DD207319A3 - Verfahren zur stabilitaetspruefung von regelkreisen mit pulsbreitenregelung - Google Patents

Abstract

Vorgesehen insbesondere zur Erkennung und Anzeige von Instabilitaet in Regelkreisen mit Pulsbreitenregelung, die beispielsweise in Schaltnetzteilen eingesetzt werden. Ziel ist eine Vereinfachung der Prueftechnik, um ganze Geraeteserien rationell pruefen zu koennen. Aufgabengemaess soll Instabilitaeten im geschlossenen Regelkreis auf einfache Weise erkannt und angezeigt, einschliesslich digitaler Aussagemoeglichkeit, werden. Errindugngsgemaess wird aus dem Regelkreis ein pulsbreitengeregeltes Signal mit der Pulsfolgefrequenz fo ueber eine Anpassungsschaltung normiert auf ein Tiefpassfilter mit der Grenzfrequenz fg gegeben, wobei gilt fo unterm Strich 2 kleiner gleich fg kleiner fo, nachfolgend wird das bei Instabilitaet vorhandene Signal mit der Frequenz fm kleiner fo unterm Strich 2 verstaerkt, anschliessend in an sich bekannter Weise gleichgerichtet und mit einem vorgegebenen Schwellwert in Abhaengigkeit von den zugelassenen Toleranzen - verglichen, und das Vergleichsergebnis wird angezeigt und/oder weiter ausgewertet. Auf diese Weise ist eine Stabilitaetspruefung unter Ausschluss subjektiver Faktoren mit einfachem Pruefaufwand ueber den gesamten Arbeitsbereich stetig durchfuehrbar. Eine automatisierte Pruefung ist moeglich.

Description

Berlin, den 2,2.1982 qu-kb 29170/412

Anmelder Dipl.-Ing· Manfred Höppner

Dipl.-Ing. Herbert Wekel

Verfahren zur Stabilitätsprüfung von Regelkreisen mit Pu lsbreit en rege lung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilitätsprüfung von Regelkreisen mit Pulsbreitenregelung, insbesondere zur Erkennung und Anzeige von Instabilitäten in diesen Regelkreisen.

Derartige Regelkreise sind beispielsweise in,Schaltnetzteilen oder Spannungswandlern vorhanden. Bei Stabilitätsbetrachtungen an Regelkreisen wird zwischen theoretischen und praktischen Untersuchungen unterschieden. Die theoretischen Untersuchungen werden in der Entwurfsphase durchgeführt; dazu zählen die Stabilitätsprüfung an Hand der Differentialgleichung, mittels .Frequenzgangdarstellung, Wurzelortverfahren oder Darstellung der Übertragungsfunktion des aufgeschnittenen Regelkreises» Nachdem so die prinzipielle Stabilität nachgewiesen ist, erfolgt die

praktische Erprobung am Muster unter verschiedenen Betriebsbedingungen und Störeinflüssen,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Üblicherweise wird die praktische Prüfung am geschlossenen Regelkreis derart durchgeführt, daß bei jeder Parameter-Änderung auf dem Oszillografen das Regelkreis-Signal ausgewertet wird. Da sich bei Verschiebung des Arbeitspunktes die Pulsbreite ändert, muß jeweils auch am Oszillografen entsprechend nachgestellt werden. Aus diesem Grunde können nur ausgewählte Arbeitspunkte untersucht werden, und dieses Verfahren ist deshalb auch nur für den Laborbetrieb geeignet. Der subjektive Einfluß ist hierbei offensichtlich. 8ei einem anderen Verfahren wird die Sprungantwort bei Sprüngen auf der Betriebsspannung, der Ausgangsspannung oder der Referenzspannung ausgewertet, Oazu werden ein entsprechender Impulsgenerator mit einstellbarer Sprunghöhe und -dauer sowie zur Aufzeichnung ein Speicheroszillograf benötigt. Auch dieses Verfahren bedingt einen aufwendigen Meßaufbau beziehungsweise den Einsatz kostspieliger Meßgeräte und gestattet selbst bei großzügigen Zeitvorgaben nur die Auswertung ausgewählter Arbeitspunkte. Beide Verfahren sind für eine Stabilitätsprüfung unter Fertigungsbedingungen mit automatisierter Prüftechnik ungeeignet. Daher wird bisher auf diese Prüfung entweder ganz verzichtet oder eine Prüfung nur auf wenige Stichproben beschränkt .

Ziel der Erfindung

Es werden eine Vereinfachung und ein größerer Einsatzbereich, beispielsweise für die Prüfung ganzer Geräteserien, der Prüftechnik bei reduziertem Zeitaufwand angestrebt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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Der Erfindung liegt die Aufgabe· zugrunde, ein Verfahren zur Stabilitätsprüfung von Regalkreisen mit Pulsbreitenregelung zu schaffen, mit dem in einfacher Weise insbesondere die Erkennung und Anzeige von Instabilitäten im geschlossenen.Regelkreis über den gesamten Arbeitsbereich ermöglicht wird. Die Anzeige soll auch digital möglich sein. Sei der erfindungsgemäßen Lösung wird von dem bisher unberücksichtigt gebliebenen Sachverhalt ausgegangen, daß die zu regelnde Impulsfolge bei konstanten Betriebsparametern, wie Umgebungstemperatur, Eingangs- und Ausgangsgrößen der Regelstrecke, für den stabilen eingeschwungenen Regelkreis keine Spektralanteile unterhalb der Pulsfolgefrequenz fo enthält. Dagegen treten bei Instabilitäten Spektralanteile bei Frequenzen von fm kleiner gleich fo/2 auf. Erfindungsgemäß wird das puIsbreiten-geregelte Signal s mit der Pulsfrequenz fo über eine Anpassungsschaltung normiert auf ein Tiefpaßfilter mit der Grenzfrequenz fg gegeben, wobei gilt fo/2 kleiner gleich fg kleiner fo, nachfolgend wird das bei Instabilität vorhandene Signal sm mit der Frequenz fm in einem Verstärker verstärkt, anschließend in an sich bekannter Weise gleichgerichtet und mit einem vorgegebenen Schwellwert - in Abhängigkeit von den zugelassenen Toleranzen - verglichen und das Ergebnis angezeigt und/oder weiter ausgewertet.

Das pulsbreiten-geregelte Signal s wird zweckmäßigerweise vom Ausgang des Reglers rückwirkungsfrei abgenommen. Das gleichgerichtete Signal wird einem Anzeigeinstrument, beispielsweise einem Digitalvoltmeter, direkt zugeführt und mit einem vorgemerkten Schwellwert verglichen. Der Vergleich kann auch mittels eines !«Comparators durchgaführt werden, an dessen einen Eingang das gleichgerichtete Signal und an dessen anderen Eingang eine Referenzspannung als Schwellwert gelegt wird und dessen Äusgangssigna1 zur Steuerung einer optischen Anzeige, beispielsweise einer

Leuchtdiode, verwendet wird und/oder an eine automatische Prüfeinrichtung weitergeleitet wird.

Vorteilhafterweise wird das Ausgangssigna 1 des Komparators digitalisiert und galvanisch getrennt, beispielsweise über einen Optokoppler, an die automatische Prüfeinrichtung weitergeleitet.

Auf die vorstehend beschriebene Weise werden Spektralanteile unterhalb der Pulsfolgefrequenz f.ο als Kriterium beziehungsweise Nachweis für Instabilitäten in Regelkreisen mit Pulsbreitenregelung ausgenutzt und die Prüfung im wesentlichen auf eine einfache Amplitudenmessung zurückgeführt. Es ist offensichtlich, daß hierbei subjektive Faktoren weitgehend ausgeschaltet sind. Die Stabilitätsprüfung ist über den gesamten Arbeitsbereich stetig durchführbar und kann in kurzer Zeit mit relativ geringem Geräteaufwand erfolgen. Das srfindungsgemäße Verfahren gestattet bei digitalem Ausgangssignal eine automatisierte Prüfung.

Ausführungsbeispie 1

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Prüfschaltung zur

Stabilitätsprüfung von Regelkreisen rait PuIsbreiten rege lung,

Fig. 2: ein ausführliches Schaltbild des Anpassungs-,

Filter- und Verstärkerteils der Prüfschaltung,

Fig. 3a und b: ein ausführliches Schaltbild des Gleichrichter-.,

Komparator- und Anzeigeteils der Prüfschaltung.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Prüfschaltung zur Stabilitätsprüfung von Regelkreisen mit Pulsbreitenregelung aus einer Anpassungsschaltung 2, einem Tiefpaßfilter 3, einem Verstärker A-,-einer Gleichrichterschaltung 5 sowie wahlweise einem Analogvoltmeter 6, einem Digitalvoltmeter 7, einem Komparator 8

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mit einer nachgeschalteten Leuchtdiode 9 und/oder einer automatischen Prüfeinrichtung 10, Das pulsbreitengeregaIte Signal s wird aus dem Regelkreis 1 vom Ausgang des Reglers Ib beziehungsweise vom Eingang der Regelstrecke la mittels der Anpassungsschaltung 2 rückwirkungsfrei abgenommen und mit einer vorgegebenen Amplitude auf das Tiefpaßfilter 3 gegeben, dessen Ausgangssigna 1 sm dann im Verstärker verstärkt und in der Gleichrichterschaltung 5 gleichgerichtet wird. Bei Stabilität ist das Ausgangssignal sm = O beziehungsweise liegt unter einem vorgegebenen Schwellwert, Das gleichgerichtete Signal wird wahlweise mit dem Analogvoltmeter 6 oder dem Digitalvoltmeter 7 angezeigt. Der an einem Prüfmuster vorher ermittelte beziehungsweise theoretisch berechnete, zugelassene Amplitudenwert entspricht der noch zulässigen Isnpu lsbreitenschwankung und dient als Vergleichswert beziehungsweise Schwellwert für die Messung. Danach werden alle Amplitudenwsrte des gleichgerichteten Signals oberhalb dieses Schwallwertes als unzulässige Instabilität gewertet. Anstatt einem Voltmeter kann das gleichgerichtete Signal auch dem Komparator 8 zugeführt werden, injdem es mit einer Referenzspannung Ur, die den Schwellwert darstellt, verglichen wird. Das Ausgangssignal des Komparators 8 stellt das Vergleichsergebnis dar und kann mittels der Leuchtdiode 9 angezeigt und/oder in der automatischen Prüfeinrichtung 10 weiter ausgewertet werden. Der Komparator 8 liefert in der Regel ein digitales Ausgangssignal, so daß beispielsweise Instabilität durch eine hells Leuchtdiode 9 signalisiert wird. .

Wie Fig. 2 ausführlicher zu entnehmen ist, hat die Anpassungsschaltung 2 die Aufgabe,.einmal das puIsbreiten-geregelte Signal s vom geschlossenen Regelkreis 1 so abzunehmen, daß dessen Wirkungskreis in keiner Weise von außen beeinflußt wird und zum anderen an das Tiefpaßfilter 3 eine definierte Amplitude zu liefern unter Einhaltung eines bestimmten Quellwiderstandes. Die Anpassungsschaltung 2 besteht im wesentlichen aus einem zweistufigen Transistorverstärker mit

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den Tranaistoren TI und t2 und einem nachgeschalteten NAND-glied Vl zur Realisierung eines normierten Pegels» Oer Transistor Tl arbeitet in Kollektorschaltung und bildet mit den Widerständen Rl und R2 einen genügend großen Eingangswiderstand, so daß der Regelkreis 1 unbeeinflußt bleibt. Hinzu kommt, daß Amplitudenschwankungen am Ausgang des Reglers Ib normalerweise unkritisch sind, da die Information in der Pulsbreite enthalten ist» Die Dioden Dl und D2 verhindern, daß der Transistor T2 übersteuert wird» Die Transistoren Tl, T2 und das NAND-Glied Vl werden mit einer stabilisierten Betriebsspannung Ub versorgt, da die Amplitude der einzelnen Spektralantsile von der Amplitude der puIsbraitengeregelten RechteckweHe s und damit von der Betriebsspannung Ub linear abhängt. Der Widerstand R3 bildet gemeinsam mit dem rückwärtigen Innenwiderstand des NAND-Gliedes Vl den angepaßten Quellwiderstand- für das Tiefpaßfilter 3. Die Anforderungen bezüglich Welligkeit im Durchlaß- und Sperrbereich sind relativ gering, so daß ein dreistufiges Cauer-Tiefpaßfilter ausreicht . Der nachfolgende Verstärker 4 ist als Operationsverstärker V2 ausgeführt, dessen Eingangswiderstand R4 zugleich Abschlußwiderstand für das Tiefpaßfilter 3 ist. Ist eine veränderbare Empfindlichkeit erwünscht, so kann der Gegenkopplungswiderstand R5 des Operationsverstärkers V2 dementsprechend einstellbar ausgeführt werden* De nach der Art und Weise des Vergleichs und der Anzeige ist die Gleichrichterschaltung 5 unterschiedlich ausgeführt. Gemäß Fig. 3a wird bei Auswertung mittels eines Analogvoltmeters 6 oder eines Digitalvoltmeters 7 zur Gleichrichtung eine Brückenschaltung aus vier Dioden D3 bis D6 verwendet, die im Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers V3 liegt. Ein Operationsverstärker ist zweckmäßig, da hierfür nur eine geringe Schwellspannung in der Größenordnung von 10 mV erforderlich ist.

Gemäß Fig. 3b wird bei Vergleich mittels eines Komparators 8 eine Einweggleichrichtung mit einer Diode 07 und anschließendem Siebglied vorgenommen. Der Komparator besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker V4, an dessen einem

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Eingang das gleichgerichtete Signal u-nd an dessen anderem Eingang eine stabilisierte Referenzspannung Ur liegt und der auf diese Weise als Differenzverstärker betrieben wird» Die Gegenkopplung ist so bemessen, daß der Operationsverstärker ein digitales Ausgangssignal liefert. Eine dem Komparatorausgang C nachgeschaltete Leuchtdiode 9 nimmt daher entweder den Zustand hell oder den Zustand dunkel ein. Auf diese Weise ist gerade in der Serienfertigung eine einfache Aussonderung instabiler Prüflinge möglich.

Ist eine weitergehende Automatisierung des Prüfablaufs erwünscht, so kann auch eine automatische Prüfeinrichtung 10 galvanisch getrennt über einen Optokoppler 11 an den Komparatorausgang C angeschlossen werden. Die automatische Prüfeinrichtung 10 kann beispielsweise derart konzipiert sein, daß schrittweise der gesamte Arbeitsbereich des Reglers Ib jeweils in Abhängigkeit vom einzelnen Meßergebnis und gesteuert durch die automatische Prüfeinrichtung 10 geprüft wird.

Claims (5)

1. Srfindungsanspruch

   1. Verfahren zur Stabilitätsprüfung von Regelkreisen mit Pulsbreitenregelung, insbesondere zur Erkennung und Anzeige von Instabilitäten in diesen Regelkreisen, bestehend aus Regler und Regelstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Regelkreis ein pulsbreiten-geregeltes Signal (s) mit der Pulsfolgefrequenz fo über eine Anpassungsschaltung (2) normiert auf ein Tiefpaßfilter (3) mit der Grenzfrequenz fg gegeben wird, wobei gilt -s— kleiner gleich fg kleiner fo, nachfolgend das bei Instabilität vorhandene Signal (sin) mit der Frequenz fm kleiner gleich ~ in einem Verstärker (4) verstärkt, anschließend in an sich bekannter Weise gleichgerichtet, mit einem vorgegebenen Schwellwert (Ur) - in Abhängigkeit von den "zugelassenen Toleranzen - verglichen und das Ergebnis angezeigt und/oder weiter ausgewertet wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt I₃ dadurch gekennzeichnet, daß das pu lsbreitan-gerege Ite Signal (s) vom Ausgang des Raglers (Ib) rückwirkungsfrsi abgenommen wird.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichgerichtete Signal direkt einem Anzeigeinstrument, beispielsweise einem Digitalvoltmeter (7), zugeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich mittels eines Komparators (8) durchgeführt wird, an dessen einen Eingang das gleichgerichtete Signal und an dessen anderen Eingang eine Referenzspannung (Ur) als Schwellwert gelegt wird und dessen Ausgangssignal zur Steuerung einer optischen Anzeige, beispielsweise einer Leuchtdiode (9) , verwendet wird und/oder an eine automatische Prüfeinrichtung (10) weitergeleitet wird.
5. 5. Verfahren nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Komparators (8) digitalisiert und

   galvanisch getrennt, beispielsweise über einen Optokoppler (11), an die automatische Prüfeinrichtung (1.0) weiteraeleitet wird.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen.