AT510756A2

AT510756A2 - Pwm-modulator mit nichtlinearer umwandlungsfunktion

Info

Publication number: AT510756A2
Application number: AT18872010A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-06-15
Also published as: AT510756A3

Abstract

Der Modulator besteht aus zwei Baugruppen, einem Sinusoszillator und einem Komparator. Durch den Sinusoszillator wird die Modulationsfrequenz vorgegeben. Durch Verschneidung dieses Signals mit dem zu modulierenden Signal mit Hilfe des Komparators wird ein Rechtecksignal das pulsweitenmoduliert ist erzeugt. Die entstehende Pulsweite wird durch die Arccos Funktion beeinflusst. Dadurch kommt es bei sehr kleinen und bei sehr großen Eingangssignalen zu einem stärkeren Einfluss auf die Pulsweite als im Bereich von Eingangssignalen im mittleren Bereich. Das hat einen Einfluss auf die Regelung z.B. von DC/DC Konvertern und führt insgesamt zu einer besseren Dynamik des Konverters.

Description

PWM-Modulator mit nichtlinearer Umwandlungsfunktion

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bestehend aus einem Sinusoszillator (1) und einem mit mindestens zwei Eingängen versehenen Komparator (2), an dessen Ausgang das pulsweitenmodulierte Signal abgegriffen werden kann.

Der Modulator besteht aus zwei Baugruppen, einem Sinusoszillator und einem Komparator. Durch den Sinusoszillator wird die Modulationsfrequenz vorgegeben. Durch Verschneidung dieses Signals mit dem zu modulierenden Signal mit Hilfe des Komparators wird ein Rechtecksignal das pulsweitenmoduliert ist erzeugt. Üblicherweise erfolgt die Modulation mit einem Sägezahn- oder Dreiecksignal, dabei entsteht ein linearer Zusammenhang zwischen Signalgröße des zu modulierenden Signals und der entstehenden Pulsweite. Auch ein periodisches Parabelsignal oder periodische Kubikfunktionen wurden schon verwendet, dabei entsteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Signalgröße des zu modulierenden Signals und der entstehenden Pulsweite.

Die hier behandelte Methode hat den Vorteil, dass Sinusschwingungen analog sehr leicht erzeugbar sind. Es gibt eine große Anzahl von RC- Oszillatoren (für den niederfrequenten Bereich) und LC-Oszillatoren (für den hochfrequenten Bereich). Der hier vorgeschlagene PWM-Modulator hat seine Hauptanwendung bei der Ansteuerung von leistungselektronischen Konvertern, daher erscheint der Einsatz von RC-Oszillatoren sinnvoll. Als verstärkendes Element stehen dazu Bipolar- und MOSFET-Transistorschaltungen, Operationsverstärker, Transimpedanzverstärker und ähnliches zur Verfügung. Der Modulator kann diskret oder integriert (als kundenspezifischer Modulator, oder als Teilschaltung z.B. in einem Schaltnetzteil IC) aufgebaut werden.

Wird die Schaltung so aufgebaut, dass das puls weitenmodulierte Signal immer dann high ist, wenn das sinusförmige Modulationsträgersignal mit der Frequenz/größer als das zu modulierende Signal UM ist, so ergibt sich eine Pulslänge von • arccos TP = sind die beiden Signale umgekehrt angeschlossen so ergibt sich für die Pulslänge ( Ή 1 t UM ----arccos 2 π \ Λ l u

Die Arcuscosinusfunktion ist die Ursache der Nichtlinearität. Dadurch kommt es bei sehr kleinen und bei sehr großen Eingangssignalen zu einem stärkeren Einfluss auf die Pulsweite T13/fh/20101116 1 als im Bereich von Eingangssignalen im mittleren Bereich, Das hat einen Einfluss auf die Regelung z.B. von DC/DC Konvertern und führt insgesamt zu einer besseren Dynamik des Konverters. Auch bei der Erzeugung von pulsweitenmodulierten Signalen für die Erzeugung von Wechselspannungen für Wechselstrommaschinen kommt es zu einer Erhöhung des Grundschwingungsanteils des Motorstroms.

Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren beschrieben, Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild, Fig. 2 eine schaltungstechnische Realisierung beispielhaft mit einem Operationsverstärker (3) und einem Komparator (4).

In Fig. 1 liefert der Oszillator (1) eine Sinusspannung (u0a =£/sin(<ar)) die an den ersten Vergleichseingang und das zu modulierende Signal (um) an den zweiten Vergleichseingang des Komparators (2) geschaltet ist. Zusätzlich zeigt die Skizze noch einen dritten Vergleichseingang, an den symbolisch das Signal (uBegmnt) angeschaltet ist. Damit ist es z.B. möglich, eine Strombegrenzung des Konverters direkt auf das Modulationssignal einwirken zu lassen. Das zu modulierende Signal (um) kommt bei einer Konverteranwendung direkt aus dem Regler und dieser fordert z.B. beim Hochlauf bzw. bei Lastsprüngen ein höheres Tastverhältnis als strommäßig zulässig ist. Hier kann dann die Strombegrenzung eingreifen. Weiters kann über so einem Eingriff die Pulsweite beim Hochlauf erst langsam gesteigert werden. Das zu modulierende Signal (um) (das ist in so einer Anwendung das Reglersignal) hat damit die geringste Priorität, der Hochlauf bzw. die Strombegrenzung sind dominant.

Figur 2 zeigt eine einfache schaltungstechnische Lösung. Oszillator und Komparator sind grundsätzlich allgemein bekannte Schaltungsbaugruppen. Der hier dargestellt RC Oszillator ist zwar nicht allgemein üblich, aber für die hier gestellte Aufgabe gut geeignet, als Komparator ist einer mit Hysterese gezeichnet, um Schwingungen beim Verschnitt der Signale, verursacht durch Rauschen oder kurze Störimpulse, zu vermeiden. Eine kleine Hysterese des Komparators ist hier sehr hilfreich.

Die Aufgabe, ein pulsmoduliertes Signal mit zum Eingangssignal nichtlinearer Pulsdauer zu erzeugen wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass das zu modulierende Signal an einen Eingang des Komparators und an den zweiten Eingang des Komparators das Ausgangssignal des Sinusoszillators geschaltet ist. Das zu modulierende Signal an den positiven Eingang und das Sinussignal an den negativen Eingang des Komparators geschaltet oder das zu modulierende Signal an den negativen Eingang und das Sinussignal an den positiven Eingang des Komparators geschaltet wird und dass das zu modulierende Signal durch einen Begrenzer vorzugsweise auf eine Größe kleiner als das Sinusignal begrenzt ist. Die Schaltung kann T13/fh/20101116 2 • ·

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diskret mit Operations- oder Transimpedanzverstärkem aufgebaut werden oder ganz oder teilweise Teil einer integrierten Schaltung bilden. Durch zusätzlichen Komparatoreingänge kann das entstehende pulsweitenmodulierte Signal in der Pulslänge gekürzt oder unterdrückt werden. Der Modulator dient hauptsächlich zur Ansteuerung eines leistungselektronischen Konverters. 3 T13/fh/201Ö1116

Claims

Patentansprüche 1. Vorrichtung bestehend aus einem Sinusoszillator (1) und einem mit mindestens zwei Eingängen versehenen Komparator (2), an dessen Ausgang das pulsweitenmodulierte Signal abgegriffen werden kann durch gekennzeichnet, dass das zu modulierende Signal an einen Eingang des Komparators und an den zweiten Eingang des Komparators das Ausgangssignal des Sinusoszillators geschaltet ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 durch gekennzeichnet, dass das zu modulierende Signal an den positiven Eingang und das Sinussignal an den negativen Eingang des Komparators geschaltet wird.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 durch gekennzeichnet, dass das zu modulierende Signal an den negativen Eingang und das Sinussignal an den positiven Eingang des Komparators geschaltet wird.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,2 oder 3 durch gekennzeichnet, dass das zu modulierende Signal durch einen Begrenzer vorzugsweise auf eine Größe kleiner als das Sinusignal begrenzt ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,2,3 oder 4 durch gekennzeichnet, dass die Schaltung diskret mit Operations- oder Transimpedanzverstärkem aufgebaut ist oder ganz oder teilweise Teil einer integrierten Schaltung ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durch gekennzeichnet, dass das entstehende pulsweitenmodulierte Signal in der Pulslänge über zusätzliche Komparatoreingänge gekürzt oder unterdrückt wird.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durch gekennzeichnet, dass der Modulator zur Ansteuerung eines leistungselektronischen Konverters dient. 4 T13/fh/20101116