DE19531517C1

DE19531517C1 - Verfahren zur Steuerung der abgegebenen Leistung einer elektrischen Schaltung, insbesondere einer Sinusquelle

Info

Publication number: DE19531517C1
Application number: DE19531517A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl Ing Kern
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-08-26
Filing date: 1995-08-26
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2015-08-27
Also published as: US5821635A; JPH10508404A; EP0792482A1; WO1997008601A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung der abgegebenen Leistung einer elektrischen Schaltung, insbesondere einer Sinusquelle, wie es aus der DE-Z "elektronisch" 64, H. 18, 24. September 1982, S. 16-18 und 23-26 bekannt ist.

Es ist also bekannt, einen hochfrequent betriebenen Sinus- Leistungswandler, insbesondere in der Form einer Sinusquelle, der aus einer Gleichspannungsversorgung eine steuerbare Leistung abgibt, in sogenannter Phasenanschnittsteuerung zu betreiben. Nachteilig bei dieser Steuerung sind die damit verbundenen Abschaltverluste, weil beim Abschalten im leistungsreduzierten Betrieb nicht im Stromnulldurchgang geschaltet wird und weil dieser Abschaltvorgang innerhalb jeder Halbperiode stattfindet.

Es ist weiterhin also bekannt, eine Leistungssteuerung nach der sogenannten Pulspaket- bzw. Impulspaketsteurung vorzunehmen. Dabei sind in einem in bestimmter Schaltfrequenz durchgeschaltetem Paket jeweils mehrere sinusförmige Impulse höherer Frequenz enthalten. Da man hier zur Vermeidung von Abschaltverlusten nur dann den Strom abschaltet, wenn der Strom durch Null geht, ist der Nachteil dieser Steuerung darin zu sehen, daß keine genaue Leistungssteuerung mit diesem Verfahren erreichbar ist, weil die Ausgangsleistung ja nur in Sprüngen von jeweils einem Impuls möglich ist, d. h. die Leistung ist nur in groben Schritten quantisierbar. Dies gilt zumindest dann, wenn die Impulspaket-Wiederholfrequenz nicht zu gering werden darf.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der abgegebenen Leistung einer elektrischen Schaltung, insbesondere einer Sinusquelle, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil der fein quantisierbaren Leistungssteuerung im gesamten Verstellbereich bei minimaler Abschaltverlustleistung, da diese nur einmal innerhalb der Pulspaketwiederholfrequenz auftritt.

Dies wird erfindungsgemäß prinzipiell dadurch erreicht, daß die abgegebene Leistung zum einen durch die ganzzahlige Anzahl der in einem auf den Ausgang der Schaltung voll durchgeschalteten Impulspaket enthaltenen Impulse und zum anderen durch die Länge des letzten in der Phase angeschnittenen Impulses innerhalb jedes Impulspaketes bestimmt wird, wobei die Frequenz der Impulsfolge innerhalb der Impulspakete konstant und wesentlich höher als die Impulspaketwiederholfrequenz gewählt ist. Mit anderen Worten wird bei der Erfindung zunächst ein Impulspaket voll durchgeschaltet und dann die letzte Halb- oder Vollperiode eines Impulses innerhalb des Pakets mit angeschnittener Phase gesteuert.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. Durch die im Anspruch 6 angegebenen Maßnahmen ist eine vorteilhafte Anordnung zur Gewinnung des Ansteuersignal gemäß der Erfindung bereitgestellt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Durchschaltung der Impulspakete so, daß die Schaltelemente, die den Strom schalten, zur Vermeidung von Abschaltverlusten im Nulldurchgang der sinusförmigen Impulse geschaltet werden, abgesehen von dem in der Phase angeschnittenen Periodenteil.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ansteuersignale für die den Strom schaltenden Schaltelemente ähnlich wie bei der Phasenanschnittsteuerung gewonnen werden, wobei eine Pulsweitengewinnung durch Komparatorvergleich der Stellgröße mit einer Sägezahnspannung durchgeführt wird und ein Sägezahngenerator mit einer n-fach niedrigeren Frequenz betrieben wird als die Frequenz der sinusförmigen Impulse in den Impulspaketen. In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung entspricht die n-fach niedrigere Frequenz des Sägezahngenerators einer durch 8 bis zu 256 geteilten Impulsfrequenz.

Das vorliegende Verfahren gemäß der Erfindung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft und zweckmäßig zur genauen und sehr verlustarmen Steuerung der Lampenleistung einer Hochdruckgasentladungslampe in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Besonders dort kommt es zur Schonung der Batterie darauf an, Verlustleistungen zu vermeiden und Verbraucherleistung genau zu steuern.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung zur Gewinnung des Ansteuersignals zur Schaltung der Leistungsschalter, welche die Impulse der Sinusquelle auf die Last entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchschalten, sieht vor, daß ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen ist, der die Nulldurchgänge der sinusförmigen Impulse einer Sinusquelle feststellt, daß eine Teilschaltung vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Nulldurchgangsimpulsen Triggerimpulse niedrigerer Frequenz generiert, welche die Rampenspannung eines vorgesehenen Rampen bzw. Sägezahngenerators zurücksetzt, daß die Rampenspannung in einem vorgesehenen Komparator mit einer Stellgröße eines Sollwertgebers verglichen wird, und dann das Ansteuersignal abgibt, wenn die Rampenspannung die Stellgröße übersteigt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das Blockschaltbild einer erfindungsgemäß gestalteten Schaltung, in der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, und

Fig. 2 schematisch den Impuls- und Stromverlauf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an verschiedenen Stellen der Schaltung gemäß Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die abgegebene Leistung zum einen durch die ganzzahlige Anzahl der in einem auf den Ausgang der Schaltung voll durchgeschalteten Impulspaket enthaltenen Impulse und zum anderen durch die Länge des letzten in der Phase angeschnittenen Impulses innerhalb jedes Impulspaketes bestimmt wird, wobei die Frequenz der Impuls folge innerhalb der Impulspakete konstant und wesentlich höher als die Impulspaketwiederholfrequenz gewählt ist. Dies ist insbesondere anhand der Darstellung in Fig. 2 Diagramm G erkennbar, nämlich dort an den voll durchgeschalteten Impulshalbwellen 1 bis 13 und der angeschnittenen Impulshalbwelle 14, sichtbar gemacht durch fette Liniendarstellung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Durchschaltung der Impulspakete derart, daß die Schaltelemente, die den Strom schalten, beispielsweise der gesteuerte Schalter 4 in Fig. 1, zur Vermeidung von Abschaltverlusten im Nulldurchgang der sinusförmigen Impulse A erfolgt, abgesehen von dem in der Phase angeschnittenen Periodenteil 14 in Fig. 2.

Die Ansteuersignale für die den Strom schaltenden Schaltelemente 4 werden ähnlich wie bei der Phasenanschnittsteuerung gewonnen, wobei eine Pulsweitengewinnung durch Komparatorvergleich einer Stellgröße E mit einer Sägezahnspannung D durchgeführt wird und ein Sägezahngenerator 9 mit einer n-fach niedrigeren Frequenz betrieben wird als die Frequenz der sinusförmigen Impulse A in den Impulspaketen. Die n-fach niedrigere Frequenz des Signals D des Sägezahngenerators 9 entspricht vorteilhafterweise einer durch 8 bis zu 256 geteilten Impulsfrequenz des Signals A der Sinusquelle 1 in Fig. 1.

Anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordung bzw. Diagramme, wird neben einem besonders zweckmäßigen Schaltungsaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die Funktionsweise dieses Verfahrens zur Leistungssteuerung einer elektrischen Schaltung näher erläutert.

In Fig. 1 ist schematisch in einem Blockschaltbild eine erfindungsgemäß gestaltete Schaltung dargestellt, in der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird. Die Buchstaben A bis G in Fig. 1 bezeichnen die Stellen, an denen ein bestimmter Impuls- und Stromverlauf vorliegt, welcher in Fig. 2 mit den entsprechenden Buchstaben diagrammäßig über der Zeitachse t dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung gemäß Fig. 1 enthält einen Sinusgenerator bzw. eine Sinusquelle 1, deren an eine Last abgegebene Leistung gesteuert werden soll. Der Ausgang 2 der Sinusquelle 1 ist zum einem einem Kontakt 3 eines schematisch dargestellten, gesteuerten Schalters 4 zugeführt und zum anderen einem Nulldurchgangsdetektor 5. Dieser Nulldurchgangsdetektor 5 stellt die Nulldurchgänge der Sinusspannung bzw. des sinusförmigen Stromes fest, der am Ausgang 2 der Sinusquelle 1 anliegt und dessen Verlauf mit A in Fig. 2 dargestellt ist. Bei jedem zweiten Nulldurchgang des Stroms A wird demgemäß ein Impuls erzeugt, der im Diagramm B in Fig. 2 dargestellt ist und am Ausgang 6 des Nulldurchgangsdetektors 5 ansteht. Diese Impulse B werden einer Teilungsschaltung 7 zugeführt, die eine Teilung durch n vornimmt. Der Wert von n kann je nach Umstand und Bedürfnis gewählt werden und bestimmt wie oft am Ausgang 8 ein Impuls auftritt. Der Verlauf der Impulse am Ausgang 8 ist im Diagramm C in Fig. 2 dargestellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Wert von n = 8. Somit erscheint am Ausgang 8 der Teilungsschaltung 7 nur jeder achte Impuls vom Diagramm B. Die Impulse C werden einem Sägezahn- bzw. Rampengenerator 9 zugeführt und triggern, d. h. starten ihn jeweils. Der Rampengenerator 9 erzeugt eine rampenförmige Spannung D an seinem Ausgang 10, deren Verlauf im Diagramm D der Fig. 2 dargestellt ist. Die rampenförmige Spannung D wird bei Auftreten eines Impulses C auf Null zurückgesetzt und beginnt von Neuem sich aufzubauen und hochzulaufen.

Ein Sollwertgeber 11 liefert eine Stellgröße E an seinem Ausgang 12, auf welche die Leistung der Sinusquelle 1 gesteuert werden soll. Das Signal D am Ausgang 10 des Rampengenerators 9 wird einem negativen Eingang 13 und die Stellgröße E auf dem Ausgang 12 des Sollwertgebers 11 wird dem positiven Eingang 14 eines Komparators 15 zugeführt. Überschreitet der Wert der Rampenspannung D den Wert der Stellgröße E, dann entsteht am Ausgang 16 des Komparators 15 das Steuersignal F, mit dem der Leistungsschalter 4 gesteuert wird. Dieses Signal ist ein sich entsprechend der Stellgröße E in der Weite ändernder Impuls. An der Last 17 entsteht demgemäß ein Stromverlauf, der im Diagramm G dargestellt ist. Wie in Fig. 2 durch dickere Linien dargestellt, werden im Pulspaket 13 volle sinusförmige Halbwellen durchgeschaltet sowie zusätzlich ein Teil der 14. Halbwelle, im dargestellten Ausführungsbeispiel etwas mehr als die Hälfte der 14. Halbwelle, nach Art der Phasenanschnittsteuerung. Der Rest der 14. Halbwelle sowie Halbwelle 15 und 16 werden nicht auf die Last 17 durchgeschaltet. Dies ist durch die dünnen Linien in Diagramm G von Fig. 2 dargestellt. Die Pulspaketsteuerung selbst ist hier nicht dargestellt, da sie nicht Gegenstand vorliegender Erfindung ist. Sie ist übergeordnet. Der Leistungsschalter 4 wird von ihr so gesteuert, daß die Halbwellen 1 bis 13 jeweils voll auf die Last 17 durchgesteuert werden. Insgesamt hat damit der Verlauf des Laststromes bzw. die Leistung an der Last 17 den Verlauf, der mit den fetten Linien in dem Diagramm G in Fig. 2 dargestellt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dargestellte vorteilhafte Schaltung zu seiner Durchführung können besonders vorteilhaft zur genauen und sehr verlustarmen Steuerung der Lampenleistung einer Hochdruckgasentladungslampe in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Besonders dort kommt es zur Schonung der Batterie darauf an, Verlustleistungen zu vermeiden und Verbraucherleistung genau zu steuern.

Hierzu liefert die vorliegende Erfindung einen besonders wertvollen Beitrag. Mit der Erfindung ist ganz generell eine Möglichkeit geschaffen, eine hochfrequent betriebene Sinusquelle in ihrer Ausgangsleistung so zu verstellen, daß dabei möglichst wenig Verlustleistung entsteht und gleichzeitig eine feine Quantisierung der Ausgangsleistung ermöglicht wird.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der abgegebenen Leistung einer elektrischen Schaltung, insbesondere einer Sinusquelle, welche eine steuerbare Abgabeleistung aus einer Gleichspannungsversorgung erzeugt, wobei der Strom im wesentlichen sinusförmig verläuft, wobei die abgegebene Leistung zum einen durch die ganzzahlige Anzahl der in einem auf den Ausgang der Schaltung voll durchgeschalteten Impulspaket enthaltenen Impulse und zum anderen durch die Länge des letzten in der Phase angeschnittenen Impulses innerhalb jedes Impulspaketes bestimmt wird, wobei die Frequenz der Impuls folge innerhalb der Impulspakete konstant und wesentlich höher als die Impulspaketwiederholfrequenz gewählt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschaltung der Impulspakete so erfolgt, daß die Schaltelemente, die den Strom schalten, zur Vermeidung von Abschaltverlusten im Nulldurchgang der sinusförmigen Impulse erfolgt, abgesehen von dem in der Phase angeschnittenen Periodenteil.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignale für die den Strom schaltenden Schaltelemente ähnlich wie bei der Phasenanschnittsteuerung gewonnen werden, wobei eine Pulsweitengewinnung durch Komparatorvergleich der Stellgröße mit einer Sägezahnspannung durchgeführt wird und ein Sägezahngenerator mit einer n-fach niedrigeren Frequenz betrieben wird als die Frequenz der sinusförmigen Impulse in den Impulspaketen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die n-fach niedrigere Frequenz des Sägezahngenerators einer durch 8 bis zu 256 geteilten Impulsfrequenz entspricht.

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur genauen und sehr verlustarmen Steuerung der Lampenleistung einer Hochdruckgasentladungslampe in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.

6. Anordnung zur Gewinnung des Ansteuersignals zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nulldurchgangsdetektor (5) vorgesehen ist, der die Nulldurchgänge der sinusförmigen Impulse (A) einer Sinusquelle (1) feststellt, daß eine Teilungsschaltung (7) vorgesehen ist, die aus den gewonnenen Nulldurchgangsimpulsen (B) Triggerimpulse (C) niedrigerer Frequenz generiert, welche die Rampenspannung (D) eines vorgesehenen Rampen- bzw. Sägezahngenerators (9) zurücksetzt, daß die Rampenspannung (D) in einem vorgesehenen Komparator (15) mit einer Stellgröße (E) eines Sollwertgebers (11) verglichen wird, und dann das Ansteuersignal (F) abgibt, wenn die Rampenspannung (D) die Stellgröße (E) übersteigt.