DE102011080586A1

DE102011080586A1 - Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Signals

Info

Publication number: DE102011080586A1
Application number: DE102011080586A
Authority: DE
Inventors: Dirk Düsterberg; Holger Borcherding
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-14
Also published as: WO2013020987A1; US8970417B2; CN104012005A; CN104012005B; US20140226709A1; EP2742595A1; EP2742595B1

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Signals (DS) aus einem mittels eines Frequenzumrichters auf Basis einer Pulsweitenmodulation erzeugten analogen Signal (IA, UA), wobei das digitale Signal in digitaler Darstellung einem Mittelwert des analogen Signals über eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation entspricht, weist die Schritte auf: Erzeugen eines Bitstroms (BS(i)) mit einer vorgegebenen Bitwiederholdauer (BW) in Abhängigkeit von dem analogen Signal mittels eines Sigma-Delta-Modulators (1) und während eines Zeitintervalls, welches eine Dauer aufweist, die mindestens so groß ist wie die Periodendauer der Pulsweitenmodulation: Multiplizieren eines jeweiligen Bits (BS(i)) des Bitstroms mit einem zugehörigen Bewertungskoeffizienten (BK(i)) zum Erzeugen eines jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkts und Summieren der jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkte, wobei die Summe das digitale Signal darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Signals aus einem mittels eines Frequenzumrichters erzeugten analogen Signal und einen Frequenzumrichter zur Durchführung des Verfahrens.
Frequenzumrichter erzeugen zur Ansteuerung von Elektromotoren typisch pulsweitenmodulierte Signale, beispielsweise in Form einer (Phasen-)Spannung, wobei die Phasenspannung wiederum einen Phasenstrom bewirkt. Bei Frequenzumrichtern, die den Phasenstrom im Kontext einer Regelung zurückführen, ist die Qualität der Signalmessung bzw. Signalrückführung von hoher Bedeutung.
Die zu messenden Signale werden hierzu üblicherweise mittels geeigneter Sensoren aufgenommen, analog gefiltert und anschließend mittels herkömmlicher Analog-Digital-Wandler abgetastet und digitalisiert.
Der im Allgemeinen sägezahnförmige Phasenstrom als eines der relevanten Signale wird üblicherweise synchron in der Mitte einer jeweiligen Periode der Pulsweitenmodulation abgetastet. Bei nicht exakt mittiger Abtastung kann jedoch ein Offset-Messfehler verursacht werden.
Durch Mittelwertbildung über eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation lassen sich die oben genannten Störeffekte reduzieren. Zur Mittelwertbildung wird herkömmlich eine Mehrzahl von digitalen Messwerten über eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation gewonnen und anschließend ein Mittelwert über die gewonnenen Messwerte berechnet.
Ein Verfahren, bei dem eine solche Mittelwertbildung durchgeführt wird, ist in der DE 10 2007 032 484 A1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Signals aus einem mittels eines Frequenzumrichters auf Basis einer Pulsweitenmodulation erzeugten analogen Signal und einen Frequenzumrichter zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig zu implementieren sind und die insbesondere eine störsichere und zuverlässige Digitalisierung ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 6.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
Das Verfahren dient zum Erzeugen mindestens eines digitalen bzw. digitalisierten Signals aus einem mittels eines Frequenzumrichters auf Basis einer Pulsweitenmodulation erzeugten analogen Signal, beispielsweise eines Phasenstroms und/oder einer Phasenspannung, das zur Ansteuerung eines Elektromotors dient, wobei das digitale Signal in digitaler Darstellung einem Mittelwert des analogen Signals über eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation entspricht. Das digitale Signal dient insbesondere zur Regelung des analogen Signals, beispielsweise in einem Servo-Umrichter. Bei dem Verfahren wird ein fortlaufender Bitstrom mit einer vorgegebenen, insbesondere konstanten, Bitwiederholdauer in Abhängigkeit von dem analogen Signal erzeugt, insbesondere mittels eines Sigma-Delta-Modulators. Während eines jeweiligen Zeitintervalls, welches eine Dauer aufweist, die mindestens so groß ist wie die Periodendauer der Pulsweitenmodulation, werden folgende Schritte durchgeführt: Multiplizieren eines jeweiligen Bits des Bitstroms mit einem zugehörigen Bewertungskoeffizienten zum Erzeugen eines jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkts und Summieren sämtlicher Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkte über das Zeitintervall, wobei die Summe über das Zeitintervall das digitale Signal darstellt. Die oben genannten Schritte werden fortlaufend wiederholt, beispielsweise für jede Periode oder jede n-te Periode der Pulsweitenmodulation, mit n ≥ 2.
In einer Weiterbildung werden die Bewertungskoeffizienten durch Überlagern von Gewichtungskoeffizienten einer Gewichtungsfunktion erzeugt, wobei ein Mittelpunkt einer jeweiligen Gewichtungsfunktion innerhalb einer Periode der Pulsweitenmodulation liegt, eine jeweilige Gewichtungsfunktion einer digitalen Filterfunktion entspricht, benachbarte Gewichtungsfunktionen zeitlich um eine oder eine Vielfache der Bitwiederholdauer zueinander verschoben sind und eine jeweilige Gewichtsfunktion eine vorgegebene Anzahl von Gewichtungskoeffizienten aufweist. Bevorzugt weist das Zeitintervall eine Dauer auf, die um eine Anzahl von Bitwiederholdauern länger ist als eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation, wobei die Anzahl von Bitwiederholdauern der Anzahl von Gewichtungskoeffizienten entspricht.
In einer Weiterbildung ist das Zeitintervall zentrisch zu einer Periode der Pulsweitenmodulation angeordnet.
In einer Weiterbildung ist die digitale Filterfunktion eine sinc-Filterfunktion.
Der Frequenzumrichter, insbesondere in Form eines Servo-Umrichters, ist zur Durchführung des oben genannten Verfahrens ausgebildet und weist auf: einen Sigma-Delta-Modulator zum Erzeugen des Bitstroms, einen Speicher, der die Gewichtungskoeffizienten speichert, einen Multiplizierer, der dazu ausgebildet ist, ein jeweiliges Bit des Bitstroms mit einem zugehörigen Gewichtungskoeffizienten zu multiplizieren, und einen Summierer, der dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkte zu summieren.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Hierbei zeigt schematisch:
1 mittels eines Frequenzumrichters auf Basis einer Pulsweitenmodulation erzeugte bzw. bewirkte analoge Signale in Form einer Phasenspannung und eines Phasenstroms,
2 ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Erzeugen eines digitalen Signals aus den in 1 gezeigten Signalen,
3 eine Gewichtungsfunktion eines digitalen sinc³ -Filters mit insgesamt 384 Gewichtungskoeffizienten und
4 eine Mehrzahl von benachbarten Gewichtungsfunktionen, die zeitlich um eine Anzahl von Bitwiederholdauern eines Sigma-Delta-Modulators zueinander verschoben sind, und Bewertungskoeffizienten, die durch Überlagern von Gewichtungskoeffizienten einer bestimmten Anzahl von benachbarten Gewichtungsfunktionen erzeugt sind.
1 zeigt herkömmlich mittels eines Frequenzumrichters 5 auf Basis einer Pulsweitenmodulation erzeugte bzw. bewirkte analoge Signale in Form einer im Wesentlichen rechteckförmigen, pulsweitenmodulierten Phasenspannung UA mit einem veränderlichen Tastverhältnis und eines zugehörigen, sagezahnförmigen Phasenstroms IA, wie sie bei einer herkömmlichen, pulsweitenmodulationsbasierten Ansteuerung eines Elektromotors 6 durch den Frequenzumrichter 5 entstehen. Zur Regelung der Signale UA und/oder IA werden diese erfindungsgemäß fortlaufend zeit- und amplitudendiskret digitalisiert, wobei das digitale bzw. digitalisierte Signal einem Mittelwert des analogen Signals UA bzw. IA über eine Periodendauer PD der Pulsweitenmodulation entspricht. Eine Periodendauer kann beispielsweise ca. 0,25 ms betragen und bedarfsabhängig verändert werden.
Zunächst bezugnehmend auf 2 wird hierzu ein fortlaufender Bitstrom BS(i), mit i = 0, 1, 2, ..., mit einer vorgegebenen Bitwiederholdauer BW in Abhängigkeit von dem analogen Signal UA bzw. IA mittels eines Sigma-Delta-Modulators 1 erzeugt. Die Bitwiederholdauer BW kann beispielsweise 0,25 µs betragen, was einer Bitwiederholfrequenz von 4 MHz entspricht.
Während eines Zeitintervalls ZI (siehe 4), welches eine Dauer aufweist, die mindestens so groß ist wie die Periodendauer PD der Pulsweitenmodulation, werden alle Bits BS(i) des Bitstroms mit einem zugehörigen, in einem Speicher 2 abgelegten Bewertungskoeffizienten BK(i) zum Erzeugen eines jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkts mittels eines Multiplizierers 3 multipliziert. Die derart erzeugten Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkte werden mittels eines Summierers 4 aufsummiert, wobei die Summe über das Zeitintervall ZI das digitale Signal DS darstellt.
Die oben genannten Schritte können für nachfolgende Perioden oder für jede n-te Periode entsprechend wiederholt werden, wobei die Laufvariable i hierzu wieder zu Null gesetzt werden kann. Falls ein digitalisierter Messwert für jede Periode erzeugt werden soll, kann die in 2 gezeigte Schaltung dupliziert werden, wobei die beiden Schaltungen zeitlich versetzt, d. h. interleaved, arbeiten.
Anhand der 3 und 4 wird nachfolgend beschrieben, wie die Bewertungskoeffizienten BK(i) berechnet werden. Einem einzelnen Inkrement der Laufvariablen i entspricht hierbei die Bitwiederholdauer BW im Zeitbereich.
3 zeigt eine Gewichtungsfunktion GF eines herkömmlichen digitalen sinc³ -Filters mit einem Oversampling-Ratio von 128 mit insgesamt 384 Gewichtungskoeffizienten GK(i). Derartige Filter werden herkömmlich am Ausgang von Sigma-Delta-Modulatoren zur Datenratenreduktion verwendet.
4 zeigt basierend auf der in 3 dargestellten, einzelnen Gewichtungsfunktion GF eine Mehrzahl von benachbarten Gewichtungsfunktionen GF, die um P Schritte zueinander verschoben sind. Ein einzelner Schritt entspricht hierbei der Bitwiederholdauer BW des Sigma-Delta-Modulators 1, wie oben bereits ausgeführt, so dass die Gewichtungsfunktionen GF im Zeitbereich bzw. über der Zeit um P Bitwiederholdauern BW zueinander verschoben sind.
Die Periodendauer der Pulsweitenmodulation beträgt in 4 exemplarisch 500·BW und das Zeitintervall ZI, d. h. das Integrationsintervall, (500 + 384/2 + 384/2)·BW = N·BW. Das Zeitintervall ZI weist folglich eine Dauer auf, die um die Anzahl von Gewichtungskoeffizienten des in 2 gezeigten sinc³ -Filters multipliziert mit der Bitwiederholdauer BW länger ist als die Periodendauer PD der Pulsweitenmodulation.
Das Zeitintervall ZI ist zentrisch zu der Periode der Pulsweitenmodulation angeordnet.
Die Bewertungskoeffizienten BK(i) werden nun durch Überlagern der Gewichtungskoeffizienten GK(i) derjenigen Gewichtungsfunktion GF erzeugt, deren Mittelpunkt innerhalb der Periode der Pulsweitenmodulation liegt. Es sind dies die mit den Ziffern 0 bis 3 markierten Gewichtungsfunktionen.
Die Bewertungskoeffizienten BK(i) können wie folgt dargestellt werden:
Das digitale Signal DS ergibt sich schließlich zu:
Bei dem in der DE 10 2007 032 484 A1 beschrieben Verfahren wird der Mittelwert über eine Mehrzahl von vollständig digitalisierten Abtastwerten bzw. Samples innerhalb der Periode gebildet. Hierzu ist entsprechend parallelisierte Hardware vorzusehen, die diese Samples mit geeignet dezimierter Abtastrate mit der erforderlichen zeitlichen Auflösung und Wortbreite bereitstellt.
Anstelle des Integrals der dezimierten Samples wird erfindungsgemäß das Integral der Bewertungs- bzw. Gewichtungsfunktion zugehöriger Dezimierungsfilter verwendet, wobei die hierzu erforderlichen Koeffizienten vorausberechnet und in einem Speicher abgelegt werden.
Dies macht es möglich, auf das in herkömmlichen Implementierungen mit Sigma-Delta-Modulatoren erforderliche Dezimierungsfilter zu verzichten, so dass aufgrund der Einsparung von entsprechenden Logikelementen eine kostengünstigere und energiesparendere Implementierung möglich ist.
Weiter ist es möglich, die Bitwiederholfrequenz des Sigma-Delta-Modulators direkt ohne vorige Reduktion zu verwenden.
Die integrierte Bewertungsfunktion hat weiter die Eigenschaft, im mittleren Bereich flach zu sein, siehe 4. Diese Eigenschaft lässt sich beispielsweise dazu nutzen, den Speicherbedarf für die Koeffizienten zu minimieren, da nur die steigende und die fallende Flanke zu speichern sind.
Weiter erleichtert diese Eigenschaft die Anpassung an eine veränderliche Periodendauer. Bei einer Veränderung der Periodendauer der pulsweitenmodulierten Signale ist eine einfache Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise dadurch möglich, dass die Koeffizienten GK(i) entsprechend angepasst werden. Wenn beispielsweise basierend auf der Darstellung in 4 die Periodendauer PD verlängert wird, verlängert sich lediglich die Dauer des Plateaus mit konstanten Koeffizienten BK(i), die Flanken bleiben unverändert.
Bei den gezeigten Ausführungsformen erfolgt eine Überlagerung bzw. Integration der Gewichtungs- bzw. Bewertungsfunktion, nicht wie herkömmlich der bereits dezimierten Samples. Die Anwendung der überlagerten Gewichtungsfunktionen erfolgt aus einem Speicher. Eine exakte Anpassung der überlagerten Gewichtungsfunktion an die Periodendauer der Pulsweitenmodulation ist einfach möglich. Als Gewichtungsfunktionen sind nahezu beliebige Funktionen verwendbar, so dass eine Vielzahl von zugehörigen Filterfunktionen einsetzbar ist.
Die exakte Integration über eine Periode erhöht die Messgenauigkeit, wodurch eine Phasenspannungsmessung erst vernünftig möglich wird.
Es sind keine Sinc-Filter mehr notwendig, so dass deutlich weniger Hardware-Ressourcen verbraucht werden.
Die Bewertungskoeffizienten lassen sich für Spannung und Strom gleichzeitig nutzen.
Hieraus ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise eine Wechselrichterfehlerkompensation, eine Spannungsregelung und eine sensorlose Regelung bis Drehzahl Null.
Die Erfindung ermöglicht folglich eine einfach und kostengünstig zu implementierende Digitalisierung von Umrichtersignalen, wobei gleichzeitig eine störsichere und zuverlässige Digitalisierung sichergestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007032484 A1 [0006, 0032]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines digitalen Signals (DS) aus einem mittels eines Frequenzumrichters auf Basis einer Pulsweitenmodulation erzeugten analogen Signal (IA, UA), wobei das digitale Signal in digitaler Darstellung einem Mittelwert des analogen Signals über eine Periodendauer (PD) der Pulsweitenmodulation entspricht, mit den Schritten – Erzeugen eines Bitstroms (BS(i)) mit einer vorgegebenen Bitwiederholdauer (BW) in Abhängigkeit von dem analogen Signal mittels eines Sigma-Delta-Modulators (1) und – während eines Zeitintervalls (ZI), welches eine Dauer aufweist, die mindestens so groß ist wie die Periodendauer der Pulsweitenmodulation: – Multiplizieren eines jeweiligen Bits (BS(i)) des Bitstroms mit einem zugehörigen Bewertungskoeffizienten (BK(i)) zum Erzeugen eines jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkts und – Summieren der jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkte, wobei die Summe das digitale Signal darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bewertungskoeffizienten durch Überlagern von Gewichtungskoeffizienten (GK(i)) von Gewichtungsfunktionen (GF) erzeugt werden, wobei – ein Mittelpunkt einer jeweiligen Gewichtungsfunktion innerhalb einer Periode der Pulsweitenmodulation liegt, – eine jeweilige Gewichtungsfunktion einer digitalen Filterfunktion entspricht, – benachbarte Gewichtungsfunktionen zeitlich um eine oder eine Vielfache der Bitwiederholdauer zueinander verschoben sind und – eine jeweilige Gewichtsfunktion eine vorgegebene Anzahl von Gewichtungskoeffizienten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall eine Dauer aufweist, die um eine Anzahl von Bitwiederholdauern länger ist als eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation, wobei die Anzahl von Bitwiederholdauern der Anzahl von Gewichtungskoeffizienten entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall zentrisch zu einer Periode der Pulsweitenmodulation angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Filterfunktion eine sinc-Filterfunktion ist.
Frequenzumrichter zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch – einen Sigma-Delta-Modulator (1) zum Erzeugen des Bitstroms, – einen Speicher (2), der die Gewichtungskoeffizienten speichert, – einen Multiplizierer (3), der dazu ausgebildet ist, ein jeweiliges Bit des Bitstroms mit einem zugehörigen Gewichtungskoeffizienten zu multiplizieren, und – einen Summierer (4), der dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Bit-Bewertungskoeffizienten-Produkte zu summieren.