DE102018210248A1

DE102018210248A1 - Elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE102018210248A1
Application number: DE102018210248.1A
Authority: DE
Inventors: Dirk Düsterberg
Original assignee: Lenze Automation GmbH
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2038-06-23
Also published as: DE102018210248B4

Abstract

Elektrische Schaltung (1), aufweisend:- einen A/D-Wandler (2), der dazu ausgebildet ist, basierend auf einem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal (AES) einen Bitstrom (BS) zu erzeugen,- eine erste Signalverarbeitungseinheit (3), die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom (BS) ein digitales Mess-Signal (DMS) zu erzeugen, das dem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal (AES) in digitaler Darstellung entspricht, und- eine zweite Signalverarbeitungseinheit (4), die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom (BS) ein digitales Effektivwert-Signal (DES) zu erzeugen, das einem quadratischen Mittel der Werte des Bitstroms (BS) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung zur Verfügung zu stellen, mittels der ausgehend von einem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal möglichst einfach und zuverlässig Informationen in digitaler Form ermittelbar sind, die in dem analogen Eingangssignal enthalten sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine elektrische Schaltung nach Anspruch 1.
Die elektrische Schaltung weist einen A/D-Wandler auf, der dazu ausgebildet ist, basierend auf einem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal einen Bitstrom zu erzeugen. Der Bitstrom ist beispielsweise eine Sequenz von Bits von unbestimmter Länge in zeitlicher Abfolge. Der Bitstrom kann durch zeitlich aufeinanderfolgende Bits gebildet werden, wobei ein zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Bits konstant sein kann. Eine Bitrate des Bitstroms kann beispielsweise zwischen 10 kHz und 100 MHz liegen.
Die elektrische Schaltung weist weiter eine erste digitale Signalverarbeitungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom ein digitales Mess-Signal zu erzeugen, das dem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal in digitaler Darstellung entspricht. Das digitale Mess-Signal kann durch zeitlich aufeinanderfolgende Datenworte gebildet sein, wobei die Datenworte mehrere Datenbits aufweisen können. Die Bitrate des Bitstroms und die Wiederholrate der Datenworte des digitalen Mess-Signals können identisch oder unterschiedlich sein.
Die elektrische Schaltung weist weiter eine zweite Signalverarbeitungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom ein digitales Effektivwert-Signal zu erzeugen, das einem quadratischen Mittel der Werte des Bitstroms entspricht. Das digitale Effektivwert-Signal kann durch zeitlich aufeinanderfolgende Datenworte gebildet sein, wobei die Datenworte mehrere Datenbits aufweisen können. Die Bitrate des Bitstroms und die Wiederholrate der Datenworte des digitalen Effektivwert-Signals können identisch oder unterschiedlich sein. Das quadratische Mittel (oder der quadratische Mittelwert QMW, englisch: root mean square RMS) ist beispielsweise derjenige Mittelwert, der als Quadratwurzel des Quotienten aus der Summe der Quadrate der betrachteten Datenwörter bzw. (deren) Bits und ihrer Anzahl berechnet ist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die zweite Signalverarbeitungseinheit einen ersten digitalen Tiefpass auf, der dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom erste tiefpassgefilterte digitale Werte mit einem oder mehreren Bits zu erzeugen, und eine Recheneinheit auf, die dazu ausgebildet ist, aus den ersten tiefpassgefilterten digitalen Werten das digitale Effektivwert-Signal zu erzeugen. Die ersten tiefpassgefilterten digitalen Werte können eine Wiederholrate aufweisen, die der Bitrate des Bitstroms entspricht oder von dieser verschieden ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Recheneinheit eine Quadrier-Einheit auf, die dazu ausgebildet ist, die ersten tiefpassgefilterten digitalen Werte zu quadrieren, um quadrierte Werte mit einem oder mehreren Bits zu erzeugen, eine Mittelwertbilder-Einheit auf, die dazu ausgebildet ist, einen Mittelwert, insbesondere einen gleitenden Mittelwert, über die quadrierten Werte zu bilden, um Mittelwert-Werte mit einem oder mehreren Bits zu erzeugen, und eine Wurzelbilder-Einheit auf, die dazu ausgebildet ist, Quadratwurzeln aus den Mittelwert-Werten zu bilden, wobei die Quadratwurzeln dem digitalen Effektivwert-Signal entsprechen. Die quadrierten Werte und die Mittelwert-Werte können eine Wiederholrate aufweisen, die der Bitrate des Bitstroms entspricht oder von dieser verschieden ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der A/D-Wandler ein Delta-Sigma-Wandler bzw. ein Delta-Sigma-Modulator, der den Bitstrom erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Signalverarbeitungseinheit einen zweiten digitalen Tiefpass auf, der dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom zweite tiefpassgefilterte digitale Werte mit einem oder mehreren Bits zu erzeugen, und eine Auswerte-Einheit auf, die dazu ausgebildet ist, aus den zweiten tiefpassgefilterten digitalen Werten das digitale Mess-Signal zu erzeugen. Die zweiten tiefpassgefilterten digitalen Werte können eine Wiederholrate aufweisen, die der Bitrate des Bitstroms entspricht oder von dieser verschieden ist.
Gemäß einer Ausführungsform bildet das analoge Eingangssignal einen Strom in eine Motorwicklung eines Elektromotors ab bzw. entspricht dem Strom in die Motorwicklung, wobei die elektrische Schaltung eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem digitalen Effektivwert-Signal eine Temperatur der Motorwicklung zu bestimmen bzw. abzuschätzen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem digitalen Mess-Signal den in die Motorwicklung fließenden Strom zu regeln. Als Stellglied der Regelung kann beispielsweise ein herkömmlicher Wechselrichter verwendet werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung kann Bestandteil eines Frequenzumrichters sein.
Für herkömmliche Motorregelungen ist vor allem die Grundwelle des in die Motorwicklung fließenden Stroms relevant. Daher werden Störgrößen, wie beispielsweise ein Stromripple, aus dem gemessenen Strom möglichst ausgefiltert. Für die Erwärmung von Motorwicklungen ist das quadratische Mittel bzw. der RMS-Wert des Stroms in die Motorwicklung ursächlich. Der Stromripple hat jedoch auch einen nennenswerten Beitrag zum RMS-Wert des Stroms.
Mittels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung kann nun unter Verwendung eines einzigen A/D-Wandlers der analoge Motorstrom in das digitale Mess-Signal gewandelt werden, wobei insoweit Störgrößen, wie der Stromripple usw., weitestgehend herausgefiltert werden. Das digitale Mess-Signal kann dann beispielsweise zur herkömmlichen Motorregelung verwendet werden. Gleichzeitig kann unter Verwendung des A/D-Wandlers bzw. basierend auf dessen Bitstrom auch das digitale Effektivwert-Signal erzeugt werden, das eine Basis für eine indirekte Ermittlung der Temperatur der Motorwicklung bilden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung mit einem einen A/D-Wandler und zwei nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheiten, die verschiedene Signalanteile des mittels des A/D-Wandlers gewandelten Signals zur Auswertung an eine Auswerteeinheit zur Verfügung stellen.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung 1.
Die elektrische Schaltung 1 weist einen herkömmlichen A/D-Wandler in Form eines Delta-Sigma-Wandlers bzw. eines Delta-Sigma-Modulators 2 auf, der dazu ausgebildet ist, basierend auf einem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal bzw. einer zeitlich veränderlichen analogen Eingangsspannung AES einen Bitstrom BS mit einer insbesondere konstanten Bitrate zu erzeugen.
Das analoge Eingangssignal AES entspricht einem Strom „im“ in eine Motorwicklung 15 eines Elektromotors 13 bzw. bildet diesen Strom „im“ in seiner Richtung und seiner Stromstärke ab. Das analoge Eingangssignal AES kann beispielsweise eine Spannung sein, die mittels eines Shunt-Widerstands 14 gewonnen wird.
Die elektrische Schaltung 1 weist weiter eine erste Signalverarbeitungseinheit 3 auf, die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom BS ein digitales Mess-Signal DMS zu erzeugen, das dem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal AES in digitaler Darstellung entspricht und beispielsweise für eine Motorregelung des Elektromotors 13 in einer Auswerteeinheit 12 verwendet wird.
Die elektrische Schaltung 1 weist weiter eine zweite Signalverarbeitungseinheit 4 auf, die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom BS ein digitales Effektivwert-Signal DES zu erzeugen, das einem quadratischen Mittel der Werte des Bitstroms BS entspricht und zum Schätzen einer Temperatur der Motorwicklung 15 des Elektromotors 13 in der Auswerteeinheit 12 ausgewertet wird.
Die Auswerteeinheit 12 kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von dem digitalen Mess-Signal DMS den in die Motorwicklung 15 fließenden Strom „im“ zu regeln.
Die zweite Signalverarbeitungseinheit 4 weist einen ersten digitalen Tiefpass 5 auf, der dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom BS erste tiefpassgefilterte digitale Werte TDW1 zu erzeugen, und eine Recheneinheit 6 auf, die dazu ausgebildet ist, aus den ersten tiefpassgefilterten digitalen Werten TDW1 das digitale Effektivwert-Signal DES zu erzeugen. Hierzu weist die Recheneinheit 6 eine Quadrier-Einheit 7 auf, die dazu ausgebildet ist, die ersten tiefpassgefilterten digitalen Werte TDW1 zu quadrieren, um quadrierte Werte TDWQ zu erzeugen, eine Mittelwertbilder-Einheit 8 auf, die dazu ausgebildet ist, einen Mittelwert, insbesondere einen gleitenden Mittelwert, über die quadrierten Werte TDWQ zu bilden, um Mittelwert-Werte TDWM zu erzeugen, und eine Wurzelbilder-Einheit 11 auf, die dazu ausgebildet ist, Quadratwurzeln aus den Mittelwert-Werten TDWM zu bilden, wobei die Quadratwurzeln dem digitalen Effektivwert-Signal DES entsprechen.
Die erste Signalverarbeitungseinheit 3 weist einen zweiten digitalen Tiefpass 9, der dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom BS zweite tiefpassgefilterte digitale Werte TDW2 zu erzeugen, und eine Auswerte-Einheit 10 auf, die dazu ausgebildet ist, aus den zweiten tiefpassgefilterten digitalen Werten TDW2 das digitale Mess-Signal DMS zu erzeugen.
Der erste digitale Tiefpass 5 ist derart dimensioniert, dass Signalanteile, die für den RMS des Stroms „im“ relevant sind, möglichst passieren können.
Der zweite digitale Tiefpass 9 ist derart dimensioniert, dass die Grundwelle des Motorstroms „im“ passieren kann, Störanteile, wie sie beispielsweise zur RMS-Ermittlung notwendig sind, jedoch möglichst unterdrückt werden.

Claims

Elektrische Schaltung (1), aufweisend: - einen A/D-Wandler (2), der dazu ausgebildet ist, basierend auf einem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal (AES) einen Bitstrom (BS) zu erzeugen, - eine erste Signalverarbeitungseinheit (3), die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom (BS) ein digitales Mess-Signal (DMS) zu erzeugen, das dem zeitlich veränderlichen analogen Eingangssignal (AES) in digitaler Darstellung entspricht, und - eine zweite Signalverarbeitungseinheit (4), die dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom (BS) ein digitales Effektivwert-Signal (DES) zu erzeugen, das einem quadratischen Mittel der Werte des Bitstroms (BS) entspricht.
Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die zweite Signalverarbeitungseinheit (4) aufweist: - einen ersten digitalen Tiefpass (5), der dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom (BS) erste tiefpassgefilterte digitale Werte (TDW1) zu erzeugen, und - eine Recheneinheit (6), die dazu ausgebildet ist, aus den ersten tiefpassgefilterten digitalen Werten (TDW1) das digitale Effektivwert-Signal (DES) zu erzeugen.
Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Recheneinheit (6) aufweist: - eine Quadrier-Einheit (7), die dazu ausgebildet ist, die ersten tiefpassgefilterten digitalen Werte (TDW1) zu quadrieren, um quadrierte Werte (TDWQ) zu erzeugen, - eine Mittelwertbilder-Einheit (8), die dazu ausgebildet ist, einen Mittelwert, insbesondere einen gleitenden Mittelwert, über die quadrierten Werte (TDWQ) zu bilden, um Mittelwert-Werte (TDWM) zu erzeugen, und - eine Wurzelbilder-Einheit (11), die dazu ausgebildet ist, Quadratwurzeln aus den Mittelwert-Werten (TDWM) zu bilden, wobei die Quadratwurzeln dem digitalen Effektivwert-Signal (DES) entsprechen.
Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der A/D-Wandler (2) ein Delta-Sigma-Wandler ist.
Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Signalverarbeitungseinheit (3) aufweist: - einen zweiten digitalen Tiefpass (9), der dazu ausgebildet ist, aus dem Bitstrom (BS) zweite tiefpassgefilterte digitale Werte (TDW2) zu erzeugen, und - eine Auswerte-Einheit (10), die dazu ausgebildet ist, aus den zweiten tiefpassgefilterten digitalen Werten (TDW2) das digitale Mess-Signal (DMS) zu erzeugen.
Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das analoge Eingangssignal (AES) einem in eine Motorwicklung (15) eines Elektromotors (13) fließenden Strom (im) entspricht, - wobei die elektrische Schaltung (1) eine Auswerteeinheit (12) aufweist, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem digitalen Effektivwert-Signal (DES) eine Temperatur der Motorwicklung (15) zu schätzen.
Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Auswerteeinheit (12) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem digitalen Mess-Signal (DMS) den in die Motorwicklung (15) fließenden Strom (im) zu regeln.