DE19707705A1 - Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Einstellung der Ausgänge einer Steuervorrichtung und Verfahren zur Steuerung - Google Patents

Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Einstellung der Ausgänge einer Steuervorrichtung und Verfahren zur Steuerung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ausgangs­ spannungssteuervorrichtung zur Einstellung der Ausgänge einer Steuervorrichtung und auf das zugehörigen Steuerverfahren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Ausgangs­ spannungssteuervorrichtung, um Rückkopplungssteuerungen für den Antrieb beispielsweise einer Wechselstrommaschine, eines Induktionsmotors oder dergl. durch einen Leistungswandler- oder -converter unter Einschluß eines Spannungs-PWM-Inverters (PWM-Pulsbreitenmodulation) durchzuführen.
Der bekannte PWM-Inverter detektiert eine Ausgangsspannung, berechnet eine Abweichung des festgestellten Ausgangsspannungswertes von einem Spannungsvorgabewert und kompensiert (steuert) die Abweichung unter Verwendung eines Proportional- und Integral-Controllers (PI) und dergl. Die bekannte Kompensationsmethode ist beispielsweise in den japanischen Patentveröffentlichungen 61-94585 und 63-234878 beschrieben worden.
Dieses Kompensationsverfahren kann sowohl auf ein analoges als auch ein digitales System angewendet werden. Das analoge System verwendet einen Operationsverstärker, einen linearen IC und dergl., wobei das digitale System eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) und einen Digital­ signalprozessor (DSP) verwendet, der in der Lage ist, Hochgeschwindigkeitsarbeitsvorgänge durchzuführen. Weiterhin ist ein hochauflösender und schnell ansprechender A/D- Converter und dergl. vorgesehen, welcher in der Lage ist, den Ausgang eines Ausgangsspannungsdetektors in digitale Daten so umwandeln, daß die Steuerung in einem Soft­ warearbeitsverfahren durchgeführt werden kann.
Da das analoge System einen linearen IC und dergl. für jeden Vorgang erfordert, wird die Steuervorrichtung teuer und die Steuerung selbst kompliziert. Auf der anderen Seite benötigt das digitale System teure Bauteile wie eine zentrale Datenverarbeitungseinheit, CPU, einen Digitalsignalprozessor, DSP und dergl.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Verringerung der Kosten der oben beschriebenen Steuervorrichtungen. Die vorliegende Erfindung will außerdem bei niedrigen Kosten eine Steuervorrichtung realisieren, welche keine komplizierten Steuerarbeitungsvorgänge erfordert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Durchführung einer Rückkopplungssteuerung an einem Steuerobjekt auf:
nach einer ersten Ausführungsform eine erste Umwandlungseinrichtung, um einen Ausgangsspannungsvorgabewert für das Steuerobjekt in digitale Daten umzuwandeln;
nach einer zweiten Ausführungsform eine zweite Umwandlungseinrichtung, um einen Ausgangsspannungs­ detektionswert für das Steuerobjekt in digitale Daten umzuwandeln;
nach einer dritten Ausführungsform eine Detektionseinrichtung, um einen Unterschied in den digitalen Ausgängen zwischen der ersten und der zweiten Umwandlungseinrichtung festzustellen;
nach einer vierten Ausführungsform eine Steuereinrichtung, um eine Steuerspannung als digitale Daten gemäß der festgestellten Differenz in digitalen Ausgängen auszugeben;
nach einer fünften Ausführungsform ein Verfahren zum Erzeugen eines Auswahlsignals gemäß einer Zeitperiode der Nichtübereinstimmung zwischen dem Vorgabewert und dem Detektionswert;
nach einer sechsten Ausführungsform ein Verfahren zum Erzeugen eines Spannungsvorgabewertes für den Inverter gemäß einem Nichtübereinstimmungszustand zwischen dem Vorgabewert und dem Detektionswert; und
nach einer siebten Ausführungsform ein Verfahren zum Auswählen zwischen dem Vorgabewert, welches in eine Impulsdichte umgewandelt ist, und dem Spannungsvorgabewert, basierend auf dem Auswahlsignal, und Ausgeben des ausgewählten Wertes als Steuerspannung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungsvorgabewert in eine Impulsdichte (digitale Daten) umgewandelt, ein Ausgangsspannungsmeßwert wird ebenfalls in eine Impulsdichte (digitale Daten) umgewandelt unter Verwendung eines Δ-Σ-Modulationsconverters und ein Ausgangsspannungsmeßwert wird ebenfalls umgewandelt in eine Impulsdichte (digitale Daten) unter Verwendung eines Δ-Σ- Modulationsconverters. Eine Steuerung kann daher als digitale Hardware ausgeführt werden. Es ist eine Kombination eines analogen und eines digitalen Systems und kann mit geringen Kosten realisiert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau gemäß einer ersten Ausführungsform der Ausgangsspannungssteuervorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Abänderung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 zeigt den Aufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform der Ausgangsspannungssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und
Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Abänderung der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt den Aufbau der Vorrichtung gem. der ersten Ausführungsform der Ausgangsspannungssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 1 weist die Ausgangsspannungssteuervorrichtung einen PDM-Converter 1 (einen Pulsdichte-Modulations- Converter); einen nichtpaarigen Detektionsstromkreis 2 (exklusiv ODER Stromkreis: ERO-Stromkreis); einen AND- Stromkreis 3 (Polaritätsfeststellungsstromkreis); auf- und abwärts zählende Zähler (UDC) 4A und 4B, Verschiebungsstromkreise 5A und 5B (Multiplikations­ stromkreise), einen Addierer 6 und einen Δ-Σ- Modulationskonverter 7. In den Figuren bezeichnet V* einen ersten Spannungsvorgabewert als Eingang zu der Steuervorrichtung, V** bezeichnet einen zweiten Spannungs­ vorgabewert als Ausgang von der Steuervorrichtung zu einem Inverter und dergl.; CLK bezeichnet ein Zeitsteuersignal, Tc bezeichnet ein Trägersignal, Vist bezeichnet einen Spannungsmeßwert oder Spannungsdetektionswert. Der Δ-Σ- Modulationskonverter 7 ist im Handel erhältlich als sequentieller serieller vergleichender A/D-Konverter usw. Der Spannungsdetektionswert Vist ist ein Detektionswert der Ausgangsspannung, welcher durch den PWM-Inverter und dergl. einen Wechselspannungsmotor antreibt.
Der Spannungsvorgabewert V* wird dem PDM-Stromkreis 1 eingegeben und in eine Pulsdichte umgewandelt. Der Spannungsdetektionswert Vist wird an den Δ-Σ- Modulationskonverter 7 angelegt und wird ebenfalls in eine Pulsdichte umgewandelt. Der nichtpaarige Detektionsstromkreis 2 erhält die Abweichung oder die Differenz des Ausgangs des PDM-Stromkreises 1 und von dem Ausgang des Δ-Σ- Modulationskonverters 7. Die Abweichung bzw. der Ausgang von dem PDM-Stromkreis 1 wird als Eingang an den AND-Stromkreis 3 gegeben. Da die Ausgangssignale des AND-Stromkreises 3 unterschiedliche Polarität haben, was von den Pegeln der beiden Eingangssignale abhängt, wird festgestellt, ob oder ob nicht der Spannungsvorgabewert größer ist als der Detektionswert (Nicht-Übereinstimmungs-Polaritätsdetektions­ funktion).
Als nächstes werden der Ausgang des AND-Stromkreises 3, der Ausgang des OR-Stromkreises 2 und das Trägersignal Tc als Eingänge an die Zähler 4A und 4B gegeben, wobei die Abweichung als digitale Daten erhalten wird. Das durch den Zähler 4A erhaltene Signal dient als proportionales Element für die Ausgangssteuerung. Da der Zähler 4B seinen Ausgang zum Eingangsanschluß rückkoppelt, dient das erhaltene Signal als integrales Element für die Ausgangssteuerung (Integral- Steuerfunktion). Falls entweder nur ein proportionales Element oder ein integrales Element erforderlich ist, ist lediglich einer der entsprechenden Zähler erforderlich.
Die Ausgänge der Zähler 4A und 4B sind jeweils Eingänge zu den Verschiebungsstromkreisen 5A und 5B, an welche jeweils die Werte der Verschiebesignale SF1 und SF2 angelegt werden. Auf diese Art und Weise wird ein Verschiebungsvorgang, beispielsweise als eine Multiplikation mit 2n durchgeführt, was von dem Betrag des Verschiebungssignals abhängt. Die Ergebnisse der Verschiebungsvorgänge werden durch den Addierer 6 addiert und beispielsweise an einen Pulsweitenmodulationsstromkreis (PWM nicht gezeigt in Fig. 1) als Spannungsvorgabewert (zweiter Spannungsvorgabewert) angelegt, um ein GATE-Signal für ein Schaltungselement eines elektrischen Leistungskonverters unter Einschluß eines Inverters zu erzeugen. Dem GATE-Signal entsprechend wird der Wechselstrommotor gesteuert, um einen vorbestimmten Vorgang durchzuführen, der auf dem Spannungsvorgabewert basiert.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der ersten Ausführungsform.
Diese Abänderung wird durch Hinzufügen, wie in Fig. 2 zu erkennen, von Teilern (Frequenzteilern 8A und 8B) zur Teilung des Zeitsteuersignals CLK der ersten in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erhalten. Eine detaillierte Beschreibung des Arbeitsvorganges ist hier weggelassen, weil die anderen Einheiten die gleichen wie die sind, die in Fig. 1 gezeigt sind und dort beschrieben sind. Die Verbindung der Teile 8A und 8B beseitigt die Notwendigkeit für den PDM-Stromkreis 1 und den Δ-Σ-Modulationskonverter 7, schnellansprechende Stromkreise einzusetzen, so daß auf diese Art und Weise eine preislich günstige Steuervorrichtung erfolgreich realisiert werden kann. Wenngleich zwei Teiler 8A und 8B in diesem Beispiel vorgesehen sind, könnte auch nur einer von beiden eingesetzt werden, und zwar entweder für den PDM-Stromkreis 1 oder den Δ-Σ-Modulationskonverter 7.
Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannungssteuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, und diese weist auf den PDM- Stromkreis 1, den nichtpaarigen Detektionsstromkreis 2, einen Haltestromkreis 3A vom Typ Flip-Flop, den Δ-Σ- Modulationskonverter 7, einen monostabilen Stromkreis 9 und einen Datenauswahlstromkreis 10. Da die Funktion der Elemente 1, 2 und 7 die gleichen wie diejenigen sind, die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden sind, kann eine Beschreibung hier weggelassen werden.
Der Spannungsvorgabewert V* wird als Eingang an den PDM- Stromkreis 1 angelegt und in eine Pulsdichte umgewandelt. Der Spannungsdetektionswert Vist wird als Eingang an den Δ-Σ- Modulationskonverter 7 angelegt und in eine Pulsdichte umgewandelt. Der OR-Stromkreis 2 erhält die Abweichung des Ausgangs des PDM-Stromkreises 1 vom Ausgang des Δ-Σ- Modulationskonverter 7. Bis zu dieser Stufe sind die Arbeitsvorgänge die gleichen wie die bei der Ausführungsform nach Fig. 1.
In Fig. 3 detektiert der Haltestromkreis 3A die Polarität, wenn der Ausgangsspannungsvorgabewert nicht mit dem Ausgangsspannungsdetektionswert übereinstimmt und erzeugt einen Spannungsvorgabewert als digitale Daten. Durch den Einsatz des Haltestromkreises 3A können die oben beschriebene proportionale oder die integrale Steuerfunktion realisiert werden. Der Ausgang des OR-Stromkreises 2 wird als Eingang an den monostabilen Stromkreis 9 angelegt, von welchem ein Signal ausgegeben wird, welches der nicht Nichtübereinstimmungszeitperiode entspricht. Die Ausgänge des monostabilen Stromkreises 9, des Haltestromkreises 3A, des Haltestromkreises 3A und des PDM-Stromkreises 1 werden als Eingang an den Datenauswahlstromkreis 10 angelegt. Der Datenauswahl-Stromkreis 10 weist zwei AND-Stromkreise auf. Der Ausgang des Haltestromkreises 3A und der Ausgang des monostabilen Stromkreises 9 werden an die Eingänge eines der AND-Stromkreise geführt. Der Ausgang des PDM-Stromkreises 1 und der umgekehrte Ausgang des monostabilen Stromkreises 9 werden als Eingänge an den anderen AND-Stromkreis angelegt. Daher selektiert der Datenauswahlstromkreis 10 den Ausgang von dem Haltestromkreis 3A während der Halteperiode, in welcher der monostabile Stromkreis 9 arbeitet und wählt den Ausgang von dem PDM-Stromkreis 1 in den anderen Perioden aus. Der Ausgang des Datenauswahlstromkreises 10 wird beispielsweise an einen Pulsweitenmodulationsstromkreis (PWM, nicht gezeigt in Fig. 3) als Spannungsvorgabewert (zweiter Spannungsvorgabewert) gegeben und der Ausgang wird als GATE- Signal an das Schaltelement des elektrischen Leistungskonverters unter Einschluß eines Inverters, wie im Fall der Schaltung nach Fig. 1, gegeben.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In dieser Abwandlung sind ähnlich wie bei der Abwandlung nach Fig. 2 Teiler 8A und 8B zur Teilung des Steuersignals CLK für den PDM-Stromkreis 1 und den Δ-Σ-Modulationskonverter 7 vorgesehen, wodurch es nicht notwendig ist, für diese Elemente schnell ansprechende Stromkreise einzusetzen, so daß auf diese Art und Weise ein Gerät mit niedrigem Preis realisiert wird. Da die anderen Einheiten die gleichen wie in Fig. 3 sind, kann hier eine weitere Beschreibung weggelassen werden. Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, könnte lediglich einer der Teiler 8A und 8B entweder für den PDM-Stromkreis 1 oder den Δ-Σ-Modulationskonverter 7 vorgesehen sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Ausgangs­ spannungsvorgabewert und der Ausgangsspannungsdetektionswert in digitale Daten umgewandelt, und die Steuereinrichtung kann als digitale Hardwarekonfiguration entworfen werden. Daher kann die Steuervorrichtung als eine einfache Vorrichtung mit niedrigen Kosten realisiert werden.

Claims (11)

1. Eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Durchführung einer Rückkopplungssteuerung an einem Steuerobjekt, aufweisend
eine erste Umwandlungseinrichtung, um einen Ausgangs­ spannungsvorgabewert für das Steuerobjekt in digitale Daten umzuwandeln;
eine zweite Umwandlungseinrichtung, um einen Ausgangsspannungsdetektionswert für das Steuerobjekt in digitale Daten umzuwandeln;
eine Detektionseinrichtung, um einen Unterschied in den digitalen Ausgängen zwischen der ersten und der zweiten Umwandlungseinrichtung festzustellen;
und eine Steuereinrichtung, um eine Steuerspannung als digitale Daten gemäß der festgestellten Differenz in digitalen Ausgängen auszugeben.
2. Eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Durchführung einer Rückkopplungssteuerung an einem Steuerobjekt, aufweisend:
einen Pulsdichte-Modulationskonverter, um einen Ausgangs­ spannungsvorgabewert für das Steuerobjekt in eine Pulsdichte umzuwandeln;
einen Δ-Σ-Modulationskonverter (7), um einen Ausgangsspannungs­ detektionswert des Steuerobjektes in eine Impulsdichte umzuwandeln;
eine Nichtübereinstimmungsdetektionseinrichtung, um eine Nichtübereinstimmung im Ausgang des Pulsdichte­ modulationskonverters und des Δ-Σ-Modulationskonverters festzustellen;
eine Polaritätsfeststelleinrichtung, um eine Polarität der Nichtübereinstimmung der Ausgänge von dem Pulsdichte­ modulationskonverter und dem Δ-Σ-Modulationskonverter festzustellen;
eine erste Zähleinrichtung entweder für das Aufwärts- oder das Abwärtszählen von Zeitsteuersignalen, was von dem Ausgang an der Nicht-Übereinstimmungs-Detektionseinrichtung und der durch die Polaritätdetektionseinrichtung festgestellten Polarität abhängt;
eine zweite Zähleinrichtung entweder für das Auf- oder Abwärtszählen von Zeitsteuersignalen, was von den Ausgängen der Nichtübereinstimmungsdetektionseinrichtung und der Polarität abhängt, die durch die Polaritäts­ detektionseinrichtung festgestellt worden ist, und um einen Endzählwert als Anfangszählwert für den nächsten Zählvorgang festzusetzen;
eine erste und zweite Operationseinrichtung, um die Ausgänge des ersten und des zweiten Zählers mit vorbestimmten Koeffizienten jeweils zu multiplizieren; und
Addiereinrichtungen, um die Ausgänge der ersten der zweiten Operationseinrichtung zu addieren.
3. Eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Durchführung einer Rückkopplungssteuerung an einem Steuerobjekt, aufweisend:
einen Pulsdichte-Modulationskonverter, um einen Ausgangs­ spannungsvorgabewert für das Steuerobjekt in eine Pulsdichte umzuwandeln;
einen Δ-Σ-Modulationskonverter, um einen Ausgangsspannungs­ detektionswert des Steuerobjektes in eine Impulsdichte umzuwandeln;
eine Nichtübereinstimmungsdetektionseinrichtung, um eine Nichtübereinstimmung im Ausgang zwischen dem Pulsdichte­ modulationskonverter und dem Δ-Σ-Modulationskonverter festzustellen;
ein Zeitsignalerzeuger, um ein vorbestimmtes Zeitsignal auszugeben, welches von einem Ausgang des Nichtübereinstimmungsfeststellungsstromkreises abhängt,
eine Spannungsvorgabewerterzeugungseinrichtung, um ein Spannungsvorgabesignal auszugeben, welches auf einem Ausgang des Pulsdichtemodulationskonverters und einem Ausgang des OR- Stromkreises basiert, und
eine Auswahleinrichtung zum Auswählen und Ausgeben etwa der des Ausgangs des Pulsdichtemodulationskonverters oder des Ausgangs des Spannungsvorgabewerterzeugers, basierend auf einem Ausgang des Zeitsignalerzeugers.
4. Eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Durchführung der Rückkopplungssteuerung an einer Ausgangsspannung eines Inverters, welcher eine Wechselstrommaschine treibt, aufweisend:
eine erste Umwandlungseinrichtung, um einen Vorgabewert für eine Ausgangsspannung des Inverters in eine Pulsdichte umzuwandeln;
eine zweite Umwandlungseinrichtung, um einen Detektionswert einer Ausgangsspannung des Inverters in eine Pulsdichte umzuwandeln; und
eine Steuereinrichtung, um einen Unterschied in den Ausgängen zwischen der ersten und der zweiten Umwandlungseinrichtung festzustellen; und um eine Steuerspannung zur Verwendung bei der Steuerung eines Inverters, der auf der festgestellten Abweichung basiert, zu erzeugen.
5. Eine Augangsspannungssteuervorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin aufweisend:
eine Auflösungsänderungseinrichtung, um eine Auflösung von wenigstens einer Einrichtung, der ersten oder der zweiten Umwandlungseinrichtung, zu ändern.
6. Eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung nach Anspruch 5, ferner aufweisend:
eine Polaritätsfeststelleinrichtung, um eine Polarität der Nichtübereinstimmung zwischen dem umgewandelten Vorgabewert und dem Detektionswert zu detektieren und als Polaritätssignal auszugeben, wobei die Steuereinrichtung die Abweichung als digitalen Wert basierend auf dem Polaritätssignal ausgibt und die Steuerspannung erzeugt, basierend auf der erhaltenen Abweichung.
7. Eine Ausgangsspannungssteuervorrichtung nach Anspruch 4, ferner aufweisend:
eine Signalerzeugungseinrichtung, um ein Auswahlsignal auszugeben, welches der Zeitlänge der Nichtübereinstimmung zwischen dem umgewandelten Vorgabewert und dem Detektionswert entspricht, wobei die Steuervorrichtung aufweist:
einen Vorgabewerterzeuger, um einen Spannungsvorgabewert für den Inverter basierend auf dem Nichtübereinstimmungszustand zuwischen dem umgewandelten Vorgabewert und dem Detektionswert, zu erzeugen;
und eine Auswahleinrichtung, um einen der Ausgänge von der ersten Umwandlungseinrichtung und von dem Vorgabewerterzeuger auszuwählen, welcher auf dem Auswahlsignal basiert und um den ausgewählten Ausgang als Steuerspannung auszugeben.
8. Verfahren zur Steuerung einer Ausgangsspannung für die Durchführung einer Rückkopplungssteuerung an der Ausgangsspannung eines Inverters, welcher eine Wechselstrommaschine antreibt, aufweisend die folgenden Stufen:
Umwandlung eines Vorgabewertes für die Ausgangsspannung des Inverters in eine Impulsdichte;
Umwandeln eines Detektionswertes der Ausgangsspannung des Inverters in eine Pulsdichte;
Feststellen der Abweichung des umgewandelten Vorgabewertes von dem umgewandelten Detektionswert; und
Erzeugen einer Steuerspannung zur Verwendung bei der Steuerung des Inverters, basierend auf der festgestellten Abweichung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch die Stufe des Änderns der Auflösung einer Pulsdichteumwandlung von wenigstens dem einen des Vorgabewertes und des Detektionswertes.
10. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend die Stufe des
Detektierens eines Polaritätsunterschiedes zwischen dem umgewandelten Vorgabewert und dem umgewandelten Detektionswert;
und Ausgebens als digitale Daten der Abweichung, basierend auf der festgestellten Polarität, und des Erzeugens der Steuerspannung basierend auf der festgestellten Abweichung.
11. Verfahren zur Steuerung einer Ausgangsspannung nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend die Stufen:
Erzeugen eines Auswahlsignals gemäß einer Zeitperiode der Nichtübereinstimmung zwischen dem Vorgabewert und dem Detektionswert;
Erzeugen eines Spannungsvorgabewertes für den Inverter gemäß einem Nichtübereinstimmungszustand zwischen dem Vorgabewert und dem Detektionswert; und
Auswählen zwischen dem Vorgabewert, welcher in eine Impulsdichte umgewandelt ist, und dem Spannungsvorgabewert, basierend auf dem Auswahlsignal, und Ausgeben des ausgewählten Wertes als Steuerspannung.
DE19707705A 1996-02-28 1997-02-26 Ausgangsspannungssteuervorrichtung zur Einstellung der Ausgänge einer Steuervorrichtung und Verfahren zur Steuerung Withdrawn DE19707705A1 (de)

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