DE102004040252A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit vorgegebener mittlerer Größe aus einem demgegenüber größeren Eingangssignal durch pulsweitenmodulierte Zuschaltung des Eingangssignals - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit vorgegebener mittlerer Größe aus einem demgegenüber größeren Eingangssignal durch pulsweitenmodulierte Zuschaltung des Eingangssignals vorgestellt, wobei die Pulsweitenmodulation innerhalb einer Pulsbreite eine vorgegebene Anzahl diskreter, einstellbarer Pulsweiten aufweist und jede Pulsweite einer bestimmten mittleren Größe des Ausgangssignals entspricht. DOLLAR A Um ein Ausgangssignal mit einer mittleren Größe zu erzeugen, welches nicht einer der diskret einstellbaren Pulsweiten entspricht, wird vorgeschlagen, einen Überrahmen aus zumindest zwei aufeinanderfolgenden Pulsen vorzugeben, wobei zumindest zwei Pulse innerhalb des Überrahmens eine derart voneinander abweichende Pulsweite aufweisen, so dass die mittlere Größe des Ausgangssignals der vorgegebenen Größe entspricht. DOLLAR A Dadurch können insbesondere durch eine Pulsweite nicht darstellbare Zwischenwerte der mittleren Größe sowie solche Werte der mittleren Größe erzeugt werden, welche aufgrund der Schaltverzögerung des pulsweitenmoduliert gesteuerten Schaltmittels in einer Pulsweite nicht erzeugbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit vorgegebener mittlerer Größe aus einem demgegenüber größeren Eingangssignal durch pulsweitenmodulierte Zuschaltung des Eingangssignals.
• Die Ansteuerung vieler elektrischer Lasten, beispielsweise im Kfz (zB. Lampen, Heizwendeln, ...) erfolgt mittels Pulsweitenmodulation (PWM), wobei die an die Last abgegebene Leistung im Bereich 0...100% geregelt oder gesteuert werden kann. So wird beispielsweise die mittlere Ausgangsspannung oder Ausgangsleistung durch Pulsweitenmodulation gesteuert oder geregelt. Ist für den nachgeschalteten Verbraucher ein Gleichsignalpegel, also bspw. eine Gleichspannung erforderlich, so können entsprechende Glättungsfilter zwischen PWM-Schaltstufe und Verbraucher geschaltet werden.
• PWM Signale werden in KfZ Steuergeräten normalerweise über in den μController integrierte Timer Module erzeugt, wobei die Auflösung der Timer durch verschiedene Parameter auf sinnvolle Werte (zB. 8Bit) begrenzt werden muß. Die Auflösung der PWM dabei also ist begrenzt durch die diskreten darstellbaren Pulsbreiten, insbesondere durch die digitale Auflösung der verwendeten Zähler. Der kleinste Schritt in der Änderung der Ansteuerung ergibt sich damit durch P_max/2ⁿ, kleinere Schritte sind nicht darstellbar.
• Ein weiterer begrenzender Faktor von pulsweitenmodulierten Signalen sind extreme Pulsweiten (nahe 0% bzw. 100%), insbesonders wenn in den Leistungsstufen die aus EMC Gründen üblichen Schaltverzögerungen und Anstiegsbegrenzungen eingebaut sind. In diesem Fall können Pulsweiten kleiner der gesamten Verzögerung nicht oder nur mit erheblichem Aufwand dargestellt werden. Teilweise wird also zusätzlich der nutzbare Bereich der Modulation eingeschränkt, weil Pulsbreiten kleiner als die Schaltverzögerung der Leistungsstufe gewöhnlich nicht dargestellt werden können.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der die Auflösung verbessert oder/und bisher nicht einstellbare mittlere Größen erreicht werden können. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Würde man gewöhnlicherweise bei einer PWM-Steuerung die Auflösung erhöhen wollen, so setzt man dazu Zähler mit entsprechend höherer Auflösung und schnellerer Taktung ein, was jedoch den Aufwand deutlich erhöht.
• Der Erfindung liegt die Tatsache zugrunde, daß mehrerer Modulationen zur Erzielung einer feineren Stufung überlagert werden können. Dazu ein Überrahmen aus zumindest zwei aufeinanderfolgenden Pulsen vorgegeben, wobei zumindest zwei Pulse innerhalb des Überrahmens eine derart voneinander abweichende Pulsweite aufweisen, so dass die mittlere Größe des Ausgangssignals der vorgegebenen Größe entspricht.
• Geht man bspw. von einer 3-Bit-Auflösung und somit 8 unterschiedlichen Pulsweiten aus, so kann durch einen Überrahmen von jeweils zwei Pulsen und Verwendung jeweils benachbarter Pulsweiten die Auflösung der einzustellenden mittleren Größe quasi verdoppelt werden, ohne die Bitauflösung und Taktung tatsächlich erhöhen zu müssen. Erhöht man die Anzahl von Pulsen innerhalb des Überrahmens, können noch feinere Auflösungen dargestellt werden. Eine praktische Grenze ist dabei nur die für jede Applikation unterschiedliche zulässige Länge des Überrahmens und damit der Zeitspanne, innerhalb der die mittlere Größe erreicht werden muß. Es können somit Ausgangssignale mit einer mittleren Größe erzeugt werden, welche einem Zwischenwert zwischen den diskret vorgegebenen Pulsweiten entspricht. Vorzugsweise wird der Überrahmen mehrmals wiederholt.
• Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangssignals vorgegebener mittlerer Größe aus einem demgegenüber größeren Eingangssignal durch pulsweitenmodulierte Zuschaltung des Eingangssignals auf den Ausgang benötigt somit einzig ein entsprechend steuerbares Schaltmittel sowie eine Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens. Die Steuereinrichtung muß die Pulsweiten innerhalb eines Überrahmens entsprechend der einzustellenden mittleren Größe steuern.
• Es ist dabei denkbar, dass bei der Schaltungsanordnung in einem Grobeinstellmodus die mittlere Größe des Ausgangssignals als Pulsweite innerhalb einer Pulsbreite als ein Digitalwert vorgegebener erster Bitzahl diskret mit einem Taktgenerator vorgegebener Frequenz in äquidistanten Schritten vorgegeben ist. In einem Feineinstellmodus ist dabei die mittlere Größe des Ausgangssignals als Digitalwert mit einer zweiten, gegenüber der ersten höheren Bitzahl feiner aufgelöst vorgegeben, wobei für jeden Digitalwert in dem Feineinstellmodus in einer Tabelle die Anzahl der Pulse innerhalb eines Überrahmens und deren Pulsweiten gespeichert sind und durch entsprechende Einstellung der Pulsweite der Pulse innerhalb des Überrahmens mit der gleichen Taktfrequenz des Taktgenerators das Ausgangssignal entsprechend der zweiten Bitzahl vorgegebener mittlerer Größe erzeugbar ist.
• Die Pulsweite ist in der Regel in äquidistanten Schritten über die gesamte Pulsbreite vorgegeben. Das pulsweitenmoduliert anzusteuernde Schaltmittel weist teilweise eine Schaltflankenbreite größer als zumindest ein derartiger äquidistanter Schritt auf, so dass Pulsweiten innerhalb eines unteren Grenzbereichs und oberhalb eines oberen Grenzbereichs nicht erzeugbar sind. Auch hierfür kann das Verfahren eingesetzt werden. Zur Erzeugung von Ausgangssignalen einer mittleren Größe, die einer Pulsweite innerhalb des unteren Grenzbereichs entspricht, werden in einem Überrahmen eine entsprechende Anzahl von Pulsen mit einer Pulsweite Null Prozent und einer oberhalb des unteren Grenzbereichs liegenden Pulsweite verwendet. Zur Erzeugung von Ausgangssignalen einer mittleren Größe, die einer Pulsweite innerhalb des oberen Grenzbereichs entspricht, werden in einem Überrahmen eine entsprechende Anzahl von Pulsen mit einer Pulsweite Hundert Prozent und einer unterhalb des oberen Grenzbereichs liegenden Pulsweite verwendet.
• Die folgende Tabelle veranschaulicht den Sachverhalt für eine Modulation mit 100 Schritten, wobei die Auflösung 1/100 und die schaltverzögerungsbedingte minimale Pulsweite 3 (bzw. 97) entspricht:

  
• Die Schritte 1, 3, 4, 7 repräsentieren die Grundmodulation und können durch den Modulator einfach dargestellt werden.
• Der Schritt 2 dagegen ist ein Zwischenwert und kann mit dem herkömmlichen Verfahren nicht dargestellt werden. Zur Herstellung der Wertes muß eine weitere Modulation überlagert werden. Diese besteht aus einer abwechselnden Steuerung der benachbarten PWM-Werte 95 und 96. Der resultierende Werte dabei ergibt sich aus dem Mittelwert der verwendeten Flächen und damit zur (95 + 96)/2 = 95,5.
• Die Schritte 6 und 7 stellen Werte dar, die aus Gründen der Schaltverzögerung nicht dargestellt werden können. Auch diese können aber mit einer Überlagerung möglicher Werte (hier 97 und 100) erzeugt werden:
  Schritt b: (2 × 97 + 1 × 100)/3 = 98
  Schritt 7: (1 × 97 + 2 × 100)/3 = 99
• Dieses Verfahrens und/oder eine entsprechende Schaltungsanordnung können beispielsweise zur Erzeugung einer elektrischen Ausgangsspannung vorgegebener mittlerer Größe für ein elektrisches Lastelement, insbesondere einer oder mehrerer parallel geschalteter Glühlampen verwendet werden oder eignen sich für die Verwendung in einem Regelkreis zur Regelung der mittleren elektrischen Leistung an einem elektrischen Lastelement.
• Bei der Erzeugung der Zwischenwerte werden der Modulationsfrequenz weitere, niederfrequente Anteile überlagert, die jedoch nur eine kleine Modulationsamplitude bedingt durch die geringe Differenz zwischen den Pulsweiten innerhalb eines Überrahmens aufweisen und somit meist toleriert werden können.
• Diese Supermodulationsfrequenzen werden vorteilhafter Weise mit einer Subharmonischen der Modulationsfrequenz ausgeführt, es können aber auch unabhängige Frequenzen verwendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit vorgegebener mittlerer Größe aus einem demgegenüber größeren Eingangssignal durch pulsweitenmodulierte Zuschaltung des Eingangssignals, a) wobei die Pulsweitenmodulation innerhalb einer Pulsbreite eine vorgegebene Anzahl diskreter, einstellbarer Pulsweiten aufweist und jede Pulsweite einer bestimmten mittleren Größe des Ausgangssignals entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass b) ein Ausgangssignal mit einer mittleren Größe erzeugt wird, welche nicht einer der diskret einstellbaren Pulsweiten entspricht, indem ein Überrahmen aus zumindest zwei aufeinanderfolgenden Pulsen vorgegeben wird und zumindest zwei Pulse innerhalb des Überrahmens eine derart voneinander abweichende Pulsweite aufweisen, so dass die mittlere Größe des Ausgangssignals der vorgegebenen Größe entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überrahmen zumindest einmal wiederholt wird.
3. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer mittleren Größe, welche einem Zwischenwert zwischen den diskret vorgegebenen Pulsweiten entspricht.
4. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangssignals vorgegebener mittlerer Größe aus einem demgegenüber größeren Eingangssignal durch pulsweitenmodulierte Zuschaltung des Eingangssignals auf den Ausgang über ein steuerbares Schaltmittel mit einer Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
5. Schaltungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei a) in einem Grobeinstellmodus die mittlere Größe des Ausgangssignals als Pulsweite innerhalb einer Pulsbreite als ein Digitalwert vorgegebener erster Bitzahl diskret mit einem Taktgenerator vorgegebener Frequenz in äquidistanten Schritten vorgegeben ist und b) in einem Feineinstellmodus die mittlere Größe des Ausgangssignals als Digitalwert mit einer zweiten, gegenüber der ersten höheren Bitzahl feiner aufgelöst vorgegeben ist, wobei für jeden Digitalwert in dem Feineinstellmodus in einer Tabelle die Anzahl der Pulse innerhalb eines Überrahmens und deren Pulsweiten gespeichert sind und durch entsprechende Einstellung der Pulsweite der Pulse innerhalb des Überrahmens mit der gleichen Taktfrequenz des Taktgenerators das Ausgangssignal entsprechend der zweiten Bitzahl vorgegebener mittlerer Größe erzeugbar ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, a) wobei die Pulsweite in äquidistanten Schritten über die gesamte Pulsbreite vorgegeben ist und b) das pulsweitenmoduliert anzusteuernde Schaltmittel eine Schaltflankenbreite größer als zumindest ein derartiger äquidistanter Schritt aufweist, so dass Pulsweiten innerhalb eines unteren Grenzbereichs und oberhalb eines oberen Grenzbereichs nicht erzeugbar sind, und c) zur Erzeugung von Ausgangssignalen einer mittleren Größe, die einer Pulsweite innerhalb des unteren Grenzbereichs entspricht, in einem Überrahmen eine entsprechende Anzahl von Pulsen mit einer Pulsweite Null Prozent und einer oberhalb des unteren Grenzbereichs liegenden Pulsweite verwendet werden und/oder d) zur Erzeugung von Ausgangssignalen einer mittleren Größe, die einer Pulsweite innerhalb des oberen Grenzbereichs entspricht, in einem Überrahmen eine entsprechende Anzahl von Pulsen mit einer Pulsweite Hundert Prozent und einer unterhalb des oberen Grenzbereichs liegenden Pulsweite verwendet werden.
7. Verwendung eines Verfahrens und/oder einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erzeugung einer elektrischen Ausgangsspannung vorgegebener mittlerer Größe für ein elektrisches Lastelement, insbesondere eine Glühlampe.
8. Verwendung eines Verfahrens und/oder einer Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Regelkreis zur Regelung der mittleren elektrischen Leistung an einem elektrischen Lastelement.