DE2003587B2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung des mittleren Widerstandes eines elektronischen Schaltgliedes durch Impulsbreitenmodulation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des mittleren Widerstandes eines elektronisehen Schaltgliedes durch Impulsbreitenmodulation gemäß Oberbegriff Anspruch 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 34 82 113 bekannt. Das impulsbreitenmodulierte Signal ist dort zur Ansteuerung eines Transistors zur Beeinflussung des mittleren Widerstandes der Kollektor-Emitter-Strecke vorgesehen. Diese Widerstandsänderung beeinflußt ein Netzwerk eines Operationsverstärkers, wodurch die Phasenlage eines Informationssignals gesteuert wird. Wie aus der zuvor zitierten <κ> Literaturstelle hervorgeht, besteht das Netzwerk des Operationsverstärkers aus der Parallelschaltung eines Widerstandes und zweier Reihen widerstände, wobei der Verbindungspunkt der Reihenwiderstände mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist. Die Reihen- &s widerstände isolieren den Transistor gegenüber dem Informationssignal, wenn der Transistor eingeschaltet ist. Zur Unterdrückung der Schaltfrequenzen weist der entsprechende Zweig dieses Netzwerkes auch ein Glättungsglied auf. Das Tastzeitverhäknis der erzeugten Impulsfolge steht bei dieser Schaltungsanordnung in einer linearen Beziehung zum Steuersignal.

Häufig kommt es aber vor, daß das Tastzeitverhältnis der erzeugten Impulsfolge in Abhängigkeit der Steuerspannung nach einer vorgebbaren Funktion verlaufen soll, d. h. die Änderung der Impulsbreiten der erzeugten Impulsfolge muß einer vorgegebenen Funktion folgen. Da die geforderten Funktionen beliebig sein können, ist eine Steuerschaltung oder ein Funktionsgenerator notwendig, mit dem sich die Änderung der Impulsbreiten nach beliebigen Funktionen einstellen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Abhängigkeit der Impulsbreitenmodulation von der Steuerspannung so zu beeinflussen, daß sie nach einer bestimmten, vorgebbaren Funktion verläuft. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet die Möglichkeit, die Parameter eines Reglers mit HiITe der Impulsbreitenvariation in Abhängigkeit einer Steuerspannung nach einer beliebig vorgegebenen Funktion zu verändern. Die Schaltungsanordnung erfüllt somit gleichzeitig die Aufgaben eines Funktionsgenerators. Dabei ist es möglich, in einer Funklionsebene mit der Abszisse Us und der Ordinate Fdrei Punkte, durch die die Funktion verlaufen soll, beliebig festzulegen. Die Funktion der Impulsbreitenvariation, die mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einstellbar sind, besitzen keine Hysterese und sind sehr temperaturstabil. Dabei muß die Periode der Impulsfolge grott gegenüber der Anstiegszeit der erzeugten Impulse gewählt werden.

Weiterhin müssen die Widerstände des Eingangsnet.iwerkes groß gegenüber dem Durchlaß- und klein gegenüber dem Sperrwiderstand des Schaltgliedes sein, das zur Änderung des Eingangsnetzwerkes dient. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besitzt eine Gesamtübertragungsfunktion mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und Konstanz.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig.:» schaltungstechnische Einzelheiten der Erfindung,

Fig.3ein Diagramm.

In Fig. I ist eine Steuerspannung Us über ein Eingangsnetzwerk 10 einem /-Regler 11 zugeführt. Der Ausgang des /-Reglers 11 ist an den Eingang eines Impulserzeugers 12 geschaltet. Vom Ausgang des Impulserzeugers 12 ist eine breitenvariierbare Impulsfolge 13 entnehmbar. Die erzeugte Impulsfolge 13 wird gleichzeitig einerseits einem elektronischen Schaltglied 14 des Eingangsnetzwerkes 10 und andererseits einem Impulswandler 15 zugeführt. Der Ausgang des Impulswandlers 15 ist ebenfalls mit dem Eingang des /Reglers 11 verbunden.

F i g. 2 zeigt die Schaltungseinzelheiten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Steuerspannung Us ist zwischen einer Eingangsklemme 20und Masse angelegt. Zwischen der Eingangsklemme 20 und dem Eingang des /-Reglers 11 liegt das Eingangsnetzwerk 10, das aus der Parallelschaltung eines Widerstandes 21 und zweier in Reihe liegender Widerstände 22 und. 23 besteht. Der

Verbindungspunkt der Widerstände 22 und 23 ist mit einer Elektrode eines Feldeffekttransistors 14 verbunden, der mit weiteren Bauelementen zu einem integrierten Baustein 35 zusammengefaßt ist. Als Bezugspotential für den Eingang des /Reglers 11 dient s Masse. Hierzu ist der /Regier 11 auf der Eingangsseite über einen Widerstand 24 nach Masse geführt. Der Widerstand 24 ist zum eingangsseitigen Stromabgleich vorgesehen. Im /-Regler 11 ist ein Operationsverstärker 25 verwendet, dessen Übergangsverhalten durch einen Kondensator 26 bestimmt wird, der in der Rückführung liegt. Zum Spannungsabgleich des /-Reglers 11 dient ein Potentiometer 27, dessen beide Enden in den Operationsverstärker 25 führen und dessen Abgriff an negativer Betriebsspannung liegt.

Mit dem Eingang des /Reglers 11 ist weiterhin der Ausgang des Impulswandlers 15 verbunden. Der Impulswandler 15 besteht aus einem Widerstand 28, zu dem eine Reihenschaltung zweier Widerstände 29. 30 parallel liegt. Die eine Seite dieser Parallelschaltung ist mit dem Eingang des /-Reglers 11 verbunden, während die andere Seite an dem Verbindungspunkt einer Reihenschaltung liegt, die aus einem Widerstand 31 und einem Referenzelement 32 besteht. Die eine Seite des Widerstandes 31 ist an negative Betriebsspannung angelegt, während von dem Referenzelement 32 die Kathode an Masse liegt. Mit dem Verbindungspunki der Widerstände 29, 30 ist eine Elektrode eines Feldeffekttransistors 33 verbunden, der Teil des integrierten Bausteines 35 ist.

Das Ausgangssignal des /-Reglers 11 ist über einen Widerstand 42 dem Eingang eines Komparator 40 zugeleitet, der zusammen mit einem Sägezahngenerator 41 den Impulserzeuger 12 bildet. Das Bezugspotential am Eingang des Komparators 40 ist Masse. Dem Eingang des Komparators 40 ist neben dem Ausgangssignal des /-Reglers 11 auch das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 41 zugeführt, und zwar über einen Koppelkondensator 43 und einen Widerstand 44.

Die Widerstände 42, 44 dienen zur Summierung der dem Komparator 40 zugeführten Signale. Der Eingang des Komparators 40 ist über zwei antiparallel liegende Dioden 45, 46 mit Masse verbunden. Diese Dioden sind zum Schutz gegen Übersteuerungen des Komparators 40 vorgesehen. Weiterhin ist dem Komparator 40 noch positive und negative Betriebsspannung zugeleitet.

Der Sägezahngenerator 41 besteht aus einem Ladekondensator 49, zu dem ein Begrenzungswiderstand 48 in Reihe liegt. Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt eine Vierschichtdiode 50. Die eine Seite dieser Parallelschaltung, und zwar die Seite des Ladekondensators 49, liegt an negativer Betriebsspannung. Die andere Seite dieser Parallelschaltung isi einerseits mit dem Koppelkondensator 43 verbunden und andererseits über die Source-Drain-Stfecke eines Feldeffekttransistors 47 zur positiven Betriebsspannung geführt. Das Gate des Feldeffekttransistors 47 ist mit einer seiner Elektroden verbunden, und zwar mit der. die an der positiven Betriebsspannung liegt. Der Feldeffekttransistor 47 dient zur Erzeugung eines konstanten Ladestromes für den Ladekondensator <\9.

Der Ausgang des Komparators 40 ist einerseits mit dem Eingang einer Inverterstufe 55 und andererseits mit dem Gate des Feldeffekttransistors 33 und einem Ausgang A verbunden, von dem die erzeugte Impulsfolge entnehmbar ist. Neben dem Ausgang A ist ein zweiter Ausgang Ά vorgesehen, von dem eine Impulsfolge entnehmbar ist, die invers zu der des Ausgangs A ist. Dies wird mit Hilfe der Inverterstufe 55 erreicht, dessen Ausgang mil dem Ausgang A verbunden ist. An dem Ausgang der Inverterstufe 55 liegt auch das G-.;e des Feldeffekttransistors 14. Die Feldeffekttransistoren 14 und 33 sowie die Inverterstufe 55 sind zu dem integrierten Baustein 35 zusammengefaßt, dem zum Betrieb positive und negative Betriebsspannung zugeführt ist. Im integrierten .Baustein 35 sind noch weitere Bauelemente vorgesehen, die aber aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind.

Die Erzeugung der Impulsfolge geschieht auf folgende Weise: Der Sägezahngenerator 41 erzeugt eine Sägezahnspannung und zwar dadurch, daß der Ladekondensator 49 durch einen konstanten Strom aufgeladen wird. Erreicht die Spannung am Ladekondensator 49 die Zündspannung der Vierschichtdiode 50. dann zündet diese und entlädt den Kondensator 49 über den Begrenzungswiderstand 48. Unterschreitet der Entladestrom einen bestimmten Haltestrom, dann löscht die Vierschichtdiode 50 und es beginnt ein neuer Ladevorgang. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, wobei die Frequenz der Sägezahnspannung in bekannter Weise durch die Zeitkonstantenglieder in diesem Kreis bestimmt wird.

Die erzeugte Sägezahnspannung steuert den Komparator 40 an. der beim Überschreiten eines Schvvellweries einen Impuls abgibt. Die Breite des erzeugten Impulses ist von der Zeitdauer abhängig, innerhalb derer die Sägezahnspannung den Schwellwert überschreitet. Da aber der Sägezahnspannung die Ausgangsspannung des /-Reglers 11, die eine Gleichspannung ist, zuaddiert wird, ändert sich mit der Reglerausgangsspannung auch die Zeitdauer, innerhalb derer die Sägezahnspannung den Schwellwert überschreitet. Somit sind die Impulsbreiten durch die Reglerausgangsspannung, die wiederum durch die Steuerspannung t/v veränderbar ist. steuerbar.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Aufgabenstellung z. B. lauten:

1. Die Parameter eines Reglers sind in Abhängigkeit von einer Steuerspannung Uszu ändern.

2. Die Änderung der Parameter soll n3ch einer bestimmten Funktion F = f(Us) verlaufen, d. h., jedem Spannungswert Us ist eine definierte Übertragungsfunktion des Reglers zugeordnet.

Beide Forderungen können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfüllt werden.

Zunächst muß davon ausgegangen werden, daß die Parameteränderung des Reglers mittels eines elektronischen Schaltgliedes und einer breitengesteuerten Impulsfolge vorgenommen werden kann. Weiterhin muß festgelegt werden, zwischen welchen Grenzwerten die Übertragungsfunktion des Reglers verändert werden soll. Die Grenzwerte der Übertragungsfunktion werden durch die Schaltzustände des Schaltgliedes (dauernd geschlossen sowie dauernd geöffnet) bestimmt. Die Berechnung des Mittelwertes der Ausgangsspannung eines Reglers ergibt dann eine lineare Beziehung und sagt aus, daß die Übertragungsfunktion des Reglers sich linear mit dem Tastzeitverhältnis

!(vergleiche Fig. 1) der zugeführten Impulsfolge ändert. Durch Ausrechnung der Reglerübertragungsfunktion bei I Al = 0, X und 1 und einer anschließen-

den Festlegung, bei welchen Steuerspannungswerten Us am Steuergerät das Tastzeitverhältnis (#ider erzeug-

ten Impulsfolge die Werte 0, Xund 1 haben soll, wird der Verlauf der Funktion festgelegt, nach der die Parameter des Reglers geändert werden sollen.

Die Auslegung der Schaltungsanordnung für eine Impulsfolge, deren Breiten nach einer bestimmten Funktion sich ändern sollen, erfolgt dann durch eine entsprechende Auslegung der Widerstände des Eingangsnetzwerkes und des Impulswandlers 15.

Zur Umwandlung der Impulsfolge mit dem Tastzeitverhältnis (Έ) in den Strom /i dienen die Widerstände 29 und 30, die Referenzspannung Ub, die von dem Referenzelement 32 bestimmt wird und der als Schalter dienende Feldeffekttransistor 33. Der Widerstand 28 ist zur Einstellung des Beginns der lmpulsbreitenvarialion vorgesehen, d. h. zur Bestimmung des Punktes, bei dem die Sägezahnspannung gerade die Schaltschwelle des Komparator 40 erreicht. Für diesen Punkt gill: Der Feldeffekttransistor 33 ist gerade noch dauernd stromführend, und der Feldeffekttransistor 14 ist gerade noch dauernd gesperrt. Der von der Steuerspannung Us= Usa bestimmte und durch das Eingangsnetzwerk 10 fließende Strom /2 erreicht hierbei gerade den Betrag von /1. der von Ub und dem Widerstand 28 bestimmt wird. Mit Usa ist die Steuerspannung Usbezeichnet, bei der das Steuergerät eine Impulsfolge zu erzeugen beginnt. Für die Werte Us < Usa liegt der /-Regler 11 in der Sättigung, d.h. seine Ausgangsspannung ist so gering, daß die Sägezahnspannung die Schaltschwelle des !Comparators 40 nicht erreicht.

Der /-Regler 11 sorgt dafür, daß im Arbeitsbereich der Schaltungsanordnung die Ströme /1 und /2 betragsmäßig gleich groß sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die erzeugte Impulsfolge auch dem Feldeffekttransistor 33 zugeführt wird, der den Impulswandler 15 stets so steuert, daß sich die Beträge von i; und /2 nicht unterscheiden. Der /-Regler 11. der Impulserzeuger 12 und der Impulswandler 15 bilden einen Regelkreis, in welchen innerhalb des Arbeitsbereiches der Betrag von /1 stets so geregelt wird, daß die Bedingung IUI = IhI erfüllt ist. Gleichzeitig wird aber auch das Eingangsnetzwerk 10 durch den Feldeffekttransistor 14 verändert, wodurch sich die geforderte Funktion ergibt. Die Feldeffekttransistoren 14 und 33 werden hierzu durch die erzeugte Impulsfolge bzw. durch die inverse Impulsfolge angesteuert, so daß sie abwechselnd stromführend bzw. gesperrt sind.

Der Anfang des Arbeitsbereiches wird dadurch bestimmt, daß der zunächst geringere Wert von h den Wert von /1 erreicht und das Ende dadurch, daß h den Grenzwert von h überschreitet.

Außerhalb dieses Arbeitsbereiches wird der /Regler 11 übersteuert, so daß seine Ausgangsspannung entweder zu gering ist, so daß die Sägezahnspannung die Schaltschwelle des !Comparators 40 nicht erreicht oder aber zu groß ist so daß die Sägezahnspannung die Schaltschwelle des Komparators 40 nicht mehr unterschreitet.

F i g. 3 zeigt in einem Diagramm mehrere Funktionen F= f (UsX nach denen die Parameter eines Reglers mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung änderbar sind. Wie bereits erwähnt, können in der Funktionsebene drei Punkte gewählt werden, durch die die Funktion verlaufen soll. Diese drei Punkte sind der Anfangs- und der Endpunkt, sowie ein durch den Verlauf der geforderten Parameteränderung festgelegter und zwischen Anfang und Ende liegender Punkt. Die Funktion kann linearen Charakter haben und mit steigender Stcuerspannung Us fallen, wie z. B. der Verlauf der Funktion 60. oder mit steigender Steuerspannung Us ansteigen, wie z. B. der Verlauf der Funktion 61. Zur Erzielung dieses Funktionsverlaufes läßt sich sowohl die dem Ausgang A entnehmbare Impulsfolge verwenden als auch die des Ausgangs Ä, die zu der des Ausgangs A invers ist. Welche Impulsfolge wirklich benutzt wird, hängt von den Gegebenheiten des zu verändernden Netzwerkes im Regler und von der Lage des elektrischen Schaltgliedes ab, dem die Impulsfolge zur Änderung des Netzwerkes zugeleitet ist.

Neben den linearen Funktionen sind auch nichtlineare Funktionen möglich, wie /_ B. der Verlauf der Kurven 62, 63; 64, 65 zeigt. Die Funktionen F = f(Us) können sowohl reinen proportionalen, integralen oder differentialen Charakter haben (P-, I- oder />Regler) als auch aus einer Kombination bestehen, z. B. proportional-differential (P, D), proportional-integral (P, I), proportional-integral-differential (P. I, D) usw. Der Anfangs- und der Endpunkt einer Funktion können an beliebiger Stelle innerhalb des ersten und des zweiten Quadranten in der Funktionsebene liegen. Im Bereich vor dem Anfangs- und hinter dem Endpunkt verlaufen die Funktionen parallel zur Abszisse.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders für nichtlineare Regelsysteme wichtig, wo z. B. die Reglerparameter, wie Verstärkung, Vorhalt und Nachstellzeit, einzeln oder in einer der möglichen Kombinationen, z. B. in Abhängigkeit von der Regelabweichung, nach einer vorgegebenen Funktion geändert werden sollen. Ein weiterer Anwendungsfall ist bei Flugreglern gegeben, bei dem z. B. die Reglerparameter in Abhängigkeit von Staudruck und damit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines Flugzeuges verändert werden sollen. Mit Hilfe der vom Staudruck abhängigen Steuerspannung Us können somit die Parameter des Reglers für jede Fluggeschwindigkeit auf optimale Werte eingestellt werden. Allgemein gesagt: Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann überall dort angewendet werden, wo die Parameter eines Reglers in Abhängigkeit irgendeiner physikalischen Größe nach einer bestimmten vorgegebenen Funktion geändert werden sollen. Durch die Genauigkeit dieser Schaltungsanordnung ist es möglich vermehrfachte Regelungssysteme zu realisieren mit der entsprechend hohen Forderungen an den Gleichlauf dei Regelketten.

Die Schaltungsanordnung ist durch die Verwendung von Halbleiterbauelementen sehr zuverlässig und kanr mit relativ geringem Aufwand aufgebaut werden Außerdem ist die Schaltungsanordnung relativ unemp findlich gegen Temperatureinflüsse. Des weiterei können die Funktionen durch relativ einfache Rechnun gen exakt bestimmt werden. Dieser Vorteil ist bei de Optimierung von Regelkreisen zu beachten, wenn ζ. Ε Änderungen an den Parametern und an den Funktion« verlaufen vorgenommen werden müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: ^^

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung des mittleren Widerstandes eines elektronischen Schaltgliedes durch Impulsbreitenmodulation, abhängig von eintr Stcuerspannung, wobei aus der Steuerspannung mittels eines Spannungskomparators und eines Sägezahngenerators ein das elektronische Schaltglied steuerndes impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (Us) über ein aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes (21) und einer Reihenschaltung zweier Widerstände (22. 23) bestehendes Eingangsnetzwerk (10) sowie über ein Glättungsglied (11) dem Eingang des Komparator (40) zugeführt ist, daß an dem Glättungsglied (11) auch ein an einer festen Spannung (Ub) liegender, aus der Parallelschaltung eines Widerstandes (28) und zweier Reihenwiderstände (29, 30) bestehender Impulswandler (15) liegt, und daß die erzeugte Impulsfolge einerseits ein zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände (29. 30) des Impulswandlers (15) und Masse liegendes elektronisches Schaltglied (33) und andererseits invers ein zwischen Masse und den Reihenwiderständen (22, 23) des Eingangsnetzwerkes (10) liegendes elektronisches Schaltglied (14) durch periodisches Schalten steuert, wobei die Widerstände des Eingangsnetzwerkes (10) und die des Impulswandlers (15) derart bemessen sind, daß das Tastzeitverhältnis iJj\der erzeugten

Impulsfolge (13) einer durch die Steuerspannung (Us) vorbestimmten Funktion folgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch 3.S gekennzeichnet, daß das Cilättungsglied (11) als /-Regler ausgebildet ist. der mit dem Komparator (40) und dem Impulswandler (15) einen Regelkreis bildet.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltglieder(14,33) Feldeffekttransistoren verwendet sind, die zusammen mit einem Inverter (55) zu einer integrierten Schaltung (35) zusammengefaßt sind.