DE19716909A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisation eines Phasenregelkreises - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synchronisation eines Phasenregelkreises.

In vielen technischen Anwendungen, z. B. Bahn- und Industrie­ antriebe, ist eine bezüglich Phase und Frequenz exakte Syn­ chronisation auf ein Eingangssignal erforderlich, wobei das Eingangssignal in der Praxis nennenswerte Verzerrungsanteile enthalten kann. Derartige Verzerrungsanteile rühren von der dritten und fünften Harmonischen her, die z. B. durch gleich zeitig am Netz betriebene andere Verbraucher, wie z. B. Bahn­ fahrzeuge und Industrieantriebe mit Phasenanschnittsteuerung, erzeugt werden. Zur Synchronisation ermittelt ein Phasenre­ gelkreis, auch als Phase Locked Loop (PLL) bezeichnet, zumin­ dest die Frequenz und gegebenenfalls die Phasenlage des Ein­ gangssignals. Daraus kann dann ein zur Grundschwingung des Eingangssignals frequenzsynchrones und gegebenenfalls phasen­ synchrones System von Sinus- bzw. Kosinusschwingungen erzeugt werden. Dieses frequenz- und gegebenenfalls phasensynchrone System wird nachfolgend kurz als Phasenbezugssystem bezeich­ net.

Als Anwendungsbeispiele für Phasenregelkreise sind im Bereich Energietechnik netzgeführte und selbstgeführte Stromrichter, im Bereich Verkehrstechnik Vierquadrantensteller von AC- Bahnfahrzeugen und im Bereich Meß- und Regeltechnik synchro­ nisiert betriebene Funktionsgeneratoren zu nennen.

Eine Frequenzsynchronisation verlangt zumindest die Kenntnis der Frequenz, die der zeitlichen Änderung der Phasenlage ent­ spricht. Für die gegebenenfalls vorzunehmende Phasensynchro­ nisation ist lediglich noch der Anfangswert der Phasenlage der Grundschwingung des Eingangssignals notwendig. Phasenre­ gelkreise, die auf einer Nulldurchgangsdetektion basieren, sind z. B. in dem Buch "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, im Abschnitt "26.4. Nachlaufsynchronisation (PLL)" beschrieben. Bei diesen Synchronisationsverfahren wird versucht, die Null­ durchgänge des Eingangssignals und des zu synchronisierenden Signals zu detektieren und aus dem zeitlichen Abstand der Nulldurchgänge eine Information über den Phasenbezug beider Signale zu erhalten. Solche Synchronisationsverfahren sind bei relativ stark verzerrtem Eingangssignal problematisch, da dann grundsätzlich mehrere Nulldurchgänge je Periode des Ein­ gangssignals auftreten können. Ebenso verfälschen Signaloff­ sets die Phaseninformation stark.

Weiterhin sind Phasenregelkreise bekannt, die auf sägezahn­ förmigen Phasensignalen basieren. Bei diesen Synchronisati­ onsverfahren wird durch Differentiation ein virtueller Imagi­ näranteil zum einphasigen Eingangssignal gebildet, d. h. es wird z. B. der Kosinus zum Sinus gebildet. Aus dem Eingangs­ signal und dem virtuellen Imaginärteil des Eingangssignals kann dann der zugehörige Zeiger und daraus die Phasenlage des Eingangssignals ermittelt werden. Das Phasensignal entspricht dabei einem Sägezahn, dessen Periodendauer derjenigen des Eingangssignals entspricht und dessen Augenblickswert der au­ genblicklichen Phasenlage vom Eingangssignal entspricht. Das Bezugsphasensystem wird in der Regel als Sinusschwingung und Kosinusschwingung eines ebenfalls sägezahnförmigen Bezugspha­ sensignals gebildet, das dann durch einen Regler auf die Pha­ senlage des Eingangssignals synchronisiert wird. Problema­ tisch ist bei diesem Verfahren insbesondere der Vorzeichen­ wechsel der Regelabweichung zwischen der Phasenlage des Ein­ gangssignals und dem sägezahnförmigen Bezugsphasensignal, der immer dann auftritt, wenn die Phasenlage des Eingangssignals oder das sägezahnförmige Bezugsphasensignal den Wert 180° er­ reicht und dann auf -180° springt. Ebenso bereitet die Syn­ chronisation bei einem stark verzerrten Eingangssignal Pro­ bleme, so daß durch Bandpaßfilterung zunächst die Grund­ schwingung des Eingangssignals bestimmt werden muß. Wegen der prinzipiell veränderlichen Frequenz des Eingangssignals müs­ sen die Bandpaßparameter frequenzabhängig nachgeführt werden, was den Realisierungsaufwand stark erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein einfa­ ches Verfahren zur Synchronisation eines Phasenregelkreises sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung anzugeben.

Die Aufgabe wird für eine phasensynchrone Regelung erfin­ dungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist Gegenstand des Anspruchs 5. Für eine phasen- und fre­ quenzsynchrone Regelung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 2 gelöst. Eine hierfür ge­ eignete Vorrichtung ist in Anspruch 6 beschrieben.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1, das eine phasensynchrone Regelung beschreibt, wird aus einem Eingangssignal durch Mul­ tiplikation mit einer kosinusförmigen, phasensynchronen Ziel­ größe und anschließende Glättung ein Korrelationssignal er­ mittelt, das proportional zur Korrelation zwischen dem Ein­ gangssignal und der Zielgröße ist. Die Bildung des Korrelati­ onssignals erfolgt gemäß Anspruch 5 in einem Phasenfehlerde­ tektor, wobei die Glättung des Korrelationssignals in vor­ teilhafter Weise durch ein Tiefpaßfilter erfolgt. Aus dem Korrelationssignal wird durch Proportionalverstärkung und In­ tegration ein Phasenkorrektursignal erzeugt. Der Phasenregler der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 weist hierzu zweckmäßiger­ weise einen PI-Regler auf.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 wird das Phasenkorrektur­ signal als Bezugsphasensignal verwendet. Gemäß einer Ausge­ staltung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird das Bezugspha­ sensignal aus einem Phasenvorsteuersignal und dem Phasenkor­ rektursignal ermittelt, wobei aus der bekannten Nennfrequenz des Eingangssignals durch Integration ein Phasenvorsteuersi­ gnal gebildet wird.

Wird das Verfahren gemäß Anspruch 3 mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 7 durchgeführt, dann erfolgt die Integration der Nennfrequenz des Eingangssignals in einem Integrator, vor­ zugsweise in einem Sägezahngenerator, und das daraus gebilde­ te Phasenvorsteuersignal wird zusammen mit dem Phasenkorrek­ tursignal einem Addierer zugeführt, um das korrigierte Pha­ senvorsteuersignal zu erhalten.

Aus dem Bezugsphasensignal wird bei dem Verfahren gemäß An­ spruch 1 eine sinusförmige, phasensynchrone Zielgröße sowie eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße gebildet. Die Bildung beider phasensynchronen Zielgrößen erfolgt gemäß An­ spruch 5 in einem Sinus/Kosinus-Generator, wobei die kosinus­ förmige Zielgröße, die zur Bildung des Korrelationssignals dient, zum Phasenfehlerdetektor zurückgeführt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 2, das eine phasen- und frequenzsynchrone Regelung beschreibt, wird eben­ falls aus einem Eingangssignal durch Multiplikation mit einer kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße und anschließende Glättung ein Korrelationssignal ermittelt, das proportional zur Korrelation zwischen dem Eingangssignal und der Zielgröße ist. Wird das Verfahren gemäß Anspruch 2 mit einer Vorrich­ tung gemäß Anspruch 6 durchgeführt, dann dient zur Bildung des Korrelationssignals wiederum ein Phasenfehlerdetektor, der vorzugsweise wiederum einen Tiefpaßfilter zur Glättung aufweist.

Aus dem Korrelationssignal wird durch Proportionalverstärkung ein Phasenkorrektursignal erzeugt. Die gemäß Anspruch 2 er­ forderliche Proportionalverstärkung erfolgt bei einer Vor­ richtung gemäß Anspruch 6 im Phasenregler, der hierfür einen P-Regler oder einen PI-Regler aufweist.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 wird aus dem Phasenkorrek­ tursignal durch Proportionalverstärkung und Integration ein Frequenzkorrektursignal erzeugt und aus dem Frequenzkorrek­ tursignal als Zielgröße ein Frequenzvorsteuersignal gebildet. Wird die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2 verwendet, dann erfolgt die Bil­ dung des Frequenzvorsteuersignals in einem Frequenzregler, der einen PI-Regler zur Proportionalverstärkung und Integra­ tion des Phasenkorrektursignals enthält, wobei aus dem Fre­ quenzkorrektursignal ein Frequenzvorsteuersignal als Zielgrö­ ße gebildet wird.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 kann das Frequenzvorsteuersignal aus dem Frequenzkorrektursignal und der bekannten Nennfrequenz des Eingangssignals gebildet werden. Wird für das Verfahren gemäß Anspruch 4 mit der Vor­ richtung gemäß Anspruch 8 durchgeführt, dann wird im Fre­ quenzregler aus dem Phasenkorrektursignal durch Proportional­ verstärkung und Integration ein Frequenzkorrektursignal er­ zeugt und aus dem Frequenzkorrektursignal und der bekannten Nennfrequenz des Eingangssignals wird ein Frequenzvorsteuer­ signal als Zielgröße gebildet.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 wird weiterhin aus dem Frequenzvorsteuersignal durch Integration ein Phasenvorsteu­ ersignal erzeugt. Aus dem Phasenvorsteuersignal und dem Pha­ senkorrektursignal wird dann ein Bezugsphasensignal ermit­ telt. Die Erzeugung des Phasenvorsteuersignals aus dem Fre­ quenzvorsteuersignal sowie die Ermittlung des Bezugsphasensi­ gnals erfolgt bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 6 in einer Phasenvorsteuerung, wobei die Integration des Frequenzvor­ steuersignals in einem Integrator, vorzugsweise in einem Sä­ gezahngenerator, erfolgt und zur Ermittlung des Bezugsphasen­ signals aus dem Phasenvorsteuersignal und dem Phasenkorrek­ tursignal ein Addierer dient.

Aus dem Phasenvorsteuersignal wird gemäß Anspruch 2 eine si­ nusförmige, phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße sowie ei­ ne kosinusförmige, phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße gebildet. Wird für die Durchführung des Verfahrens gemäß An­ spruch 2 die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 verwendet, dann er­ folgt die Bildung der beiden phasen- und frequenzsynchronen Zielgrößen in einem Sinus/Kosinus-Generator.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 wird aus dem Bezugsphasen­ signal ferner eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße gebildet, die zur Bildung des Korrelationssignals dient. Die kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße wird bei der Vor­ richtung gemäß Anspruch 6 in einem Kosinus-Generator ermit­ telt und zum Phasenfehlerdetektor zurückgeführt.

Sowohl bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 als auch bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 erhält man eine Phasenregelung, bei der durch die glättende Wirkung der Korrelationsberech­ nung auch bei einem stark verzerrten Eingangssignal sicher auf die Grundschwingung des Eingangssignals synchronisiert wird. Aufgrund der Einfachheit der beiden Verfahren können diese prinzipiell sowohl analog als auch digital realisiert werden. Darüber hinaus sind beide erfindungsgemäße Verfahren aufgrund ihrer Einfachheit sowohl als Software-Lösung als auch als Hardware-Lösung realisierbar. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 stellt eine direkte Phasenregelung dar, die gegen­ über einer Regelung der Phase über die Frequenz schneller und stabiler ist. Das Verfahren gemäß Anspruch 2 weist zusätzlich zur direkten Phasenregelung auch eine Regelung der Phase über die Frequenz auf. Die dynamischen Eigenschaften dieses Ver­ fahrens entsprechen denen der direkten Phasenregelung, die sinusförmigen phasen- und frequenzsynchronen Zielgrößen sowie die kosinusförmigen, phasen- und frequenzsynchronen Zielgrö­ ßen sind darüber hinaus selbst bei stark verzerrten Eingangs­ signalen und schnell eingestellten Phasenreglern nahezu ideal verzerrungsfrei.

Die Regelverfahren gemäß den Ansprüchen 3 und 4 weisen da­ durch, daß aus der bekannten Nennfrequenz des Eingangssignals ein Phasen- bzw. Frequenzvorsteuersignal gebildet wird, ge­ genüber den Verfahren nach Anspruch 1 und 2 eine verbesserte Dynamik auf.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele einer Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens zur Synchronisation eines Phasenregelkreises erläutert sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Zeigerdiagramm des Phasenbezugssystems zu Beginn der Synchronisation,

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm des Phasenbezugssystems gemäß Fig. 1 nach Beendigung der Synchronisation,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 1,

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 2.

In Fig. 1 ist die Ausgangssituation zu Beginn der Synchronisa­ tion dargestellt. Das Phasenbezugssystem eines Eingangs­ signals S, bestehend aus der Sinusschwingung S_x und der Kosi­ nusschwingung S_y (in Fig. 1 ebenso wie das Eingangssignal S als Zeiger dargestellt), besitzt im allgemeinen zunächst eine andere Frequenz und Phasenlage als das Eingangssignal S. Ziel einer Synchronisation ist es, den Phasenfehlwinkel ε zwischen dem Eingangssignal S und der sinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße S_x zu Null zu regeln, wodurch das in Fig. 2 darge­ stellte Zeigerbild entsteht. Die Sinusschwingung S_x liegt dann in Phase zur Grundschwingung des Eingangssignals S und die Kosinusschwingung S_y eilt der Grundschwingung des Ein­ gangssignals S um 90° vor, liegt damit also ebenfalls in Pha­ se zur Grundschwingung des Eingangssignals S und ist orthogo­ nal zur Grundschwingung des Eingangssignals S.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3, die eine Durchführung des Ver­ fahrens nach Anspruch 3 ermöglicht, umfaßt einen Phasenfeh­ lerdetektor 1, einen Phasenregler 2 und eine Phasenvorsteue­ rung 3 sowie einen Sinus/Kosinus-Generator 4.

Dem Phasenfehlerdetektor 1 wird ein Eingangssignal S sowie eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße S_y zugeführt. Im Phasenfehlerdetektor 1 wird das Eingangssignal S mit der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße S_y in einem Mul­ tiplizierer 11 multipliziert. Das Eingangssignal S wird mit einer kosinusförmigen Größe multipliziert, weil es sich bei dem Eingangssignal S um eine im allgemeinen oberschwingungs­ behaftete sinusförmige Größe handelt. Das Produkt aus dem Eingangssignal S und der der kosinusförmigen, phasensynchro­ nen Zielgröße S_y wird anschließend einem Tiefpaßfilter 12 zur Glättung zugeführt. Am Ausgang des Phasenfehlerdetektors 1 liegt damit ein geglättetes Produkt an, das aus dem Eingangs­ signal S und der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße S_y, die orthogonal zum Eingangssignal S ist, gebildet wird. Das geglättete Produkt wird als Korrelationssignal K_sy be­ zeichnet und ist proportional zur Korrelation zwischen dem Eingangssignal S und der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße S_y. Das Korrelationssignal K_sy ist aufgrund seiner Proportionalität zum Phasenfehler ein Maß für den Phasenfeh­ ler und damit für den Phasenfehlwinkel ε. Die Korrelation wird genau dann Null, wenn die kosinusförmige Zielgröße S_y orthogonal zum Eingangssignal S ist.

Das Korrelationssignal K_sy wird anschließend dem Phasenregler 2 zugeführt. Im Phasenregler 2 wird durch Proportionalver­ stärkung und Integration durch einen PI-Regler 21 ein Phasen­ korrektursignal Δϕ_PLL erzeugt. Dieses Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL wird der Phasenvorsteuerung 3 zugeführt.

Der Phasenvorsteuerung 3 wird bei der in Fig. 3 gezeigten Aus­ führungsform in vorteilhafter Weise weiterhin die bekannte Nennfrequenz f_Nenn des Eingangssignals S zugeführt. In der Phasenvorsteuerung 3 wird aus der Nennfrequenz f_Nenn durch In­ tegration in einem Integrator 31, der vorzugsweise als Säge­ zahn-Generator ausgebildet ist, ein sägezahnförmiges Phasen­ vorsteuersignal ϕ_PLL gebildet. Das Phasenvorsteuersignal ϕ_PLL wird zusammen mit dem Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL einem Addie­ rer 32 zugeführt. Im Addierer 32 wird aus dem Phasenvorsteu­ ersignal ϕ_PLL und dem Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL ein Bezugs­ phasensignal ϕ_PLL gebildet. Diese Korrektur des Phasenvorsteu­ ersignals ϕ_PLL durch das Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL in der Phasenvorsteuerung 3 führt dazu, daß das Bezugsphasensignal ϕ'_PLL phasensynchron zum Eingangssignal S verläuft.

Das Bezugsphasensignal ϕ'_PLL, das zu Beginn der Synchronisati­ on den Wert Null besitzt, wird dem nachgeschalteten Sinus/Ko­ sinus-Generator 4 zugeführt. Der Sinus/Kosinus-Generator 4 besteht im wesentlichen aus einem Sinus-Generator 41 und ei­ nem parallel zu diesem angeordneten Kosinus-Generator 42. Im Sinus-Generator 41 erfolgt die Bildung der sinusförmigen, phasensynchronen Zielgrößen S_x, wohingegen im Kosinus-Gene­ rator 42 die kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße S_y ge­ bildet wird. Die beiden Zielgrößen S_x und S_y beschreiben das gesuchte Phasenbezugssystem. Die kosinusförmige, phasensyn­ chrone Zielgröße S_y dient darüber hinaus zur Bildung des Kor­ relationssignals K_sy und wird zu diesem Zweck dem Multiplika­ tor 11 des Phasenfehlerdetektors 1 zugeführt.

Bei der kosinusförmigen Zielgröße S_y handelt es sich um eine Kosinusschwingung, die zunächst nicht in Phase zum Eingangs­ signal S ist und die auch eine andere Frequenz als das Ein­ gangssignal S besitzt. Bei Beginn des Regelverfahrens - das Bezugsphasensignal ϕ'_PLL besitzt zu diesem Zeitpunkt den Wert Null - hat die Zielgröße S_x den Wert Null und die Zielgröße S_y den Wert Eins.

Das im Phasenregler 2 ermittelte Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL besitzt den Wert Null, wenn die Frequenz f_s des Eingangs­ signals S gleich der bekannten Nennfrequenz f_Nenn des Ein­ gangssignals S ist. Falls die Frequenz f_s ungleich der Fre­ quenz f_Nenn ist, dann ist das Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL eben­ falls ungleich Null.

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung ermöglicht damit eine di­ rekte Phasenregelung, die gegenüber einer Regelung der Phase über die Frequenz schneller und stabiler ist.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 4, die zur Durchführung des Verfah­ rens nach Anspruch 4 dienen kann, umfaßt einen Phasenfehler­ detektor 1, einen Phasenregler 2, eine Phasenvorsteuerung 3, einen Frequenzregler 5 sowie einen Sinus/Kosinus-Generator 6 und einen Kosinus-Generator 7.

Der Phasenfehlerdetektor 1 der Vorrichtung nach Fig. 4 ent­ spricht dem in Fig. 3 gezeigten Phasenfehlerdetektor. Die Bil­ dung des Korrelationssignals K_sy erfolgt somit wie bei der in Fig. 3 beschriebenen Vorrichtung. Das im Phasenfehlerdetektor 1 gebildete Korrelationssignal K_sy wird einem Phasenregler 2 zugeführt, der dieses Mal jedoch nur einen P-Regler 22 um­ faßt. Im Phasenregler 2 wird damit aus dem Korrelationssignal K_sy durch Proportionalverstärkung ein Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL erzeugt. Dieses Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL stellt das Maß für die Frequenzabweichung dar und enthält den Regelhub des Phasenreglers 2. Das Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL wird ei­ nerseits auf die Phasenvorsteuerung 3 und andererseits auf den Frequenzregler 5 gegeben.

Im Frequenzregler 5 wird aus dem Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL durch Proportionalverstärkung und Integration in einen PI-Regler 51 ein Frequenzkorrektursignal Δf_PLL erzeugt. Dieses Frequenzkorrektursignal Δf_PLL wird einem Addierer 52 zuge­ führt. Dem Addierer 52 wird bei dieser Ausgestaltung der Er­ findung in vorteilhafter Weise außerdem die bekannte Nennfre­ quenz f_Nenn des Eingangssignals S zugeführt. Im Addierer 52 wird aus dem Frequenzkorrektursignal Δf_PLL und der bekannten Nennfrequenz f_Nenn des Eingangssignals S ein Frequenzvorsteu­ ersignal f_PLL gebildet. Das Frequenzvorsteuersignal f_PLL stellt einerseits eine der Zielgrößen dar und wird deshalb entspre­ chend ausgekoppelt, andererseits wird das Frequenzvorsteuer­ signal f_PLL der Phasenvorsteuerung 3 zugeführt.

Das im Frequenzregler 5 erzeugte Frequenzvorsteuersignal f_PLL entspricht im eingeregelten Zustand, der dadurch gekennzeich­ net ist, daß das im Phasenregler 2 erzeugte Phasenkorrektur­ signal Δϕ_PLL gleich Null wird, der gesuchten Frequenz f_s des Einganssignals S.

In der Phasenvorsteuerung 3 wird aus dem Frequenzvorsteuersi­ gnal f_PLL durch einen Integrator, der vorzugsweise als Säge­ zahn-Generator ausgebildet ist, ein sägezahnförmiges Phasen­ vorsteuersignal ϕ_PLL gebildet, das einerseits in der Phasen­ vorsteuerung 3 einem Addierer 32 und das andererseits einem Sinus/Kosinus-Generator 6 zugeführt wird.

Im Addierer 32 wird aus dem Phasenvorsteuersignal ϕ_PLL und dem Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL ein Bezugsphasensignal ϕ'_PLL gebil­ det.

Im Sinus/Kosinus-Generator 6 wird aus dem Phasenvorsteuersi­ gnal ϕ_PLL eine sinusförmige, phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße S'_x sowie eine kosinusförmige, phasen- und fre­ quenzsynchrone Zielgröße S'_y gebildet. Die sinusförmige Ziel­ größe S'_x besitzt zu Beginn des Regelverfahrens den Wert Null, wohingegen die kosinusförmige Zielgröße S'_y zu Beginn des Regelverfahrens den Wert Eins besitzt.

Bei einem stark verzerrten Einganssignal S enthält auch das Korrelationssignal K_sy noch einen gewissen Verzerrungsanteil, der sich über den P-Kanal des Phasenreglers 2 in der kosinus­ förmigen, phasensynchronen Zielgröße S_y störend abbildet. Deshalb werden die phasen- und frequenzsynchronen Zielgrößen S'_x und S'_y aus dem Phasenvorsteuersignal ϕ_PLL gebildet, das aus der Phasenvorsteuerung 3 nach der Integration im Integra­ tor 31 ausgekoppelt wurde. Das Phasenvorsteuersignal ϕ_PLL wird deshalb gewählt, weil dieses den Verzerrungsanteil des Korre­ lationssignals K_sy nur in stark abgeschwächtem Maß enthält. Die Zielgrößen S'_x und S'_y sind daher nahezu ideal sinus- bzw. kosinusförmig, wobei die Zielgrößen S'_x und S'_y in Phase zur Grundschwingung des Eingangssignals S liegen und die Zielgröße S'_y außerdem orthogonal zur Grundschwingung des Eingangssignals S ist.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 sorgt der Phasenregler 2 zu­ nächst nur dafür, daß die gewünschte Zielgröße S'_x sinusför­ mig ist und in Phase zur Grundschwingung des Eingangssignals S liegt (siehe Fig. 2). Das Phasenvorsteuersignal ϕ_PLL ist dann noch nicht zwingend gleich der ebenfalls gesuchten Frequenz f_s des Eingangssignals S. Man erkennt die Abweichung zwischen dem Frequenzvorsteuersignal f_PLL und der Frequenz f_s des Ein­ gangssignals S jedoch an dem Phasenkorrektursignal Δϕ_PLL, bei dem es sich um eine bleibende Stellgröße des Phasenreglers 2 handelt.

Das in der Phasenvorsteuerung 3 gebildete Bezugsphasensignal ϕ'_PLL, das zu Beginn der Synchronisation den Wert Null be­ sitzt, wird dem Kosinus-Generator 7 zur Bildung einer kosi­ nusförmigen, phasensynchronen Zielgröße S_y zugeführt. Die ko­ sinusförmige, phasensynchrone Zielgröße S_y dient zur Bildung des Korrelationssignals K_sy und wird zu diesem Zweck dem Mul­ tiplizierer 11 des Phasenfehlerdetektors 1 zugeführt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 ermöglicht damit zusätzlich eine Regelung der Phase über die Frequenz. Ein derartiges Verfah­ ren erreicht die dynamischen Eigenschaften der direkten Pha­ senregelung, die sinusförmige phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße S'_x sowie die kosinusförmige, phasen- und frequenz­ synchronen Zielgrößen S'_y sind jedoch selbst bei einem stark verzerrten Eingangssignal und einem schnell eingestellten Phasenregler 2 nahezu ideal verzerrungsfrei.

Claims (8)

1. Verfahren zur Synchronisation eines Phasenregelkreises, das folgende Merkmale umfaßt:

• - Aus einem Eingangssignal (S) wird durch Multiplikation mit einer kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) und anschließende Glättung ein Korrelationssignal (K_sy) ermit­ telt, das proportional zur Korrelation zwischen dem Ein­ gangssignal (S) und der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) ist,
• - aus dem Korrelationssignal (K_sy) wird durch Proportional­ verstärkung und Integration ein Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) erzeugt,
• - das Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) wird als Bezugsphasen­ signal (ϕ'_PLL) verwendet,
• - aus dem Bezugsphasensignal (ϕ'_PLL) werden eine sinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_x) sowie eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_y) gebildet, wobei die kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_y) zur Bildung des Korrelationssignals (K_sy) dient.

2. Verfahren zur Synchronisation eines Phasenregelkreises, das folgende Merkmale umfaßt:

• - Aus einem Eingangssignal (S) wird durch Multiplikation mit einer kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) und anschließende Glättung ein Korrelationssignal (K_sy) ermit­ telt, das proportional zur Korrelation zwischen dem Ein­ gangssignal (S) und der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) ist,
• - aus dem Korrelationssignal (K_sy) wird durch Proportional­ verstärkung und Integration ein Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) erzeugt,
• - aus dem Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) wird durch Proportio­ nalverstärkung und Integration ein Frequenzkorrektursignal (Δf_PLL) erzeugt,
• - aus dem Frequenzkorrektursignal (Δf_PLL) wird ein Frequenz­ vorsteuersignal (f_PLL) als Zielgröße gebildet,
• - aus dem Frequenzvorsteuersignal (f_PLL) wird weiterhin durch Integration ein Phasenvorsteuersignal (ϕ_PLL) erzeugt,
• - aus dem Phasenvorsteuersignal (ϕ_PLL) und dem Phasenkorrek­ tursignal (Δϕ_PLL) wird ein Bezugsphasensignal (ϕ'_PLL) ermittelt,
• - aus dem Phasenvorsteuersignal (ϕ_PLL) wird eine sinusförmige, phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße (S'_x) sowie eine kosinusförmige, phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße (S'_y) gebildet und
• - aus dem Bezugsphasensignal (ϕ'_PLL) wird eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_y) gebildet, die zur Bildung des Korrelationssignals (K_sy) dient.

3. Verfahren zur Synchronisation eines Phasenregelkreises nach Anspruch 1, das folgende Merkmale umfaßt:

• - Das Bezugsphasensignal (ϕ'_PLL) wird aus einem Phasenvor­ steuersignal (ϕ_PLL) und dem Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) ermittelt, wobei
• - aus der bekannten Nennfrequenz (f_Nenn) des Eingangssignals (S) durch Integration ein Phasenvorsteuersignal (ϕ_PLL) ge­ bildet wird.

4. Verfahren zur Synchronisation eines Phasenregelkreises nach Anspruch 2, das folgendes Merkmal umfaßt:

• - Das Frequenzvorsteuersignal (f_PLL) wird aus dem Frequenz­ korrektursignal (Δf_PLL) und der bekannten Nennfrequenz (f_Nenn) des Eingangssignals (S) gebildet.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die folgende Merkmale umfaßt:

• - Einen Phasenfehlerdetektor (1), in dem aus einem Eingangs­ signal (S) durch Multiplikation mit einer kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) und anschließende Glättung ein Korrelationssignal (K_sy) ermittelt wird, das propor­ tional zur Korrelation zwischen dem Eingangssignal (S) und der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) ist,
• - einen Phasenregler (2), in dem aus dem Korrelationssignal (K_sy) durch Proportionalverstärkung und Integration ein Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) erzeugt wird, das als Bezugs­ phasensignal (ϕ'_PLL) dient,
• - einen Sinus/Kosinus-Generator (4), in dem aus dem Bezugs­ phasensignal (ϕ'_PLL) eine sinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_x) sowie eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_y) gebildet wird, wobei die kosinusförmige phasensynchrone Zielgröße (S_y) zur Bildung des Korrela­ tionssignals (K_sy) dem Phasenfehlerdetektor (1) zugeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, die folgende Merkmale umfaßt:

• - Einen Phasenfehlerdetektor (1), in dem aus einem Eingangs­ signal (S) durch Multiplikation mit einer kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) und anschließende Glättung ein Korrelationssignal (K_sy) ermittelt wird, das propor­ tional zur Korrelation zwischen dem Eingangssignal (S) und der kosinusförmigen, phasensynchronen Zielgröße (S_y) ist,
• - einen Phasenregler (2), in dem aus dem Korrelationssignal (K_sy) durch Proportionalverstärkung ein Phasenkorrektursi­ gnal (Δϕ_PLL) erzeugt wird,
• - einen Frequenzregler (5), in dem aus dem Phasenkorrektur­ signal (Δϕ_PLL) durch Proportionalverstärkung und Integration ein Frequenzkorrektursignal (Δf_PLL) erzeugt wird und in dem aus dem Frequenzkorrektursignal (Δf_PLL) ein Frequenzvor­ steuersignal (f_PLL) als Zielgröße gebildet wird,
• - eine Phasenvorsteuerung (3), in der aus dem Frequenzvor­ steuersignal (f_PLL) durch Integration ein Phasenvorsteuer­ signal (ϕ_PLL) erzeugt wird und in der aus dem Phasenvorsteu­ ersignal (ϕ_PLL) und dem Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) ein Bezugsphasensignal (ϕ'_PLL) ermittelt wird,
• - einen Sinus/Kosinus-Generator (6), in dem aus dem Phasen­ vorsteuersignal (ϕ_PLL) eine sinusförmige, phasen- und fre­ quenzsynchrone Zielgröße (S'_x) sowie eine kosinusförmige, phasen- und frequenzsynchrone Zielgröße (S'_y) gebildet wird,
• - einen Kosinusgenerator (7), in dem aus dem Bezugsphasen­ signal (ϕ'_PLL) eine kosinusförmige, phasensynchrone Zielgröße (S_y) gebildet wird, die dem Phasendetektor (1) zugeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, die folgendes Merkmal umfaßt:

• - Eine Phasenvorsteuerung (3), in der aus der bekannten Nenn­ frequenz (f_Nenn) des Eingangssignals (S) durch Integration ein Phasenvorsteuersignal (ϕ_PLL) gebildet wird und in der aus dem Phasenvorsteuersignal (ϕ_PLL) und dem Phasenkorrek­ tursignal (Δϕ_PLL) ein Bezugsphasensignal (ϕ'_PLL) ermittelt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, die folgendes Merkmal umfaßt:

• - Im Frequenzregler (5) wird aus dem Phasenkorrektursignal (Δϕ_PLL) durch Proportionalverstärkung und Integration ein Frequenzkorrektursignal (Δf_PLL) erzeugt und aus dem Fre­ quenzkorrektursignal (Δf_PLL) und der bekannten Nennfrequenz (f_Nenn) des Eingangssignals (S) wird ein Frequenzvorsteuer­ signal (f_PLL) als Zielgröße gebildet.