅极到源极电压。
[0051]
图5示出了电流变换器的次级线圈的电压和电流的典型波形。
[0052]
图6示出了逆变器开关的电压和电流的典型波形。
[0053]
图7示出了低侧栅极驱动器的电压和电流的典型波形。
[0054]
图8示出了功率变压器的电压和电流的典型波形。
[0055]
图9示出了串联谐振电路的发射器线圈单元的电压和电流的典型波形。
具体实施方式
[0056]
图1a示出了具有串联谐振电路900的本发明的频率发生器的基本实施例，所述串联谐振电路900包括轨道接触件的发射器线圈单元800和电容器600。
[0057]
dc输入电源100向启动电路200馈电，启动电路200电连接到逆变器400。启动电路200触发逆变器400，逆变器400因此开始振荡并产生具有工作频率f0的振荡电压。逆变器400的输出连接到电容器600。所产生的振荡电压经由电容器600被馈送到轨道接触件的发射器线圈单元800。
[0058]
在一个优选实施例中，逆变器400的输出经由电流功率变压器500连接到电容器6，如图1b所示。功率变压器500将串联谐振电路900与其它电子部件电隔离。
[0059]
根据本发明，频率发生器通过提供电流变换器300形成自振荡逆变器，电流变换器300使逆变器400的输出电压与串联谐振电路900中的电流同步。为此，谐振电路900中的电流经由电流变换器300反馈到逆变器400。因此，逆变器400的输出处的电压的频率适应于由电容器600和发射器线圈单元800(谐振电路900)限定的频率。
[0060]
图3示出了计轴器的主要部件的示意图，所述计轴器包括本发明的频率发生器100-900(具有所示的发射线圈)、电连接到计轴器评估器ace的接收线圈单元rc(具有所示的接收线圈)。发射线圈单元800和接收线圈单元rcu优选地位于轨道的相反侧。
[0061]
图2示出了本发明的频率发生器的电路的优选实施例。
[0062]
逆变器400是用于产生ac电压的半桥逆变器。逆变器400包括串联连接的场效应晶体管m430和m440(半桥逆变器400的互补逆变器开关)，其中逆变器开关m430由高侧栅极驱动器410控制，逆变器开关m440由低侧栅极驱动器420控制。替代场效应晶体管，可以使用其它受控开关来切换半桥逆变器400。
[0063]
逆变器400包括用于从输入电源馈送功率的功率输入端、控制输入端(从启动电路200的输出端接收信号，启动电路200的输出端经由二极管d250连接到场效应晶体管m440的输入端)和用于反馈串联谐振电路的电流的控制输入端(输入来自由初级线圈l310、l320表示的变换器300)。控制输入端处的信号第一次切换场效应晶体管m440，因为还不存在来自低侧栅极驱动器420的适当信号。
[0064]
最初，启动电路200启动逆变器。启动电路200包括与锁存器210和齐纳二极管zd240的串联连接并联连接的电容器c230。当电容器c230两端的电压超过阈值电压时，锁存
器210触发逆变器400的逆变器开关m440的栅极，v
th
＝v
eb
_
q2
11+v
zd240
其中v
eb
_
q211
和v
zd240
代表锁存器210的晶体管q211的发射极-基极导通电压降和齐纳二极管zd 240的击穿电压。当启动电路200触发逆变器开关m440导通时，逆变器400开始振荡。启动时的典型触发电流和得到的逆变器开关处的栅源电压如图4所示。通过逆变器开关m440的切换又通过二极管d260对电容器c230放电而禁用，即停用启动电路200，二极管d260将电容器c230与逆变器开关m430、m440连接。
[0065]
dc电源100的输入电压vdc经由功率输入端被输入到逆变器400。逆变器400输出跨越电源100和半桥逆变器400的中心抽头(在场效应晶体管m430和m440之间)的出输出电压。
[0066]
串联谐振电路900包括谐振电容器600、现场电缆700和具有电感l800和内部串联电阻r800的发射器线圈单元800，电感l800和内部串联电阻r800表示包括现场电缆700的螺线管的总复阻抗。串联谐振电路900的特征在于包括三个参数：谐振频率f0、特性阻抗r0和品质因数q。
[0067][0068][0069][0070]
对于和归一化频率，串联谐振电路的复阻抗为串联谐振电路的带宽为
[0071]
本发明的频率发生器是自振荡的，使得能够将串联谐振电路中的电流反馈到逆变器，所述电流由逆变器的输出电压产生。这通过提供具有两个相同的初级线圈l310、l320和次级线圈l330的电流变换器来实现。串联谐振电路900中的电流流过电流变换器300的次级线圈l330，并且经由电流变换器300的初级线圈l310、l320反馈到逆变器400。次级线圈330的电压和电流的典型波形在图5中示出。
[0072]
一个初级线圈l310电连接到高侧栅极驱动器410，另一个初级线圈l320在逆变器400的它们各自的控制输入端处电连接到低侧栅极驱动器420。在初级线圈l320、l330中感应的电流切换场效应晶体管m430、m440。初级线圈l310、l320具有相反的缠绕方向，这导致逆变器开关m430、m440中每次仅一个导通。通过逆变器开关m430、m440的电压和电流的典型波形在图6中示出.
[0073]
串联谐振电路的电流经由电流变换器300的反馈实现逆变器的输出电压与谐振电路中的电流同步。因此，逆变器的输出电压的频率与串联谐振电路的工作频率(谐振频率fd)相同。本发明的频率发生器确保逆变器的输出电压与串联谐振电路的电流同相。
[0074]
高侧栅极驱动器420和低侧栅极驱动器420在很大程度上是互补的。低栅极驱动器包括齐纳二极管d424和zd425，齐纳二极管d424和zd425将场效应晶体管m440的栅极电压箝位到
±
(v
zd
+vf)，其中v
zd
和vf表示齐纳二极管zd424和zd425的击穿电压和正向电压降。这同样适用于高侧栅极驱动器410的齐纳二极管d413和zd414。通过低侧栅极驱动器420的电压和电流的典型波形在图7中示出。
[0075]
在图2所示的实施例中，逆变器400的输出电压(其是幅度为
±
vdc/2(v)、频率为f的方波)经由功率变压器500施加到串联谐振电路900。功率变压器500包括初级线圈l510和次级线圈l520，其中逆变器400位于功率变压器500的初级侧，串联谐振电路900位于功率变压器500的次级侧。功率变压器500主要用于逆变器400和串联谐振电路900之间的电绝缘。因此，匝数比可以是大约1。通过功率变压器500的电压和电流的典型波形在图8中示出。
[0076]
最后，本发明的频率发生器获得串联谐振电路900的发射器线圈单元800中的优化工作频率。
[0077]
发射器线圈单元800的电压和电流的典型波形在图9中所示。
[0078]
本发明的频率发生器还包括短路保护，以便在现场电缆700故障的情况下保护频率发生器。现场电缆700的故障将使逆变器400的输出开路/短路。当现场电缆700开路时，逆变器400停止振荡，因为反馈丢失。然而，如果现场电缆700短路，则发生高频振荡。如果逆变器未被保护，则短路电流将永久地损坏逆变器400。因此，低侧栅极驱动器420包括低通滤波器，所述低通滤波器包括电阻器r421和短路保护电容器c422以去除不期望的高频振荡。因此，与电阻器r421一起，短路保护电容器c422充当低侧栅极驱动器的输入端处的低通滤波器。由于输出端处的短路会导致高频振荡，因此低通滤波器具有保护作用。
[0079]
逆变器400还包括dc阻断电容器c460和c450，其也用作输入分压器。dc阻断电容器c460和c450串联连接，其中输入电压vdc施加到dc阻断电容器c460和c470的串联连接。在低侧栅极驱动器420中提供另一dc阻断电容器c423。
[0080]
附图标记列表
[0081]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
dc电源
[0082]
200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
启动电路
[0083]
210
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
启动电路锁存器
[0084]
c230
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电容器
[0085]
d260
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
二极管
[0086]
q211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
晶体管
[0087]
zd240
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
齐纳二极管
[0088]
300
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电流变换器
[0089]
l310
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连接到高侧栅极驱动器的电流变换器的初级绕组
[0090]
l320
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连接到低侧栅极驱动器的电流变换器的初级绕组
[0091]
l330
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连接到串联谐振电路的次级绕组
[0092]
400
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
逆变器
[0093]
410
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高侧栅极驱动器
[0094]
420
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低侧栅极驱动器
[0095]
c423
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
dc阻断电容器
[0096]
c460、c470 dc阻断电容器
[0097]
m430
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高侧栅极驱动器的输出端处的fet
[0098]
m440
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
低侧栅极驱动器的输出端处的fet
[0099]
r421
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电阻器与电容器422一起形成高路径滤波器
[0100]
c422
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
短路保护电容器
[0101]
zd424、zd425低侧栅极驱动器的反向开关齐纳二极管滤波器
[0102]
zd413、zd414高侧栅极驱动器的反向开关齐纳二极管滤波器
[0103]
500
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功率变压器
[0104]
l510
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功率变压器的初级绕组
[0105]
l520
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功率变压器的次级绕组
[0106]
600
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
谐振电容器
[0107]
700
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
现场电缆
[0108]
800
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发射器线圈单元
[0109]
900
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
串联谐振电路
[0110]
rcu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收线圈单元
[0111]
ace
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
计轴器评估器
[0112]
引用文件列表
[0113]
[thales]thales transportation systems gmbh
[0114]
axle counter az lm-thales’flagship system fortraindetection in any application
[0115]
2016
[0116]
[siemens]siemens semiconductor group
[0117]
bsm 50gb 170dn2-igbt power module
[0118]
31.07.1996
[0119]
[wang]wang et a1.
[0120]
2.65-mhz self-oscillating complementary e1ectronicballast with constant-lamp-current contro1for a metal halide lamp.powere1ectronics，
[0121]
ieee transactions on.22.2097-2105
[0122]
2007

技术特征：
1.一种频率发生器，用于为计轴器的轨道接触件的发射信号产生工作频率，所述频率发生器包括：
·
串联谐振电路，其包括轨道接触件的发射器线圈单元(800)和电容器(600)，其特征在于，所述频率发生器还包括：
·
逆变器(400)，其输出端连接到所述电容器(600)，其中，逆变器被配置为生成振荡电压并且经由所述电容器将所生成的振荡电压馈送到所述轨道接触件的发射器线圈单元(800)；
·
电流变换器(300)，用于使逆变器的输出电压与串联谐振电路(600，800)中的电流同步；
·
启动电路(200)，其电连接到所述逆变器，并且被配置为触发逆变器(400)，并且被配置为电连接到输入电源。2.根据权利要求1所述的频率发生器，其特征在于，所述电流变换器(300)将所述串联谐振电路(600，800)的电流馈送到所述逆变器(400)的控制输入端。3.根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器，其特征在于，所述电流变换器(300)包括两个相同的初级线圈(l310，l320)以及包括次级线圈(l330)。4.根据权利要求3所述的频率发生器，其特征在于，所述电流变换器(300)的次级线圈串联连接到发射器线圈单元。5.根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器，其特征在于，所述逆变器(400)被配置成禁用启动电路(200)。6.根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器，其特征在于，所述逆变器(400)是半桥逆变器。7.根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器，其特征在于，所述低栅极驱动器包括短路保护电容器(c422)。8.根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器，其特征在于，功率变压器(500)电连接在逆变器(400)和电容器(600)之间。9.根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器，其特征在于，所述串联谐振电路(600，800)的所述发射器线圈单元(800)和电容器(600)通过现场电缆连接。10.一种计轴器，其包括根据前述权利要求中任一项所述的频率发生器。11.一种使用根据权利要求1至9中任一项所述的频率发生器来为计轴器的轨道接触件产生工作频率的方法，其特征在于：通过使用电流变换器(300)将串联谐振电路(600，800)中的电流反馈到逆变器(400)的控制输入端，使得逆变器(400)的输出电压与串联谐振电路(600，800)中的电流同步。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，dc电压被施加到启动电路(200)，并且所述启动电路触发所述逆变器(400)。13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法，其特征在于，使用功率变压器将所述串联谐振电路与所述频率发生器的其它电子部件电流隔离。

技术总结
一种频率发生器，用于为计轴器的轨道接触件的发射信号产生工作频率，频率发生器包括：


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：塔莱斯管理与服务德国有限责任公司
技术研发日：2022.12.20
技术公布日：2023/6/28