DE2120193A1

DE2120193A1 - Digitale Schlupffrequenzregelschaltung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2120193A1
Application number: DE19712120193
Authority: DE
Inventors: Alwin Dipl.-Ing. 2080 Pinneberg; Wirtz Rainer Dipl.-Ing. 7141 Unterriexingen; Domann Helmut 7250 Leonberg Burgholte
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-04-24
Filing date: 1971-04-24
Publication date: 1972-11-16
Also published as: ES402039A1; US3731169A; SE372390B; AT315971B; DE2120193C3; IT957210B; FR2136654A5; JPS555358B1; JPS4740117A; DE2120193B2; GB1374037A

Description

R. 206
22.4.1971 Sk/Sz

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERO? BOSCH CTIBH, Stuttgart

Digitale Schlupffrequenzregelschaltung; für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale Schlupffrequenzregelschaltung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine, mit einem Steuerimpulsgeber zur Ansteuerung des Umrichters, mit einem Schlupffrequenz-Impulsgeber, dessen Frequenz mit Hilfe ,eines Fahrpedals einstellbar ist, mit einem Tachogenerator zur Messung der Drehzahl der Asynchronmaschine, mit einem Zweirichtungszähler, dessen Eingängen die Ausgangsimpulse des Steuerimpulsgebers, des Schlupffrequenz-Impulsgebers und des Tachogenerators zuführbar sind, und mit einem Digital-Analog-Wandler, der zwischen dem Ausgang des Zweirichtungszählers und dem Eingang des Steuerimpulsgebers eingeschaltet ist.

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Eine bereits bekannte Regelschaltung ermöglicht bei umrichtergespeisten Asynchronmaschinen, die -zum Antrieb von batteriebetriebenen Fahrzeugen dienen, eine exakte Regelung der Schlupffrequenz und damit des Drehmomentes. Die Verwendung eines Zweirichtungszählers zum Vergleich der Steuerfrequenz mit der Drehzahl der Asynchronmaschine bringt die bekannten Vorteile digitaler Schaltungen mit sich·: die Frequenzmessung ist genauer als bei der Verwendung von Meßschaltungen in Analog-Schaltungstechnik und die gesamte Schaltung ist wesentlich unempfindlicher gegen eingestreute Störimpulse.

* Da die Ausgangsimpulse des Steuerimpulsgebers, des Schlupffrequenz-Impulsgebers und des Tachogenerators sich teilweise zeitlich überschneiden, muß vor den Zähleingängen des Zweirichtüngszählers eine Schaltung zum Unterdrücken von sich zeitlich überschneidenden (koinzidierenden) Impulsen zweier Impulsfolgen angeordnet werden. Bei der bekannten Regelschaltung sind zum Unterdrücken koinzidierender Impulse fünf monostabile Kippstufen vorgesehen. Für den Aufbau der monostabilen Kippstufen braucht man Kondensatoren, deren Kapazitätswerte eine hohe zeitliche Konstanz und enge Toleranzen aufweisen. Die gesamte Regelschaltung wird dadurch relativ kostspielig. Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Eintreffe fen koinzidierender Impulse an den Zähleingängen des Zweirichtungszählers mit wesentlich kleinerem Schaltungsaufwand zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in besonders einfacher Weise dadurch gelöst, daß eine von einem Taktimpulsgeber gesteuerte Zeitrasterschaltung dem Zweirichtungszähler vorgeschaltet ist.

Die Zeitrasterschaltung läßt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ganz aus integrierten Bausteinen der digitalen Schaltungstechnik aufbauen, wenn jede von drei Baugruppen der

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Zeitrasterschaltung ein D-Flipflop, zwei JK-Flipf lops und drei NAND-Gatter enthält.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schlupfregelschaltung, Fig. 2 einen Schaltplan einer Zeitrasterschaltung, Fig. 2a eine Abwandlung des Schaltplans nach Fig. 2,

Fig. 3 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsund 4- weise der Zeitrasterschaltung,

Fig. 5 einen Schaltplan eines Regelverstärkers,

Fig. 5^a Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des Regelverstärkers nach Fig. 5>

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Steuerimpulsgebers und Fig. 7 einen Schaltplan des Steuerimpulsgebers.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 wird eine Asynchronmaschine aus einer Energiequelle 12 (beispielsweise einer Batterie) über drei Umrichterstuf en 15, 14-, 15 mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeist. Die Asynchronmaschine 11 treibt über eine Antriebswelle 16 und ein Untersetzungsgetriebe 17 ein Fahrzeugrad 18 an. Zur Messung der Drehzahl der Antriebswelle 16 dient ein Impuls-Dreh zahl geber 19, der als Tachogenerator dient.

Die Steuereingänge der Umrichterstufen 13, 14, 15 sind mit den Ausgang eines Steuergenerators 20 verbunden, der einen Spannungssteuereingang 21 und einen Frequenzsteuereingang 22 aufweist. Am Frequenzsteuereingang 22 ist eine Reihenschaltung

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angeschlossen, die in dieser Reihenfolge aus einem Zweirichtungszähler 25, einem Digital-Analog-Wandler 24, einem Regelverstärker 25 und einem Steuerimpulsgeber 5O besteht. Vor dem Rückwärtszähleingang r und dem. "Vorwärtszähleingang ν des Zweirichtungszählers 25 liegt je ein UND-Glied 26 bzw. 27·

Eine Zeitrasterschaltung 40 besteht aus drei Baugruppen 40a, •40b, 40c und wird von einem Taktimpulsgeber 33 angesteuert. Jede Baugruppe weist einen Eingang 44 bzw. 45 bzw. 46 und einen'Ausgang 47 bzw. 48 bzw.. 49 auf. Der Eingang 44 ist mit " dem Ausgang des Steuerimpulsgebers 50 und der Eingang 46 mit dem Impuls-Drehzahlgeber 19 verbunden. An den Eingang 45 ist ein Schlupffrequenz-Impulsgeber 30 angeschlossen, dessen Frequenz mit Hilfe eines Fahrpedals 32 oder beim Bremsbetrieb mit Hilfe eines Bremspedals 31 einstellbar ist.

Der Ausgang 47 ist mit dem ersten Eingang des UND-Glieds 26 und der Ausgang 49 mit dem ersten Eingang des UND-Glieds 27 verbunden. Der Ausgang 48 kann über einen Umschalter 28 mit dem zweiten Eingang des UND-Glieds 26 oder des UND-Glieds 27 verbunden werden. Der Schalter 28 steht in Wirkungsverbindung mit dem Bremspedal 3I·

In Fig. 2 sind die drei-gleich aufgebauten Baugruppen 40a, 40b, 40c sowie der Taktimpulsgeber 33 dargestellt. Im Taktimpulsgeber 33 ist an einen Oszillator 330 ein Schieberegister 331 angeschlossen, das drei Ausgänge aufweist. Mit den drei Ausgängen des Schieberegisters 331 sind die ersten Eingänge dreier UND-Glieder 332, 333, 334 verbunden. Die zweiten Eingänge der UND-Glieder 332, 333, 334 liegen am Ausgang des Oszillators 330.

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In der ersten Baugruppe 40a sind die beiden Eingänge J, K eines JK-Flipf lops 413 mit zwei komplementären Ausgängen Q^,, Q~ eines D-Flipflops 410 verbunden. Als D-Flipflop 410 ist ein weiteres JK-Flipflop 411 vorgesehen, zwischen dessen beiden Eingängen J^ K ein Inverter 412 angeordnet ist. Ein erstes NAND-Gatter ist mit dem zweiten Ausgang Q₂ ^es D-Flipflops 410, mit dem ersten Ausgang Q_x, des JK-Flipflops 413 und mit dem Takteingang T des JK-Flipflops 413 verbunden. In gleicher Weise ist ein zweites NAND-Gatter 415 mit dem ersten Ausgang Q^ des D-Flipflops 410, mit dem zweiten Ausgang Q₂ des JK-Flipflops 413 und mit dem Takteingang T des JK-Flipflops 413 verbunden. Die Ausgänge der beiden NAND-Gatter 414 und 415 sind an Eingänge eines dritten NAND-Gatters 416 angeschlossen, dessen Ausgang gleichzeitig den Ausgang 47 der ersten Baugruppe 40a bildet.

Der Takteingang T des D-Flipflops 410 ist an das erste UND-Glied 332. und der Takteingang T des JK-Flipflops 413 an das zweite UND-Glied 333 angeschlossen. Die Anschlüsse der Takteingänge der zweiten und dritten Baugruppe 40b, 40c ergeben sich aus denen der ersten Baugruppe 40a durch zyklische Vertauschung.

In Fig. 2a ist eine Variante der Schaltung der ersten Baugruppe 40a angegeben. Mit dem Takteingang des JK-Flipflops 413 ist der Ausgang des dritten NAND-Gatters 416 verbunden. Das zweite UND-Glied 333 ist nur mit den dritten Eingängen der beiden NAND-Gatter 414, 415 und nicht mit dem Takteingang des JK-Flipflops 413 verbunden. Das D-Flipflop 410 ist komplizierter aufgebaut als in dem Beispiel nach Fig. 2: vor dem Takteingang des zweiten JK-Flipflops 411 liegen ebenfalls wie beim ersten JK-Flipflop 413 drei NAND-Gatter 414a, 415a, 416a. Im übrigen ist der Schaltungsaufbau und die Funktionsweise gleich wie beim Beispiel nach Fig. 2.

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• Die Impulszüge nach den Fig. 3 und. 4 sind mit Bezugszahlen und einem zusätzlichen Buchstaben gekennzeichnet, Die Bezugszahlen sind dabei gleich wie die der Baugruppe, die den Impulszug abgibt.

Der Regelverstärker nach Fig. 5 enthält als aktives Bauelement einen Operationsverstärker 230, dessen nichtinvertierender Eingang, am Abgriff eines aus zwei Widerständen 235» 236 bestehenden Spannungsteilers liegt..Der invertierende Eingang ist über einen Eingangswiderstand 234 an eine Eingangsklemme " angeschlossen. Im Gegenkopplungspfad des Operationsverstärkers 23O liegen in Reihe zwei Widerstände 231» 232. Parallel zum'zweiten·. Widerstand 232 ist ein Kondensator 235 geschaltet.

In Fig. 5a ist das zeitliche Verhalten der Aus gangs spannung U dargestellt, und zwar für den Fall, daß die Eingangs spannung U zur Zeit t^ einen Sprung macht.

Der Steuerimpulsgeber nach Fig. 6 enthält in dieser Reihenfolge eine Reihenschaltung aus einer Umkehrstufe 51? einem Chopper 52, einem Integrierer 53 und einem Schwellwertschalter 54. Eine Eingangsklemme 56 ist sowohl mit dem Eingang der Umkehrstufe 51 als auch mit einem ersten Schalteingang des Choppers 52 verbunden. Der Ausgang, der Umkehrstufe ist mit dem zweiten Schalteingang des Choppers 52 verbunden. Der Steuereingang des Choppers 52 ist an den Ausgang des Schwellwertschalters 54 angeschlossen.

Der Schaltplan des Steuerimpulsgebers 50 ist iⁿ Fig. 7 dargestellt. Die Umkehrstufe 5I enthält als aktives Bauelement einen Operationsverstärker 510, der über zwei "Versorgungsleitungen 5135 514- von einer Plusleitung 58 und einer Minusleitung 60 mit Spannung versorgt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 510 ist über einen Widerstand 512 auf den

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invertierenden Eingang gegengekoppelt. Der invertierende Eingang ist über einen Eingangswiderstand 511 mit einer Eingangsklemme 56 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 510 liegt an einer Nullpotentialleitung 59· Beim Ausführungsbeispiel liegt die Nullpoteritialleitung 59 auf Null Volt, die Plusleitung 58 auf +5 Volt und die Minusleitung 60 auf -5 Volt.

Der Chopper 52 enthält einen Feldeffekttransistor 520, dessen Drain-Elektrode D über einen Widerstand 521 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 5IO verbunden ist. Die Source-Elektrode S des Feldeffekttransistors 520 ist über einen Widerstand 522 mit der Eingangsklemme 56 verbunden. Die beiden Schalteingänge des Choppers 52 werden von den Widerständen und 522 gebildet, die Gate-Elektrode G bildet den Steuereingang und die Source-Elektrode S bildet den Ausgang des Choppers 52. Eine BuIk-Elektrode B des Feldeffekttransistors 520 ist mit der Minusleitung 60 verbunden.

Der Integrierer 53 enthält einen Operationsverstärkers 530, in dessen Gegenkopplungspfad ein Integrierkondensator 532 angeordnet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 53O ist an den Ausgang des Choppers 52 und der nichtinvertierende Eingang an die Nullpotentialleitung 59 angeschlossen. "Über zwei Versorgungsleitungen 533 > 534- ist der Operationsverstärker 53O mit der Plusleitung 58 und· der Minusleitung 60 verbunden.

Ein Operationsverstärker 54-0 im Schwellwertschalter 54- ist positiv rückgekoppelt über einen Widerstand 54-2, so daß er als Schmitt-Trigger arbeitet. Zwei Versorgungsleitungen 54-3·, ^AA- dienen zum Anschluß des Operationsverstärkers 54-0 an die Plusleitung 58 "und die Minusleitung 60. Der invertierende Hingang des Operationsverstärkers 54-0 liegt an der Nullpo-

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tentialleitung 59 j während der nichtinvertierende Eingang über einen Eingangswiderstand 5^-1 mit dem Ausgang des Integrierers 53 verbünden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 54-0 ist an eine Ausgangsklemme 57 angeschlossen.

Die Funktionsweise des Steuergenerators 20 und der Umrichterstufen 13, 14-, 15 ist bekannt (vgl. z. B. Heumann-Stumpe: .Thyristoren, 1969, Seiten 247-259). Mit Hilfe des Steuergenerators 20 muli sowohl die Frequenz als auch die Spannung der von dön Umrichterstufen erzeugten Wechselspannung gesteuert ) werden. Die vorliegende Erfindung betrifft nur die Steuerung der Frequenz. Daher sind die Stufen, die am Spannungssteuereingang 21 angeschlossen werden können, in Fig. 1 nicht eingezeichnet.

In der folgenden Funktionsbeschreibung ist die Drehzahl der Antriebswelle 16 mit f , die Ausgangsfrequenz des Schlupffrequenz-Impulsgebers 30 mit c · f _o und die Ausgangsfrequenz

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des Steuerimpuls? 5O mit c · f^, bezeichnet. Der Vorfaktor c

ist gleich der, Zahl der Impul-se, die der Impuls-Drehzahlgeber bei einer Umdrehung der Antriebswelle 16 abgibt. Die-' .ser Faktor kann beispielsweise 50 sein. Der Steuergenerator 20 enthält unter anderem einen Frequenzteiler, der die Fre-™ quenz c · f,, auf die Wechselrichterfrequenz herunterteilt.

Die gesamte Regelschaltung hat die Aufgabe, die Steuerfrequenz Iy, dauernd so einzustellen, daß sie gleich der Summe aus der Drehzahl f und der Schlupffrequenz f~ ist, d. h., daß die Gleichung f* = f + f_? erfüllt ist. Diese Gleichung wird dadurch erfüllt, daß die Impulszüge mit den Frequenzen c · f und c · f2 dem Vorwärtszähleingang und der Impulszug mit der Frequenz c · f,. dem Rückwärts zähl eingang des Zweirichtungszählers 25 zugeführt werden.

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Sobald die Gleichung erfüllt ist, werden dem Vorwärtszähleingang ν und dem Rückwärtszähleingang r gleich viel Impulse pro Zeiteinheit zugeführt, so daß der Zweiriohtungszähler 25 seinen Zählerstand beibehält. Der Digital-Analog-Wandler 24 gibt bei konstantem Zählerstand eine konstante Gleichspannung· ab, die über den Regelverstärker 23 dem Eingang des Steuerimpulsgebers 50 zugeführt wird, so daß dessen Ausgangsimpulsfrequenz f^, konstant bleibt. W.enn die Gleichung f^ = f~ + f nicht erfüllt ist, verschiebt sich der Zählerstand des Zweirichtungszählers 25 in positiver oder negativer Richtung und die Ausgangsfrequenz f^ des Steuerimpulsgebers 50 wird in positiver oder negativer Richtung verschoben, bis die Gleichung wieder erfüllt wird.

Zur Beschreibung der Zählvorgänge im Zweirichtungszähler 25 sei zunächst angenommen, daß die Asynchronmaschine 11 aus dem Stillstand heraus angefahren werden soll. Bei Betätigung des Fahrpedals 33 gibt der Schlupffrequenz-Impulsgeber 30 Ausgangsimpulse mit der Frequenz c · fp ab. Diese Frequenz ist proportional zur Auslenkung des Fahrpedals 32. Über die Baugruppe 40b, den Umschalter 28 und das UND-Glied 27 werden diese Impulse dem Vorwärtszähleingang ν des ZweirichtungsZählers 25 zugeführt. Dieser zählt datier von Null ab vorwärts und der Digital-Analog-Vandler 24 gibt an seinen Ausgang eine Gleichspannung ab, deren Größe proportional zum Zählerstand ist. Hit dieser Gleichspannung wird über den Regelverstärker 23 der Steuerimpulsgeber 5° angesteuert. Seine Ausgangsfrequenz ist abhängig vom Zählerstand des ZweirichtungsZählers 25 j wie es weiter unten beschrieben wird. Die Ausgangsimpulse des Steueriapulsgebers 50 werden erstens über die Baugruppe 40a und das UND-Glied 26 dem Rückwärtszähleingang r des Zweirichtungszählers 25 und zweitens dem Steuergenerator 20 zugeführt. Die Asynchronmaschine 11 läuft daher an und der Impuls-Drehzahlgeber 19 gibt Impulse ab, die über die dritte

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Baugruppe 40c und das UND-Glied 27 dem Vorwärts zähl eingang v des ZweirichtungsZählers 25 zugeführt werden. Dieser Zähler hat zunächst schon vorwärts gezählt, weil ihm nur die Ausgangsimpulse des Schlupffrequenz-Impulsgebers 30 zugeführt worden sind. Jetzt werden ihm beim Anlaufen der Asynchronmaschine 11 sowohl die Impuls des Steuerimpulsgebers 50 als auch die Impulse des Impuls-Drehzahlgebers 19 zugeführt. Der Zweirichtungszähler 25 zählt daher immer langsamer weiter vorwärts, bis die Schlupf frequenz in der Asynchronmaschine 11 genau gleich der mit dem Schlupffreqüenz-Impulsgeber JO eingestellten Schlupffrequenz f~ geworden ist. Sobald das erreicht ist, ™ bleibt der Zweirichtungszähler 25 stehen und die Frequenz f^ der Ausgangsimpulse des Steuerimpulsgebers 5° bleibt konstant.

Wenn man jetzt die Drehzahl der Asynchronmaschine 11 wieder verlangsamen will, dann braucht man lediglich das Fahrpedal etwas zurückzunehmen. Die Ausgangsfrequenz c * fp des Schlupffrequenz-Impuls gebers 30 wird dadurch kleiner, so daß im nächsten Augenblick die Summe aus c · f und c · fρ kleiner als c· 'fy. wird. Der Zählerstand des Zweirichtungszählers 25 nimmt daher ab, und die Ausgangsfrequenz f,, des Steuerimpulsgebers 50 wird kleiner. Diese Abnahme von f* setzt sich fort, bis sich in der Asynchronmaschine 11 diejenige Schlupffrequenz eingestellt hat, die mit dem Fahrpedal 32 vorgegeben ist.

Der Umschalter 28 ermöglicht es, die Asynchronmaschine 11 auch als Generator zu betreiben und bei einer Nutzbremsung Energie in die Energiequelle 12 zurückzuliefern. Beim generatorischen Betrieb einer Asynchronmaschine weist die Schlupffrequenz negative Werte auf. Das negative Vorzeichen der Schlupffrequenz wird dadurch berücksichtigt, daß beim Bremsbetrieb die Ausgangsimpulse des Schlupffrequenz-Impulsgeters 30 nicht dem Vorwärtszähleingang v, sondern dem Rückwärts-

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zähleingang r des Zweirichtungszählers 25 zugeführt werden. Der Umschalter 28 wird vom Bremspedal 31 betätigt. Beim Bremsbetrieb wird .auch die Aüsgangsfrequenz c · f ρ des Schlupffrequenz -Impulsgebers 30 von der Stellung des Bremspedals 31 beeinflußt: je stärker das Bremspedal 31 getreten wird, um so größer wird die Schlupffrequenz und damit das Bremsmoment.

Den beiden Zähleingängen r, ν des ZweirichtungsZählers 25 dürfen auf keinen Fall koinzidierende Impulse zugeführt werden, da sonst die Zählsehaltung nicht einwandfrei funktioniert. Zur Vermeidung von Koinzidenzen zwischen Impulsen verschiedener Impulsfolgen dient die Zeurasterschaltung 40, deren Funktionsweise im folgenden anhand der Fig. 2, 3 und 4 erläutert wird.

Die logischen Funktionen der verschiedenen Arten von Flipflops sind bekannt (siehe z. B. : F. Dokter, J. Steinhauer: Digitale Elektronik in der Meßtechnik und Datenverarbeitung, Philips-Fachbücher 1969, Band 1, Seiten 162 ff.). Weiterhin werden im folgenden die Begriffe O-Signal und L-Signal verwendet. An einem Punkt der Schaltung liegt ein L-Signal, wenn dieser Punkt nahezu auf dem Potential der Plusleitung 58 liegt. Von einem O-Signal spricht man, wenn der Punkt auf dem Potential der Masseleitung 60 liegt.

Ein D-Flipflop (z. B. 4-10) besitzt einen Vorbereitungseingang 44, einen Takteingang T und zwei zueinander komplementäre Ausgänge iL· , Q^. Komplementäre Ausgänge geben immer entgegengesetzte Signal ab, d. h., wenn der Ausgang Q/, ein L-Signal abgibt, dann gibt der Ausgang Qp ein O-Signal ab.

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Ein JX-Flipflop (z. B. 4-13) besitzt zwei Vorbereitungseingänge J, E, einen 'Takteingang T und zwei komplementäre Ausgänge Q₁, Q₂.

'Wenn man das Eingangssignal am Vorbereitungseingan g 44 des D-Flipflops 4-10 ändert, dann ändert sich, am Aus gangs signal ) zunächst nichts (siehe Fig. 4-, Zeitpunkt t^). Es· muß zuerst dem Takteingang T ein Taktimpuls zugeführt werden. Am Ende des Taktimpulses wird das Eingangssignal des Vorbereitungseingangs 4-4- auf den Ausgang Q₁ übertragen (siehe t~, %)· Die beiden Vorbereitungseingänge J, K des JK-Flipflops 4-13 werden bei der speziellen Schaltungsanordnung nach Fig. 2 und Fig. 2a mit komplementären Signalen angesteuert. Bei einer Signaländerung an den Vorbereitungseingängen ändert , sich zunächst an den Aus gangssignalen nichts. Nach dem Ende des nächstfolgenden Taktimpulses nehmen die beiden Ausgänge Q₁, Qp die Signale der Vorbereitungseingänge J, K an.

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Die NAND-Gatter 414-, 415, 4-16 geben an ihrem Ausgang nur dann ein O-Signal ab, wenn an allen Eingängen ein L-Signal liegt. Bei allen anderen Kombinationen von Eingangs signal en geben die NAND-Gatter am Ausgang ein L-Signal ab. Umgekehrt geben ■ die UND-Glieder 352, 333, 334 an ihren Ausgängen nur dann ein L-Signal ab, wenn an beiden Eingängen ein L-Signal liegt. Das Schieberegister 331 kann auch, als Ringzähler bezeichnet werden: nach dem ersten Ausgangsimpuls des Oszillators 330 gibt der erste Ausgang des Schieberegisters 331 ein L-Signal ab, nach dem zweiten Aus gangs impuls des Oszillators 330 der zvreite Ausgang und nach dem vierten Ausgangsimpuls wieder der erste Ausgang des Schieberegisters 331·

Nach diesen vorbereitenden Bemerkungen ist die Funktionsweise der Zeitrasterschaltung 4-0 leicht verständlich. In Fig. 3 ist mit 33Oa das Ausgangssignal des Oszillators 330 bezeichnet. 331a» 331b, 331c sind die Ausgangssignale der drei Ausgänge des Schieberegisters 331· Durch die Verknüpfung der UND-Glieder 332, 333, 334 mit dem Ausgang des Oszillators 33^ u^ ^en Ausgängen des Schieberegisters 331 ergeben sich an den Ausgängen der UND-Glieder 332, 333, 334· die Ausgangssignale 332a, 333a, 334a. Diese Ausgangssignale sind zeitlich so gegeneinander versetzt (gerastert), daß sich keine zeitlichen Überlappungen der Ausgangsimpulse von zwei UND-Gliedern ergeben.

In Fig. 4 sind die Ausgangsimpulse des Steuerimpulsgebers 50 (Frequenz c· f^) mit 44a und die Ausgangsimpulse des Schlupffrequenz-Impulsgebers 30 (Frequenz c* fp) mit 45a bezeichnet. Im Zeitpunkt ty, springt das Signal 44a von 0 auf L. Dieser Sprung wird am Ende des nächsten Taktimpulses 332a, also zum Zeitpunkt t~ auf den Ausgang Q,- des D-Flipflops 410 (siehe Impulszug 411a) und am Ende des nächsten Taktimpulses 333a, also zum Zeitpunkt t^ auf den Ausgang (L· des JK-Flipflops 413 " (siehe Impulszug 413a) übertragen. Umgekehrt wird der im

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Zeitpunkt te erfolgende Sprung des Eingangsignals 44a von L auf 0 zur Zeit tg auf den Ausgang des D-Flipflops 410 und zur Zeit tn auf den Ausgang des JK-Flipflops 413 übertragen.

Das dritte NAND-Gatter 416 gibt dann einen Aus gangs impuls 416a ab, wenn an einem seiner beiden Eingänge ein O-Signal liegt. Der Ausgangsimpuls A des dritten NAND-Gatter 416- entsteht dann, wenn das zweite NAND-Gatter 415 ein O-Signal abgibt. Das ist nach einem Sprung des Eingangs signals 44a von 0 auf L der Fall, wenn gleichzeitig am Ausgang Q^ des Flipflops k ein L-Signal (siehe 411a) am Ausgang Qp des JK-Flipflops 413 noch ein L-Signal (siehe 413a) und am Ausgang des zweiten UND_TGlieds 333 ein L-Signal (siehe 333a) liegt.

Der Ausgangsimpuls B des dritten NAND-Gatters 416 kommt dann zustande, wenn nach einem Sprung des Eingangssignals 44a von L auf 0 alle drei Eingänge des ersten NAND-Gatters 414 ein L-Signal erhalten, nämlich vom zweiten Ausgang des D-Flipflops 410 (siehe 411a), vom ersten Ausgang des JK-Flipflops 413 (siehe 413a) und vom zweiten UND-Glied 333 (siehe 333a). Die Bedingungen für das Zustandekommen des Ausgangsimpulses G des dritten NAND-Gatters 416 sind wieder gleich wie. beim Ausgangs imrnils A.

Die erfindungsgemäße Zeitrasterschaltung ist also im wesentlichen dadurch charakterisiert, daß nach einem Sprung des Eingangssignals 44a an der Aus gangs klemme 47 der ersten Baugruppe 40a erst dann ein Impuls abgegeben wird, wenn gleichzeitig das zweite UND-Glied 333 einen Taktimpuls abgibt. Die Taktimpulse 333a und die Aus gangs impulse 416 weisen die gleiche Impulsdauer auf. Während bei der ersten Baugruppe 40a der Takt eingang des D-Flipflops 410 an das erste UND-Glied und der Takteingang des JK-Flipflops 413 an das zweite UND-Glied 333 angeschlossen ist, sind die Anschlüsse der Takteingänge bei der zweiten und dritten Baugruppe 40b, 40c zyklisch

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vertauscht. Bei der zweiten Baugruppe 40b liegt der Takteingang des- D-Flipflops 420 am zweiten UND-Glied 333 und der Takteingang des JK-Flipflops 423 am dritten UND-Glied 334·; bei der dritten Baugruppe 4-Oc ist schließlich der Takteingang des D-Flipflops 4-30 mit dem dritten UND-Glied 334 und der Takteingang des JK-Flipflops 433 mit dem ersten UND-Glied 332 verbunden.

Daher fallen die Ausgangsimpulse der ersten Baugruppe 40a zeitlich mit den Taktimpulsen des zweiten UND-Glieds 333 zusammen: die Ausgangsimpulse der zweiten Baugruppe 40b fallen mit denen des dritten UND-Glieds 334 und die Ausgangsimpulse der dritten Baugruppe 40c mit denen des ersten UND-Glieds 332 zusammen.

Der Fall, daß z\iel Ausgangsimpulse vom Steuerimpuls geber 50 und vom Schlupffrequenz-Impulsgeber 30 koinzidieren, ist in Fig. 4 zum Zeitpunkt tq dargestellt. Diese koinzidierenden Eingangsimpulse ergeben an den Ausgängen 47, 48 der Zeitrasterschaltung 40 nxchtkoinzidxerende Ausgangsimpulse C und F. Damit ist gewährleistet, daß der Zweirichtungszähler 25 alle Impulse der Impulsgeber 50, 30, 19 richtig zählt. Eine exakte Regelung der Schlupffrequenz ist damit ermöglicht.

Die Taktfrequenz des Oszillators 330 sollte zweckmäßig wenigstens zehnmal höher liegen als die höchstmögliche Ausgangsfrequenz eines der Impulsgeber 50, 30, 19· Diese Frequenz wird nämlich vom Schieberegister 331 schon durch drei dividiert, und es sollten wenigstens noch drei Taktimpulse auf einen Impuls eines Impulsgebers kommen.

In Fig. 2a ist eine Variante der Schaltung einer einzelnen Baugruppe der Zeitrasterschaltung 40 dargestellt. Diese Schaltungsvariante soll lediglich zeigen, daß sich die erfindungs-

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gemäße Zeitrasterschaltung durch verschiedene Schaltungsmaßnahmen realisieren läßt. Es ist zum Beispiel auch möglich, in der Schaltung nach Fig. 2 das JK-Flipflop 413 mit den drei vorgeschalteten NAND-Gattern nach Fig. 2a einzusetzen. Die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 2a ist genau gleich wie die der Schaltung nach Fig. 2.

.Als Eegelverstärker 23 (siehe Fig. 1) hat sich am besten ein Operationsverstärker bewährt, dessen Gegenkopplungspfad nach Fig. 5 geschaltet ist. Wenn %m Zeitpunkt t^ die Eingangsspannung U an der Klemme 237 einen Sprung macht, dann wirkt der Kondensator 233 zunächst als Kurzschluß für den Widerstand 232. Als Gegenkopplungswiderstand wirkt daher'zunächst nur der Widerstand 231, so daß die Ausgangsspannung U einen kleinen, unverzögert einsetzenden Proportionalanteil U^ aufweist. Je weiter der Kondensator 233 aufgeladen wird, um so mehr vergrößert sich der effektive Gegenkopplungswiderstand. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 230 nimmt daher stetig zu, bis sie bei vollständig aufgeladenem Kondensator 233 einen oberen Grenzwert ΙΓ~ erreicht.

' An den Steuerimpulsgeber 50 werden bei der beschriebenen Schlupfregelschaltung erhebliche Anforderungen gestellt. ν Seine Ausgangsfrequenz muß sich in Abhängigkeit von einer Eingangsgleichspannung möglichst linear im Verhältnis 1 : 2000 variieren lassen. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die Ausgangsfrequenz zwischen 15 Hz und 30 kHz. Gleichzeitig soll im gesamten Frequenzbereich das Verhältnis von Inpulsdauer zu Pausendauer gleich 1:1 sein. Mit bekannten Oszillatorschaltungen sind diese beiden Forderungen gleichzeitig nur dann zu erfüllen, wenn man einen Oszillator mit mehreren Frequenzbereichen und einer automatischen Bereichsumschaltung vorsieht. Demgegenüber bringt die in den Fig. 6 und 7 darge-

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stellte Schaltung für den Steuerimpulsgeber eine wesentliche Vereinfachung.

Bei der gezeichneten Schalterstellung des Choppers 52, gelangt das Ausgangssignal des Regelverstärkers 23 über die Eingangsklemme 56, die Umkehrstufe 51 und den Chopper 52 zum Integrierer 55· Dieser integriert rückwärts, bis seine Ausgangsspannung die untere Schaltschwelle des Schwellwertschalters 54- unterschreitet. In diesem Augenblick springt die Ausgangsspannung des Schwellwertschalters 54· in. positiver Richtung und der Chopper wird umgeschaltet, so daß das Eingangssignal jetzt ohne Zwischenschaltung der Umkehrstufe 51 zum Integrierer 53 gelangt. Dieser integriert daher aufwärts, bis seine Ausgangsspannung die obere Schaltschwelle des Schwellwertschalters 54- überschreitet. In diesem Zeitpunkt springt das Ausgangspotential des Schwellwertschalters 54- in negativer Richtung und der Chopper 52 wird wieder zurückgestellt.

Die Amplitude der Ausgangsspannung des Integrierers 53 ist durch die Hysterese, d. h. die Potentialdifferenz zwischen der oberen und der unteren Schaltschwelle des Schwellwertschalters 54- bestimmt. Am Ausgang des Schwellwertschalters 54 entstehcn Rechteckimpulse, die über die Verstärkerstufe 55 dem Frequenzsteuereingang 22 des Steuergenerators 20 und dem Eingang 44 der Zeitrasterschaltung 40 zugeführt werden. Die Frequenz der Ausgangsimpulse des Schwellwertschalters 54 hängt davon ab, wie steil die Flanken der vom Integrierer 53 abgegebenen Dreieckimpulse sind. Diese Flankensteilheit wiederum ist abhängig von der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 56. Die Dreiecksimpulse des Integrierers 53 werden dann symmetrisch, wenn die Umkehrstufe 51 genau die Verstärkung ν = -1 aufweist. In diesem Fall ist bei-den Aus-'

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gangsimpulsen des Steuerimpulsgebers 50 das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer genau gleich 1:1.

Im einzelnen wird die Funktionsweise des Steuerimpulsgebers nach Fig. 7 in den folgenden Absätzen beschrieben. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine Minusleitung 60 und eine" Plusleitung 58? ä.ie beim Ausführungsbeispiel eine Spannung von +10.ToIt gegenüber der Masseleitung aufweist. Die Stufen 51ι 55 und 54- enthalten als aktive Bauelemente Operationsverstärker, von denen je ein Eingang an eine gemeinsame NuIl-P potentialleitung 59 angeschlossen ist. Mit.der Nullpotentialleitung 59 wird ein einheitliches Bezugspotential von Null Volt' für alle Stufen erzeugt.

Im Chopper 52 ist je nach-der Ausgangsspannung des Schwellwertschalter^ 5^· der Feldeffekttransistor 520 entweder leitend odex' nichtleitend. Der Widerstand 522 \feist einen genau doppelt so hohen Viderstandswert auf wie der Widerstand 521. Im Ausführungsbeispiel besitzt der Widerstand 521 einen Wert von 10 kn, der Widerstand 522 dagegen einen Wert von 20 kQ. Der Feldeffekttransistor ist ein n-Kanal-Verarmungstyp mit isolierter Gate-Elektrode. Die Drain-Source-Strecke ist gesperrt, wenn an der Gate-Elektrode eine Spannung von -5 Volt liegt und ist leitend, wenn an der Gate-Elektrode eine Spannung von -1-5 Volt liegt.

Bei gesperrtem Feldeffekttransistor 520 liegt demnach die Eingangsspannung des Steuerimpulsgebers über einen Widerstand von 20 kn am Eingang des Integrierers 53, während bei leitendem Feldeffekttransistor 520 außerdem noch die in der Umkehrstufe 51 invertierte Eingangsspannung über einen Widerstand von 10 kn am Eingang des Integrierers 53 liegt. Der Eingangsstrom des Integrierers 53 kehrt daher, wenn der Feldeffekt-

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transistor 520 leitend wird, sein Vorzeichen um und "behält seinen Betrag "bei.

Die Eingangsspannung an der Klemme 56 kann Werte zwischen Null Volt und -5 Volt annehmen. Die Frequenz des Steuerimpulsgebers 50 ist linear abhängig vom Betrag der Eingangsspannung. Es sei nun zum Beispiel angenommen, daß am Ausgang des Schwellwertschalters 54- eine Spannung von +5 Volt liegt und das demzufolge der Feldeffekttransistor leitet. Am Eingang des Integrierers 55 überwiegt dann der invertierte Anteil der Eingangsspannung, d. h., es liegt an ihm eine Spannung zwischen Null und +5 Volt. Da der Eingang des Integrierers 53 identisch mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 530 ist, integriert der Integrierer 53 rückwärts, bis die untere Schaltschwelle des Schwellwertschalters 5^ unterschritten wird, und dessen Ausgangspotential demzufolge auf -5 Volt springt. In diesem Zeitpunkt wird der Feldeffekttransistor 520 gesperrt und am Eingang des Integrierers 53 liegt nur noch die nichtinvertierte Spannung der Klemme 56.

Der Integrierer 53 integriert jetzt aufwärts, bis seine Ausgangsspannung die obere Schaltschwelle des Schwellwertschalters 54· überschreitet. Dieses Spiel wiederholt sich' periodisch mit einer Frequenz, die von der Flankensteilheit der vom Integrierer 53 abgegebenen Dreiecksimpulse abhängt. Diese Flankensteilheit wiederum ist jedoch von der Eingangsspannung an der Klemme 56 bestimmt. Die Amplitude der Dreiecksimpulse des Integrierers 53 ist gegeben durch die Schalthysterese, d. h., die Potentialdifferenz zwischen der oberen und der unteren Schaltschwelle des Schwellwertschalters

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Mit der beschriebenen Schlupfregel'schaltung läßt sich eine optimale Regelung der Frequenz des Steuergenerators 20 erreichen. Die Zeitrasterschaltung 4-0 ist ganz aus integrierten Bausteinen der digitalen Schaltungstechnik aufgebaut und daher billig in der Herstellung und unempfindlich gegen eingestreute Störimpulse, die bei Thyristor-Umrichterstufen kaum zu vermeiden sind. Der Regelverstärker 23 weist einen kleinen, unverzögert einsetzenden Proportionalanteil und einen größeren, ' verzögert einsetzenden Proportionalanteil seiner Regelcharakteristik auf. Dadurch werden kurzzeitige Schwankungen des Zählerstandes des Zweirichtüngszählers 25 wei tgehend unter-" ' drückt"und trotzdem eine gute dynamische Stabilität des Frequenzregelkreises erreicht.

In dem Schlupffrequenz-Regelkreis wirkt der Zweirichtungszählers 25 als Integrierglied, da er bei seinem Zählerstand bleibt, wenn seinen beiden Zähleingängen gleichviel Impulse pro Zeiteinheit zugeführt werden und seinen Zählerstand nur ändert, wenn einem Eingang ein Überschuß an Impulsen zugeführt wird. Da der Regelkreis ein Integrierglied enthält, sind bleibende Regelabweichungen der Schlupffrequenz infolge von Belastungsänderungen der Asynchronmaschine 11 unmöglich.

| Weiterhin ist der Steuerimpulsgeber nach Fig. -6 und Fig. 7 in der lage, das gesamte, für den Betrieb der Asynchronmaschine 11 erforderliche FrequenzSpektrum von 15 Hz bis 30 kHz ohne Bereichsumschaltung mit konstantem Tastverhältnis 1 : 1 zu liefern. Die Anwendung der Schaltung nach Fig. 7 ist nicht beschränkt auf Impulsgeber für Regelschaltungen zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen. Diese Schaltung eines Rechteckimpuls generators kann vielmehr überall angewendet werden, wo es auf einen extrem weiten Variationsbereich der Ausgangsfrequenz ankommt. Eine Veränderung des Tastverhältnisses, wie

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sie für andere Anwendungsfälle notwendig werden kann, ist einfach dadurch möglich, daß man den Gegenkopplungswiderstand in der Umkehrstufe 51 als veränderbaren Widerstand ausführt. Dadurch wird nämlich die Ausgangs-Dreiecksspannung des Integrierers 53 unsymmetrisch und bei den Ausgangsimpulsen des Schwellwertschalters 54- ist das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer nicht mehr gleich 1:1.

Ebenso ist die Anwendung der beschriebenen Zeitrasterschaltung 4-0 nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es ist z. B. ohne weiters möglich, im Taktimpulsgober 33,ein Schieberegister mit zehn Ausgängen einzubauen und zehn UND-Glieder vorzusehen. Dann kann auch die Zeitrasterschaltung 4-0 zehn verschiedene, gleich aufgebaute Baugruppen aufweisen und zur Vermeidung von Koinzidenzen von zehn verschiedenen Impulsfolgen dienen.

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Claims

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Ansprüche

fl.J Digitale Schlupffrequenzregelschaltung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine,· mit einem Steuerimpuls geber zur Ansteuerung des Umrichters, mit einem Schlupffrequenz-Impulsgeber, dessen Frequenz mit Hilfe eines Fahrpedals einstellbar ist, mit einem Tachogenerator zur Messung der

»Drehzahl der Asynchronmaschine, mit einem Zweirichtungszähler, dessen Eingängen die Ausgangsimpulse des Steuerimpulsgebers, des Schlupffrequenz-Impulsgebers und des Tachogenerators zuführbar sind, und mit einem Digital-Analog-Wandler, der zwischen dem Ausgang des Zweirichtungszählers und dem Eingang des Steuerimpulsgebers eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem Taktimpulsgeber (33) gesteuerte Zeitrasterschaltung (40) dem Zweirichtungszähler (25) vorgeschaltet ist.

™ 2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitrasterschaltung (40) aus drei Baugruppen besteht, daß die erste Baugruppe (40a) zwischen dem Ausgang des Steuerimpulsgebers (50) und dem Rückwärtszähleingang (r) des Zweirichfcungszählers (25) liegt, daß die dritte Baugruppe (40c)"zwischen einem als Tachogenerator (19) dienenden Impuls-Drehzahlgeber und dem Vorwärtszähleingang (v) des.Zweirichüungszäh-

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lers (25) liegt, daß die zweite Baugruppe (40b) an den Schlupffrequenz-Impulsgeber (30) angeschlossen ist und daß der Ausgang (48) der zweiten Baugruppe (40b) über einen Umschalter (28) an einen der Zähleingänge (v, r) des Zweirichtungszählers (25) anschließbar ist.

3. Regelschaltung nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Baugruppen (40a, 40b, 40c) ein D-Flipflop (410, 420, 430), ein JK-Flipflop (413, 423, 433) und drei NAND-Gatter (414 bis 416, 424 bis 426, 434 bis 436) enthält.

4. Regelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge (J, K) des JK-Flipflops (413) mit den zueinander- komplementären Ausgängen (Q_x,, Q~) des Flipflops verbunden sind.

5· Regelschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Eingänge des ersten NAND-Gatters (414) mit dem zweiten Ausgang (Q₂) des D-Flipflops (411) sowie mit dem ersten Ausgang (Q,,) und mit dem Takteingang (T) des JK-Flipflops (413) verbunden sind.

6. Regelschaltang nach einem der Ansprüche 3 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Eingänge des zweiten NAND-

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Gatters (415) mit dem ersten Ausgang (CL) des D-Flipflops soitfie mit dem zweiten Ausgang (Q₂) und dem Takteingang (T) des JK-Flipflops verbunden sind.

7· Regelschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge des dritten NAND-Gatters (416) mit den'Ausgängen des ersten und des zweiten NAND-Gatters (414, 415) verbunden sind und daß der Ausgang des dritten NAND-Gatters (416) den Ausgang (47) der ersten Baugruppe (40a) bildet.

8. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7? dadurch gekennzeichnet, daß- der Taktimpulsgeber (33) ausgangssei tig drei UND-Glieder (332, 333, 334) enthält, die drei Taktimpulsfolgen (-352a, 333a, 334a) abgeben, wobei die drei Taktimpulsfolgen die gleiche Frequenz und gegeneinander eine konstante Phasenverschiebung aufweisen und wobei sich Impulse zweier Taktimpulsfolgen gegenseitig nicht überlappen.

9. Regelschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der ersten Baugruppe (40a) der Takteingang (T) des D-Flipflops (410) an das erste UND-Glied (332) und der Takteingang (T) des JK-Flipflops (413) an das zweite UND-Glied (333) angeschlossen ist, daß bei der zweiten

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Baugruppe (40b) der Takteingang (T) des D-Flipflopa (420) an das zweite UND-Glied (333) und der Takteingang (T) des JK-Flipflops (423) an das dritte UND-Glied (334) ange- " schlossen ist und daß bei der dritten Baugruppe (40c) der Takteingang (T) des D-Flipflops an das dritte UND-Glied (334) und der Takteingang (T) des JK-Flipflops (433) an das erste UND-Glied (332) angeschlossen ist.

10. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 9? dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Zähleingängen (r, v) des Zweirichtungszählers (25) UND-Glieder vorgeschaltet sind.

11. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die D-Flipflops (410, 420, 430) als JK-Flipflops (411, 421, 431) ausgebildet sind, zwischen deren Eingängen (J, K) Inverter (412, 422, 432) liegen.

12. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelverstärker (23) ein Operationsverstärker (230) vorgesehen ist, der zwei in Reihe geschaltete Gegenkopplungswiderstände (231, 232) aufweist, und daß parallel zu einem (232) der Gegenkopplungswiderstände ein Kondensator (233) geschaltet ist.

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13. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerimpulsgeber aus einer Reihenschaltung besteht, die in dieser Reihenfolge eine Umkehrstufe (51) > einen Chopper (52), einen Integrierer (53) und ,einen Schwellwertschalter (5^0 enthält.

14. Regelschaltung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, " daß ein erster Schalteingang des Choppers (52) mit der ISingangsklemme (56) des Steuerimpulsgebers (50) und ein zweiter Schalteingang des Choppers (52) mit dem Ausgang der Umkehrstufe (51) verbunden ist und daß ein Steuer- *eingang des Choppers (52) an den Ausgang des Schwellwertschalters (54·) angeschlossen ist.

15. Regelschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Chopper (52) der erste Schalteingang über einen Widerstand (52)) und der zweite Schalteingang über die Reihenschaltung eines Widerstandes (?21) und eines Feldeffekttransistors (53O) mit dem Chopperausgang verbunden sind, daß der Widerstand (522) einen doppelt so großen Widerstandswert wie der Widerstand (521) aufweist und daß die Gate-Elektrode (G) als Steuereingang des Choppers (52) verwendet ist.

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