DE102019102761B4 - Method and circuit for avoiding integration saturation in a delta-sigma modulator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Delta-Sigma-Modulators (300), bei dem ein analoges Eingangssignal (101) in ein digitales Ausgangssignal (103) umgewandelt wird, bei dem eine Aufteilung des Eingangssignals (101) in Spannungsstufen durch ein Schrittweitensignal (102) vorgegeben wird, bei dem der Delta-Sigma-Modulator (300) mindestens ein Filter (117) und mindestens einen ersten Quantisierer (118) aufweist, bei dem der Delta-Sigma-Modulator (300) einen Regelkreis darstellt, bei dem eine Führungsgröße (101) durch eine Referenzspannung als Eingangssignal (101) und bei dem eine Regelgröße (120) durch ein Ausgangssignal (103) des mindestens einen ersten Quantisierers (118) gebildet wird, bei dem die Führungsgröße (101) mit einem Inversen (124) einer Rückkopplung (330) addiert wird und zumindest mittelbar dem mindestens einen Filter (117) zugeführt wird, bei dem zusätzlich dem mindestens einen Filter (117) das Ausgangssignal (120) des mindestens einen ersten Quantisierers (118) zugeführt wird, und wobei die Rückkopplung (330) zu einer Addierung mit der Führungsgröße (101) mit einem Ausgangssignal (129) des mindestens einen Filters (117) gebildet wird. Dies stellt bspw. einen Anti-wind-up-Ansatz dar. Ferner wird eine zugehörige Schaltung (300) offenbart.The invention relates to a method for providing a delta-sigma modulator (300), in which an analog input signal (101) is converted into a digital output signal (103), in which the input signal (101) is divided into voltage levels by a step size signal ( 102) is specified, in which the delta-sigma modulator (300) has at least one filter (117) and at least one first quantizer (118), in which the delta-sigma modulator (300) represents a control loop in which a Reference variable (101) by a reference voltage as the input signal (101) and in which a controlled variable (120) is formed by an output signal (103) of the at least one first quantizer (118), in which the reference variable (101) with an inverse (124) a feedback (330) is added and is fed at least indirectly to the at least one filter (117), in which the at least one filter (117) the output signal (120) of the at least one first quanti sierers (118) is supplied, and wherein the feedback (330) to an addition with the reference variable (101) is formed with an output signal (129) of the at least one filter (117). This represents, for example, an anti-wind-up approach. An associated circuit (300) is also disclosed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Delta-Sigma-Modulators mit einem Anti-wind-up-Ansatz, der einer Integriersättigung entgegenwirkt. Ferner wird der durch das Verfahren bereitgestellte Delta-Sigma-Modulator beansprucht.The present invention relates to a method for providing a delta-sigma modulator with an anti-wind-up approach which counteracts integration saturation. The delta-sigma modulator provided by the method is also claimed.
Ein Delta-Sigma-Modulator findet generell bei einer Modulation von Signalen eine weit verbreitete Anwendung. Er kann sowohl bei einer Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal eingesetzt werden, als auch umgekehrt. Sein Funktionsprinzip basiert dabei, betrachtet als ein Regelungssystem, auf einer Messung einer Regelgröße - bspw. einer Änderung des Signals - und deren Differenz zu einer Führungsgröße als ein Eingangssignal. Eine Integration über diese Differenz wird durch eine Rückkopplung zu einer Korrektur eines Ausgangssignals benutzt.A delta-sigma modulator is generally used widely for modulating signals. It can be used to convert an analog signal into a digital signal and vice versa. Its functional principle is based, viewed as a control system, on a measurement of a controlled variable - for example a change in the signal - and its difference to a reference variable as an input signal. An integration over this difference is used by a feedback to correct an output signal.
In der US-amerikanischen Druckschrift
Die Druckschrift
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Die in den angeführten Druckschriften offenbarten Verfahren bzw. Vorrichtungen sind prinzipiell zur Steuerung eines Elektromotors geeignet, weisen jedoch allesamt einen Nachteil auf, nämlich auf Grund von Beschränkungen des Regelungssystems Änderungen eines Eingangssignals in einem Ausgangssignal nicht folgen zu können und einer sogenannten Integriersättigung, im Englischen als Wind-up bezeichnet, zu unterliegen.The methods and devices disclosed in the cited publications are in principle suitable for controlling an electric motor, but all have a disadvantage, namely that they cannot follow changes in an input signal in an output signal due to restrictions in the control system and so-called integration saturation Wind-up denotes to be subject to.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Delta-Sigma-Modulators mit einem Anti-wind-up-Ansatz zur Verfügung zu stellen, bei dem der Integriersättigung entgegengewirkt wird. Das Ausgangssignal des bereitzustellenden Delta-Sigma-Modulators soll geeignet sein, eine Leistungselektronik, wie sie bei einem Traktionsmotor für Elektrofahrzeuge eingesetzt wird, zu steuern. Ferner soll ein Delta-Sigma-Modulator vorgestellt werden, welcher einen solchen Anti-wind-up-Ansatz aufweist.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for providing a delta-sigma modulator with an anti-wind-up approach in which integration saturation is counteracted. The output signal of the delta-sigma modulator to be provided should be suitable for controlling power electronics such as those used in a traction motor for electric vehicles. Furthermore, a delta-sigma modulator is to be presented, which has such an anti-wind-up approach.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines Delta-Sigma-Modulators vorgeschlagen, bei dem ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt wird. Eine Aufteilung des Eingangssignals in Spannungsstufen wird durch ein Schrittweitensignal vorgegeben und der Delta-Sigma-Modulator weist mindestens ein Filter und mindestens einen ersten Quantisierer auf. Weiter stellt der Delta-Sigma-Modulator einen Regelkreis dar, bei dem eine Führungsgröße durch eine Referenzspannung als Eingangssignal und bei dem eine Regelgröße durch ein Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers gebildet wird. Die Führungsgröße wird mit einem Inversen einer Rückkopplung, auch als englisch „Feedback“ bezeichnet, addiert und zumindest mittelbar dem mindestens einen Filter zugeführt. Zusätzlich wird dem mindestens einen Filter das Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers zugeführt. Abschließend wird die Rückkopplung zu einer Addierung mit der Führungsgröße ausschließlich mit einem direkten Ausgangssignal des mindestens einen Filters gebildet. Die Rückkopplungsart stellt damit bspw. einen Anti-wind-up-Ansatz dar.To achieve the above-mentioned object, a method for providing a delta-sigma modulator is proposed, in which an analog input signal is converted into a digital output signal. A division of the input signal into voltage levels is specified by a step size signal and the delta-sigma modulator has at least one filter and at least one first quantizer. The delta-sigma modulator also represents a control loop in which a reference variable is formed by a reference voltage as the input signal and in which a controlled variable is formed by an output signal of the at least one first quantizer. The reference variable is added with an inverse of a feedback, also referred to as “feedback”, and fed at least indirectly to the at least one filter. In addition, the output signal of the at least one first quantizer is fed to the at least one filter. Finally, the feedback to an addition with the reference variable is formed exclusively with a direct output signal of the at least one filter. The type of feedback thus represents, for example, an anti-wind-up approach.
Das Eingangssignal liegt gewöhnlich als ein kontinuierliches Sollsignal vor, während das Ausgangssignal des Delta-Sigma-Modulators quantisiert, bspw. als Stufe „1“ und „-1“, ausgegeben wird. In der Regel wird ein Fehlersignal als Differenz des kontinuierlich vorhandenen Eingangssignals und dem quantisierten Ausgangssignal gebildet. Dieses Fehlersignal wird fortlaufend gebildet und in das Filter geführt. Während das Ausgabesignal gemäß einer ersten Taktfrequenz ausgegeben werden kann, bei der zu jedem Takt ein neuer Wert gebildet wird, kann die Bildung des Fehlersignals und dessen weitere Verarbeitung innerhalb des Delta-Sigma-Modulators, bspw. mittels Integration, auch gemäß einer zweiten Taktfrequenz ausgeführt werden, wobei allgemein die zweite Taktfrequenz um ein Vielfaches höher ist als die erste Taktfrequenz, bspw. um das 128-fache.The input signal is usually available as a continuous setpoint signal, while the output signal of the delta-sigma modulator is quantized, for example, as levels "1" and "-1". As a rule, an error signal is formed as the difference between the continuously present input signal and the quantized output signal. This error signal is generated continuously and fed into the filter. While the output signal can be output according to a first clock frequency, at which a new value is formed for each clock, the formation of the error signal and its further processing within the delta-sigma modulator, e.g. by means of integration, can also be carried out according to a second clock frequency The second clock frequency is generally many times higher than the first clock frequency, for example 128 times.
Das Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers weist bspw. obige „1“/„-1“-Abfolge auf, die von einer Leistungselektronik, bspw. zu einem Betreiben eines elektrischen Motors eines Elektrofahrzeuges, umgesetzt werden kann. Einem jeweiligen „1“- oder „-1“-Zustand entspricht dann einem jeweiligen Zustand einer aus zwei Leistungshalbleiterschaltern aufgebauten Halbbrücke. The output signal of the at least one first quantizer has, for example, the above “1” / “- 1” sequence, which can be implemented by power electronics, for example to operate an electric motor of an electric vehicle. A respective “1” or “-1” state then corresponds to a respective state of a half-bridge made up of two power semiconductor switches.
Der erfindungsgemäße Delta-Sigma-Modulator kann wie ein sogenannter PID-Regler auf den mindestens einen ersten Quantisierer betrachtet werden. Der PID-Regler minimiert den Regelfehler der durch das Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers gebildeten Regelgröße. Als eine Rückführgröße wird erfindungsgemäß ein Eingangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers herangezogen, während im Stand der Technik gewöhnlich dessen Ausgangssignal verwendet wird. Damit wird ein Anti-wind-up-Ansatz verwirklicht.The delta-sigma modulator according to the invention can be viewed like a so-called PID controller on the at least one first quantizer. The PID controller minimizes the control error of the controlled variable formed by the output signal of the at least one first quantizer. According to the invention, an input signal of the at least one first quantizer is used as a feedback variable, while its output signal is usually used in the prior art. This realizes an anti-wind-up approach.
Durch eine Begrenzung des Ausgangssignals zusammen mit einer Begrenzung einer durch Integration gebildeten Rückführgröße kann es zu einer sogenannten Integrationssättigung, englisch mit „wind-up“ bezeichnet, kommen. In einem solchen Fall kann das Ausgangssignal durch technische Beschränkungen des Regelsystems nicht einem zeitlichen Verlauf des Eingangssignals folgen. Ein zeitweise betragshohes Fehlersignal wird in einem jeweiligen dieses Fehlersignal aufsummierenden bzw. zeitlich aufintegrierenden Bauelement kumuliert, wodurch für eine gewisse Zeitspanne ein Ausgabesignal des jeweiligen Bauelementes sich nicht mehr verändert, es also „gesättigt“ ist. Diese Zeitspanne kann ein Mehrfaches einer zeitlichen Änderung des Eingangssignals betragen und es kann dabei zu einer Übersteuerung kommen. Die erfindungsgemäße Implementierung des Ausgangssignals des mindestens einen Filters bzw. des Eingangssignals des mindestens einen ersten Quantisierers als Rückführgröße realisiert jedoch vorteilhaft einen Anti-wind-up-Ansatz, der die Integriersättigung unterdrückt. Hierzu trägt bei, dass das aus dem mindestens einen eine integrierte Größe ausgebenden Filter stammende Ausgangssignal zur Rückkopplung genutzt wird, und nicht das aus dem bereits wieder auf gegebenenfalls wenige Stufen reduzierte Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers.Limiting the output signal together with limiting a feedback variable formed by integration can lead to so-called integration saturation, also known as “wind-up”. In such a case, the output signal cannot follow a time curve of the input signal due to technical limitations of the control system. An error signal of high magnitude at times is accumulated in a respective component that adds up or integrates this error signal over time, whereby an output signal of the respective component no longer changes for a certain period of time, ie it is “saturated”. This period of time can be a multiple of a change in the input signal over time and this can lead to an overload. The implementation according to the invention of the output signal of the at least one filter or the input signal of the at least one first quantizer as a feedback variable, however, advantageously implements an anti-wind-up approach that suppresses the integration saturation. Contributing to this is that the output signal originating from the at least one filter outputting an integrated variable is used for feedback, and not the output signal from the at least one first quantizer, which has already been reduced again to a few levels if necessary.
Die mit dem Inversen der Rückkopplung addierte Führungsgröße kann dem mindestens einen Filter unmittelbar zugeführt werden. Es ist aber auch denkbar, höhere Ordnungen aus weiteren Addierstufen und/oder Integratoren vorzuschalten, so dass die Zuführung mittelbar erfolgt. Durch solch höhere Ordnungen kann ein Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber einfacheren Implementierungen verbessert werden.The reference variable added with the inverse of the feedback can be fed directly to the at least one filter. However, it is also conceivable to connect higher orders from further adding stages and / or integrators so that the feed takes place indirectly. Such higher orders can improve a signal-to-noise ratio compared to simpler implementations.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das Ausgangssignal des mindestens einen Filters und das Schrittweitensignal einem Signalgeber zugeführt, wobei durch dessen Ausgangssignal die Rückkopplung zur Addierung mit der Führungsgröße gebildet wird.In one embodiment of the method according to the invention, the output signal of the at least one filter and the step size signal are fed to a signal generator, the output signal of which forms the feedback for addition to the reference variable.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mindestens eine erste Quantisierer als ein Zwei-Stufen-Quantisierer gewählt. Der Zwei-Stufen-Quantisierer erzeugt als Ausgabesignal die Abfolge von „1“/„-1“-Signalen, welche zur Steuerung einer Leistungselektronik herangezogen werden.In a further embodiment of the method according to the invention, the at least one first quantizer is selected as a two-stage quantizer. The two-stage quantizer generates the sequence of “1” / “- 1” signals as an output signal, which are used to control power electronics.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine Filter als ein Integrator gewählt. Der Integrator kann dazu konfiguriert sein, das eingehende Signal gemäß der zweiten Taktfrequenz aufzusummieren.In yet another embodiment of the method according to the invention, the at least one filter is selected as an integrator. The integrator can be configured to sum up the incoming signal according to the second clock frequency.
Bei der Delta-Sigma-Modulation wird versucht, einen über das Ausgangssignal gebildeten Mittelwert an das Eingangssignal anzugleichen. Um dies zu erreichen, wird vom Filter das Fehlersignal aufintegriert und zu einer Kompensation des Fehlersignals, d. h. eines Unterschieds zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal, herangezogen. Da das Ausgangssignal Beschränkungen unterliegen kann, bspw. dass aufeinanderfolgende Blöcke von Ausgangssignalen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, bspw. bezüglich einer Art oder einer Zahl von Schaltfolgen bzw. einer Schaltrate, liegen müssen, kann das Filter auch als ein sogenannter Ratenbegrenzer ausgeführt sein.With delta-sigma modulation, an attempt is made to match a mean value formed from the output signal to the input signal. To achieve this, the filter integrates the error signal and compensates for the error signal, i. H. a difference between the input signal and the output signal. Since the output signal can be subject to restrictions, e.g. that successive blocks of output signals must lie within a predetermined range, e.g. with regard to a type or a number of switching sequences or a switching rate, the filter can also be designed as a so-called rate limiter.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Führungsgröße und ein invertiertes Ausgangssignal des Signalgebers einem ersten Addierer zugeführt. Ein Ausgangssignal des ersten Addierers und ein invertiertes Ausgangssignal eines zweiten Addierers werden dem zweiten Addierer zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten Addierers und das Schrittweitensignal werden einem Multi-Bit-Quantisierer zugeführt. Ein Ausgangssignal des Multi-Bit-Quantisierers und das Ausgangssignal des Zwei-Stufen-Quantisierers werden dem Filter, der als ein Ratenbegrenzer konfiguriert ist, zugeführt. Schließlich werden dem Signalgeber das Schrittweitensignal und als Rückkopplung das Ausgangssignal des Ratenbegrenzers zugeführt.In a continued further embodiment of the method according to the invention, the reference variable and an inverted output signal of the signal generator are fed to a first adder. An output signal of the first adder and an inverted output signal of a second adder are supplied to the second adder. The output signal of the second adder and the step size signal are fed to a multi-bit quantizer. An output of the multi-bit quantizer and the output of the two-stage quantizer are supplied to the filter configured as a rate limiter. Finally, the step size signal and, as feedback, the output signal of the rate limiter are fed to the signal generator.
Ferner wird ein Delta-Sigma-Modulator beansprucht, welcher dazu konfiguriert ist, ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umzuwandeln. Eine Aufteilung des Eingangssignals in Spannungsstufen ist durch ein Schrittweitensignal vorgegeben. Der erfindungsgemäße Delta-Sigma-Modulator weist mindestens ein Filter und mindestens einen ersten Quantisierer auf und stellt einen Regelkreis dar. Eine Führungsgröße ist durch eine Referenzspannung als Eingangssignal und eine Regelgröße durch ein Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers gebildet. Die Führungsgröße ist mit einem Inversen einer Rückkopplung addiert und zumindest mittelbar dem mindestens einen Filter zugeführt. Zusätzlich ist dem mindestens einen Filter das Ausgangssignal des mindestens einen ersten Quantisierers zugeführt. Schließlich ist die Rückkopplung zur Addierung mit der Führungsgröße ausschließlich mit einem direkten Ausgangssignal des mindestens einen Filters gebildet. Damit ist bspw. ein Anti-wind-up-Ansatz dargestellt.Furthermore, a delta-sigma modulator is claimed which is configured to convert an analog input signal into a digital output signal. A division of the input signal into voltage levels is specified by a step size signal. The delta-sigma modulator according to the invention has at least one filter and at least one first quantizer and represents a control loop. A reference variable is formed by a reference voltage as an input signal and a controlled variable is formed by an output signal of the at least one first quantizer. The reference variable is added with an inverse of a feedback and is at least indirectly fed to the at least one filter. In addition, the output signal of the at least one first quantizer is fed to the at least one filter. Finally, the feedback for addition with the reference variable is formed exclusively with a direct output signal of the at least one filter. This shows, for example, an anti-wind-up approach.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Delta-Sigma-Modulators sind das Ausgangssignal des mindestens einen Filters und das Schrittweitensignal einem Signalgeber zugeführt, wobei durch ein Ausgangssignal des Signalgebers die Rückkopplung zur Addierung mit der Führungsgröße gebildet ist.In one embodiment of the delta-sigma modulator according to the invention, the output signal of the at least one filter and the step size signal are fed to a signal generator, the feedback for adding to the reference variable being formed by an output signal of the signal generator.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Delta-Sigma-Modulators ist als der mindestens eine erste Quantisierer ein Zwei-Stufen-Quantisierer gewählt. Eine Signalausgabe erfolgt damit als eine Folge von zwei Zuständen, bspw. „1“ und „-1“, welche bspw. durch eine Leistungselektronik umgesetzt werden kann.In a further embodiment of the delta-sigma modulator according to the invention, a two-stage quantizer is selected as the at least one first quantizer. A signal is output as a sequence of two states, for example “1” and “-1”, which can be implemented, for example, by power electronics.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Delta-Sigma-Modulators ist als das mindestens eine Filter ein Integrator gewählt.In yet another embodiment of the delta-sigma modulator according to the invention, an integrator is selected as the at least one filter.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Delta-Sigma-Modulators sind die Führungsgröße und ein invertiertes Ausgangssignal des Signalgebers einem ersten Addierer zugeführt. Ein Ausgangssignal des ersten Addierers und ein invertiertes Ausgangssignal eines zweiten Addierers sind dem zweiten Addierer zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten Addierers und das Schrittweitensignal sind einem Multi-Bit-Quantisierer zugeführt. Ein Ausgangssignal des Multi-Bit-Quantisierers und das Ausgangssignal des Zwei-Stufen-Quantisierers sind dem Filter, der als ein Ratenbegrenzer konfiguriert ist, zugeführt. Schließlich sind dem Signalgeber das Schrittweitensignal und als Rückkopplung das Ausgangssignal des Ratenbegrenzers zugeführt.In a further refinement of the delta-sigma modulator according to the invention, the reference variable and an inverted output signal of the signal generator are fed to a first adder. An output signal of the first adder and an inverted output signal of a second adder are supplied to the second adder. The output signal of the second adder and the step size signal are fed to a multi-bit quantizer. An output of the multi-bit quantizer and the output of the two-stage quantizer are supplied to the filter configured as a rate limiter. Finally, the step size signal and the output signal of the rate limiter are fed to the signal generator.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Delta-Sigma-Modulators gemäß dem Stand der Technik. -
2 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Delta-Sigma-Modulators.
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1 shows a circuit arrangement of a delta-sigma modulator according to the prior art. -
2 shows a circuit arrangement of an embodiment of a delta-sigma modulator according to the invention.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |