DE102015223539B4 - Method and circuit arrangement for generating an analog signal, resolver with the circuit arrangement - Google Patents
Method and circuit arrangement for generating an analog signal, resolver with the circuit arrangement Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zum Generieren eines analogen Signals (AS) aus zwei pulsweitenmodulierten Signalen (PS1, PS2), mit folgenden Schritten:- Amplitudenverstärken der beiden pulsweitenmodulierten Signale (PS1, PS2) jeweils um einen regelbaren Verstärkungsfaktor (VF);- Tiefpassfiltern der beiden, um den Verstärkungsfaktor (VF) verstärkten pulsweitenmodulierten Signale (PS1', PS2') zu jeweiligen analogen Zwischensignalen (ZS1, ZS2);- Vergleichen der beiden analogen Zwischensignale (ZS1, ZS2) jeweils mit einer Referenzspannung (Uref);- Vergrößern des Verstärkungsfaktors (VF), solange der Spannungspegel eines der beiden analogen Zwischensignale (ZS1, ZS2) den Spannungspegel der Referenzspannung (Uref) unterschreitet;- Bilden des analogen Signals (AS) aus den beiden analogen Zwischensignalen (ZS1, ZS2) durch Addieren der Signalauslenkungen der beiden analogen Zwischensignale (ZS1, ZS2).Method for generating an analog signal (AS) from two pulse-width-modulated signals (PS1, PS2), comprising the following steps: - gain amplifying the two pulse width modulated signals (PS1, PS2) by a variable gain (VF); Amplification factor (VF) amplified pulse width modulated signals (PS1 ', PS2') to respective intermediate analog signals (ZS1, ZS2), - comparing the two analog intermediate signals (ZS1, ZS2) each with a reference voltage (Uref), - increasing the amplification factor (VF) as long as the voltage level of one of the two analog intermediate signals (ZS1, ZS2) falls below the voltage level of the reference voltage (Uref), - forming the analog signal (AS) from the two analog intermediate signals (ZS1, ZS2) by adding the signal deflections of the two analog intermediate signals (ZS2) ZS1, ZS2).
Description
Technisches Gebiet:Technical area:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines analogen Signals, insbesondere eines Sinus-/Cosinussignals, für einen Resolver, aus zwei pulsweitenmodulierten Signalen. Ferner betrifft die Erfindung einen Resolver mit einer genannten Schaltungsanordnung.The invention relates to a method and a circuit arrangement for generating an analog signal, in particular a sine / cosine signal, for a resolver, from two pulse width modulated signals. Furthermore, the invention relates to a resolver with a said circuit arrangement.
Stand der Technik:State of the art:
Resolver werden zur Ermittlung eines Drehwinkels, insbesondere einer elektrischen Maschine, eingesetzt. Dabei wird das Verhältnis zweier Ausgangsamplituden eines analogen Erregersignals und eines analogen Sensorsignals in Abhängigkeit von deren jeweiligen Signalpegelverläufen ausgewertet. Das Erregersignal sollte dabei konstant bzw. eine Sinus-/Cosinusform aufweisen.Resolvers are used to determine a rotation angle, in particular an electrical machine. In this case, the ratio of two output amplitudes of an analog excitation signal and an analog sensor signal is evaluated as a function of their respective signal level profiles. The excitation signal should be constant or have a sine / cosine form.
Die Patentoffenlegungsschrift
Die Patentoffenlegungsschrift
Die Patentoffenlegungsschrift
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur Generierung eines konstanten bzw. sinus-/cosinusförmigen Erregersignals bereitzustellen.Thus, the object of the present invention is to provide a possibility for generating a constant or sinusoidal / cosinusoidal exciter signal.
Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Generieren eines analogen Signals, insbesondere eines Sinus-/Cosinussignals für einen Resolver, aus zwei pulsweitenmodulierten Signalen bereitgestellt.According to a first aspect of the invention, a method for generating an analog signal, in particular a sine / cosine signal for a resolver, from two pulse width modulated signals is provided.
Gemäß dem Verfahren werden die beiden pulsweitenmodulierten Signale um einen regelbaren Verstärkungsfaktor Signalamplitudenverstärkt. Die beiden, um den Verstärkungsfaktor verstärkten pulsweitenmodulierten Signale werden danach durch Tiefpassfilterung zu jeweiligen analogen Zwischensignalen umgewandelt. Die beiden analogen Zwischensignale werden anschließend jeweils mit einer Referenzspannung (mit einem vorgegebenen konstanten Spannungspegel) verglichen. Der Verstärkungsfaktor wird vergrößert, solange der Spannungspegel eines der beiden analogen Zwischensignale den Spannungspegel der Differenzspannung unterschreitet. Das eingangs genannte analoge Signal wird aus den beiden analogen Zwischensignalen durch Addieren der Signalauslenkungen der beiden analogen Zwischensignale gebildet.According to the method, the two pulse width modulated signals are amplified by a controllable gain signal amplitudes. The two amplification factor enhanced pulse width modulated signals are then converted to respective intermediate analog signals by low pass filtering. The two analog intermediate signals are then each compared with a reference voltage (with a predetermined constant voltage level). The amplification factor is increased as long as the voltage level of one of the two analog intermediate signals falls below the voltage level of the differential voltage. The analog signal mentioned at the beginning is made up of the two analog intermediate signals by adding the signal deflections of the two analog intermediate signals.
Dabei ist eine Signalauslenkung eine momentane Entfernung eines Punktes eines Signals von seiner Ruhelage. Ist das Signal ein Signal mit einem konstanten Signalpegel, so entspricht die maximale Signalauslenkung dem Signalpegel des Signals. Ist das Signal ein Sinus- oder Cosinussignal, so entspricht die maximale Signalauslenkung der Signalamplitude des Signals.In this case, a signal deflection is a momentary removal of a point of a signal from its rest position. If the signal is a signal with a constant signal level, then the maximum signal deflection corresponds to the signal level of the signal. If the signal is a sine or cosine signal, the maximum signal deflection corresponds to the signal amplitude of the signal.
Durch Addieren der Signalauslenkungen der beiden analogen Zwischensignale werden die momentanen Entfernungen der einzelnen Punkte der beiden Zwischensignale zu jeweiligen Zeitpunkten zueinander addiert, wodurch das analoge Signal zu jeweiligen Zeitpunkten Signalauslenkungen aufweist, welche den jeweiligen Summen der momentanen Entfernungen der einzelnen Punkte der beiden Zwischensignale zu den jeweiligen Zeitpunkten entsprechen. Sind die beiden Zwischensignale bspw. zwei zueinander identische oder zueinander inverse Sinussignale mit einer gleichen Signalamplitude, so entspricht das analoge Signal einem Sinussignal mit einer doppelt so großen Signalamplitude.By adding the signal deflections of the two analog intermediate signals, the instantaneous distances of the individual points of the two intermediate signals are added to each other at respective times, whereby the analog signal at respective times signal deflections, which the respective sums of the instantaneous distances of the individual points of the two intermediate signals to the respective Correspond to times. If the two intermediate signals are, for example, two mutually identical or mutually inverse sinusoidal signals having the same signal amplitude, then the analog signal corresponds to a sinusoidal signal having twice the signal amplitude.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass ein Resolver zur Drehwinkelmessung in der Regel ein konstantes oder ein verzerrungsfreies sinus-/cosinusförmiges Erregersignal braucht, um ein Messergebnis liefern zu können, welches in einfacher Weise ausgewertet werden kann.The invention is based on the basic idea that a resolver for measuring the angle of rotation generally requires a constant or a distortion-free sinusoidal / cosinusoidal excitation signal in order to be able to supply a measurement result which can be evaluated in a simple manner.
Da eine elektrische Schaltung zum Generieren eines Erregersignals in der Regel unter thermischen Schwankungen oder sonstigen inneren und äußeren Einflüssen ausgesetzt ist, welche häufig zu Änderungen in der Signalamplitude des generierten Erregersignals führen, bedarf es eine Lösung, ein Erregersignal mit einer konstanten Signalamplitude bereitzustellen.Since an electrical circuit for generating an exciter signal is usually exposed to thermal fluctuations or other internal and external influences, which often lead to changes in the signal amplitude of the generated exciter signal, it requires a solution to provide an exciter signal with a constant signal amplitude.
Im Rahmen dieser Erfindung wurde erkannt, dass die Signalamplituden von pulsweitenmodulierten Signalen in einfacher Weise und ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung regeln lassen, aus denen dann das Erregersignal mit einer konstanten Signalamplitude gewonnen werden kann. Dabei erwies sich als vorteilhaft, wenn aus zwei pulsweitenmodulierten Signalen das analoge Erregersignal generiert wird. Dabei können die Signalamplituden der beiden pulsweitenmodulierten Signale durch eine Signalamplitudenverstärkung soweit geregelt werden, bevor aus den beiden pulsweitenmodulierten Signalen durch eine Tiefpass-filterung und einer anschließenden Addition der Signalauslenkungen der beiden tiefpassgefilterten Signale das Erregersignal gebildet wird. Zur Regelung der Signalamplituden der beiden pulsweitenmodulierten Signale werden die Signalamplituden der beiden tiefpassgefilterten Signale mit einer vorgegebenen Referenzspannung (mit einem konstanten Spannungswert) verglichen. Abhängig von den Vergleichsergebnissen zwischen der Referenzspannung und der beiden tiefpassgefilterten Signale wird ein Verstärkungsfaktor geregelt, um diesen die beiden pulsweitenmodulierten Signale dann verstärkt werden.In the context of this invention, it has been recognized that the signal amplitudes of pulse-width-modulated signals can be regulated in a simple manner and without appreciable time delay, from which the exciter signal can then be obtained with a constant signal amplitude. It proved to be advantageous if the analog excitation signal is generated from two pulse width modulated signals. The signal amplitudes of the two pulse-width-modulated signals can be controlled by a signal amplitude amplification before the excitation signal is formed from the two pulse width modulated signals by a low-pass filtering and a subsequent addition of the signal deflections of the two low-pass filtered signals. For regulating the signal amplitudes of the two pulse width modulated signals, the signal amplitudes of the two low-pass filtered signals are compared with a predetermined reference voltage (with a constant voltage value). Depending on the comparison results between the reference voltage and the two low-pass filtered signals, a gain factor is controlled in order to then amplify the two pulse width modulated signals.
Die Bildung des Erregersignals aus zwei pulsweitenmodulierten Signalen hat den Vorteil, dass die Regelung des Verstärkungsfaktors und somit der Signalamplitude des Erregersignals in einem geschlossenen Regelkreis zuverlässiger und mit einer geringeren zeitlichen Verzögerung geschieht, als dies bei einem einzigen pulsweitenmodulierten Signal erfolgt hätte. Dies ist dadurch erreicht, dass die Anpassung des Verstärkungsfaktors und somit des Erregersignals erfolgt, sobald die Signalamplitude eines der beiden tiefpassgefilterten Signale den Spannungspegel der Referenzspannung unterschreitet. Im geschlossenen Regelkreis werden die Signalamplituden der pulsweitenmodulierten Signale solange angepasst bzw. verstärkt (ggfs. auch verringert), bis die gewünschte Signalamplitude und somit die gewünschte Ausgangsspannung bei dem Erregersignal erreicht ist. Damit bleibt die Signalamplitude bei dem Erregersignal auch bei Amplitudenschwankungen bei den pulsweitenmodulierten Signalen konstant und liegt bei einem Amplitudenwert, der nicht bzw. nicht mehr als 10% oder 5% von einem vorgesehenen Amplitudenwert abweicht. Die Amplitudenschwankungen infolge der temperaturbedingten oder sonstiger inneren und äußeren Einflüsse werden ebenfalls kompensiert.The formation of the excitation signal from two pulse width modulated signals has the advantage that the control of the amplification factor and thus the signal amplitude of the excitation signal in a closed loop is more reliable and with a shorter time delay than would have occurred with a single pulse width modulated signal. This is achieved in that the adaptation of the amplification factor and thus the excitation signal takes place as soon as the signal amplitude of one of the two low-pass filtered signals falls below the voltage level of the reference voltage. In the closed loop, the signal amplitudes of the pulse-width modulated signals are adjusted or amplified (if necessary. Also reduced) until the desired signal amplitude and thus the desired output voltage is reached in the exciter signal. Thus, the signal amplitude remains constant in the exciter signal even with amplitude fluctuations in the pulse width modulated signals and is at an amplitude value that does not deviate or not more than 10% or 5% of an intended amplitude value. The amplitude fluctuations due to the temperature-related or other internal and external influences are also compensated.
Durch die Wahl von zwei pulsweitenmodulierten Signalen und die anschließende Addition der Signalauslenkungen der beiden tiefpassgefilterten Signale kann zudem aus pulsweitenmodulierten Signalen mit einem Signalpegel bspw. von 5 Volt oder 3,3 Volt ein Erregersignal mit einer Signalamplitude von bspw. 10 Volt generieren werden. Dadurch kann das oben beschriebene Verfahren auch mit einer Schaltungsanordnung realisiert werden, welche mit einer Betriebsspannung von 5 Volt betrieben werden kann.By choosing two pulse width modulated signals and the subsequent addition of the signal deflections of the two low-pass filtered signals can also be generated from pulse width modulated signals with a signal level example. Of 5 volts or 3.3 volts, an excitation signal with a signal amplitude of, for example. 10 volts. As a result, the method described above can also be realized with a circuit arrangement which can be operated with an operating voltage of 5 volts.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren ist somit eine Möglichkeit zur Generierung eines konstanten bzw. sinus-/cosinusförmigen Erregersignals bereitgestellt.The method described above thus provides a possibility for generating a constant or sinusoidal / cosinusoidal excitation signal.
Durch das oben beschriebene Verfahren entfällt eine Amplitudenüberwachung, welche sonst erforderlich wäre, um die Signalamplitude des Erregersignals zu überwachen.By the method described above eliminates an amplitude monitoring, which would otherwise be required to monitor the signal amplitude of the exciter signal.
Die beiden pulsweitenmodulierten Signale werden vorzugsweise jeweils mit einem mittels einer Betriebsspannung betriebenen Digitalverstärker um den Spannungswert der Betriebsspannung gestärkt, wobei der Spannungswert der Betriebsspannung linear zu dem Verstärkungsfaktor geändert wird.The two pulse width modulated signals are preferably each with a operated by means of an operating voltage digital amplifier the voltage value of the operating voltage is strengthened, wherein the voltage value of the operating voltage is changed linearly to the amplification factor.
Die Anpassung der Signalamplituden der beiden pulsweitenmodulierten Signale erfolgt somit durch Änderung der Betriebsspannung der beiden mit dieser Betriebsspannung betriebenen Digitalverstärker.The adaptation of the signal amplitudes of the two pulse width modulated signals is thus effected by changing the operating voltage of the two operated with this operating voltage digital amplifier.
Der Verstärkungsfaktor wird vorzugsweise mittels eines Regelverstärkers geändert, dessen Regelfrequenz um Faktor Zwanzig, insbesondere mindestens um Faktor Fünfzig, speziell mindestens um Faktor Einhundert, kleiner ist als die Signalfrequenz der beiden analogen Zwischensignale.The amplification factor is preferably changed by means of a control amplifier whose control frequency is smaller by a factor of twenty, in particular by at least a factor of fifty, especially by at least a factor of one hundred, than the signal frequency of the two analog intermediate signals.
Vorzugsweise sind die beiden pulsweitenmodulierten Signale zueinander invers ausgeführt.Preferably, the two pulse width modulated signals are executed inversely to each other.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Generieren eines analogen Signals, insbesondere eines Sinus-/Cosinussignals für einen Resolver, aus zwei pulsweitenmodulierten Signalen bereitgestellt.According to a further aspect of the invention, a circuit arrangement for generating an analog signal, in particular a sine / cosine signal for a resolver, from two pulse width modulated signals is provided.
Die Schaltungsanordnung umfasst eine regelbare Signalverstärkereinheit, welche eingerichtet ist, die beiden pulsweitenmodulierten Signale um einen regelbaren Verstärkungsfaktor zu verstärken.The circuit arrangement comprises a controllable signal amplifier unit, which is set up to amplify the two pulse width modulated signals by a controllable amplification factor.
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Filtereinheit, welche der Signalverstärkereinheit nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, die beiden, von der Signalverstärkereinheit um den Verstärkungsfaktor verstärkten pulsweitenmodulierten Signale durch Tiefpass-Filterung jeweils zu einem analogen Zwischensignal umzuwandeln.The circuit arrangement further comprises a filter unit, which is connected downstream of the signal amplifier unit and is set up to convert the two pulse-width-modulated signals amplified by the signal amplifier unit by the amplification factor into an analog intermediate signal by low-pass filtering.
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Komparatoreinheit, welche der Filtereinheit nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, die beiden analogen Zwischensignale jeweils mit einer Referenzspannung mit einem vorgegebenen, insb. konstanten, Spannungswert zu vergleichen.The circuit arrangement further comprises a comparator unit, which is connected downstream of the filter unit and is set up to compare the two analog intermediate signals each with a reference voltage with a predetermined, in particular constant, voltage value.
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner einen Regelverstärker, welcher der Komparatoreinheit nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, den Verstärkungsfaktor zu vergrößern, solange der Spannungspegel (Betrag) eines der beiden analogen Zwischensignale den Spannungspegel der Referenzspannung unterschreitet.The circuit arrangement further comprises a control amplifier, which is connected downstream of the comparator unit and is arranged to increase the amplification factor as long as the voltage level (magnitude) of one of the two analog intermediate signals falls below the voltage level of the reference voltage.
Die Schaltungsanordnung ist ferner eingerichtet, das analoge Signal aus den beiden analogen Zwischensignalen durch Addieren der Signalauslenkungen der beiden analogen Zwischensignale auszubilden.The circuit arrangement is further configured to form the analogue signal from the two analogue intermediate signals by adding the signal deflections of the two analogue intermediate signals.
Dabei umfasst die Signalverstärkereinheit zwei mit einer Betriebsspannung betreibbare Digitalverstärker, insb. in Form von Logikgattern, welche eingerichtet sind, jeweils eins der beiden pulsweitenmodulierten Signale um den Spannungswert der Betriebsspannung zu verstärken.In this case, the signal amplifier unit comprises two digital amplifiers which can be operated with an operating voltage, in particular in the form of logic gates, which are set up in each case to amplify one of the two pulse-width-modulated signals by the voltage value of the operating voltage.
Der Regelverstärker ist ferner eingerichtet, den Spannungswert der Betriebsspannung linear zu dem Verstärkungsfaktor zu ändern.The variable gain amplifier is further configured to change the voltage value of the operating voltage linearly to the amplification factor.
Damit entsprechen die Spannungspegel der beiden, von der Signalverstärkereinheit verstärkten pulsweitenmodulierten Signale dem Spannungswert der Betriebsspannung.Thus, the voltage levels of the two, amplified by the signal amplifier unit pulse width modulated signals correspond to the voltage value of the operating voltage.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Resolver, insbesondere zur Messung eines Drehwinkels einer elektrischen Maschine, bereitgestellt. Dabei umfasst der Resolver eine Erregerwicklung mit einem ersten und einem zweiten Stromanschluss, sowie eine zuvor beschriebene Schaltungsanordnung, wobei die Schaltungsanordnung über einen ersten und einen zweiten Signalausgang mit dem ersten bzw. dem zweiten Stromanschluss der Erregerwicklung elektrisch leitend verbunden ist und über den ersten und den zweiten Signalausgang das analoge Signal als ein Erregersignal in die Erregerwicklung speist.In accordance with yet another aspect of the invention, a resolver, in particular for measuring a rotation angle of an electrical machine, is provided. In this case, the resolver comprises an excitation winding with a first and a second power connection, and a previously described circuit arrangement, wherein the circuit arrangement is electrically connected via a first and a second signal output to the first and the second power terminal of the field winding and via the first and the second signal output feeds the analog signal as an excitation signal in the field winding.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen auf die oben beschriebene Schaltungsanordnung oder auf den oben genannten Resolver übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung bzw. des Resolvers anzusehen.Advantageous embodiments of the method described above, as far as applicable to the above-described circuit arrangement or to the resolver mentioned above, are also to be regarded as advantageous embodiments of the circuit arrangement or of the resolver.
Beschreibung der Zeichnung:Description of the drawing:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schaltungstopologie einen Resolver
Der Resolver
Die Schaltungsanordnung
Die Schaltungsanordnung
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Filtereinheit
Die Schaltungsanordnung
Alternativ kann der Analogverstärker
An den beiden Signalausgängen
Die Schaltungsanordnung
Die Schaltungsanordnung
Die Schaltungsanordnung
Nachdem die Schaltungstopologie des Resolvers
Zum Generieren des Sinussignals
Diese beiden pulsweitenmodulierten Signale
Die um den Verstärkungsfaktor
Die beiden Zwischensignale
An den beiden Signalausgängen
Über die jeweiligen Signalverbindungen zwischen den Signalausgängen
Solange die Signalamplitude des entsprechenden Zwischensignals
Der Regelverstärker
Dabei funktioniert der Regelverstärker
Mit der so rekursiv angepassten Betriebsspannung
Durch das oben beschriebene Verfahren kann eine Amplitudenregelung bei dem Sinussignal
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