DE2254424A1 - Digitale schlupffrequenzregelschaltung fuer eine asynchronmaschine - Google Patents

Description

R. 119 0

12,10.1972 Sk/Mn

Anlage zur Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GM3H, Stuttgart

Digitale Schlupffrequenzregelscha.ltung für eine Asynchronmaschine .

Die Erfindung betrifft eine digitale Schlupffrequenzregelschaltung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine, mit einem Steuergenerator zur Ansteuerung des Umrichters₂ mit einem Schlupffrequenz-Impulsgeber, dessen Frequenz mit Hilfe eines Fahrpedals einstellbar.ist, und mit einem Tachogenerator zur Messung der Drehzahl der Asynchronmaschine„

Es ist bereits eine derartige Schlupffrequenzregelschaltung bekannt geworden, bei welcher die geregelte Ständerfrequenz dem Steuergenerator aus einem Steuerimpulsgeber^augeführt wird. Dem Steuerimpulsgeber ist bei der bekannten Schaltung ein Zweirichtungszähler über einen Digital-Änalog-Wandler

A09819/0590

' ² ' I 1 9 r

vorgeschaltet. Dem Zweirichtungszähler werden eingangsseitig drei Frequenzen zugeführt: die gewünschte Schlupffrequenz, die Ausgangs frequenz des Steuerimpulsgebers (Ständerfrequenz) und eine Frequenz, die zur Läuferdrehzahl der Asynchronmaschine proportional ist.

Die bekannte Schlupffrequenzregelschaltung enthält also einen Phasenregelkreis (Phase Locked Loop). Beim Phasenregelkreis ist die Ausgangs frequenz des Steuerimpulsgebers (ausgebildet als spannungsgesteuerter Oszillator) vollständig gleichförmig, während die Summe bzvi. Differenz der drei Eingangsfrequenzen noch eine gewisse Ungleichförmigkeit aufweist. Der Phasenregelkreis ermöglicht deshalb eine besonders präzise Regelung der Ständerfrequenz, wobei keinerlei Phasenmodulation der Ständerfrequenz auftritt. Diese Vorteile werden allerdings mit dem relativ hohen Schaltungsaufwand des Phasenregelkreises erkauft.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfacher aufgebaute Schlupffrequenzregelschaltung zu schaffen, die ebonfalls eine Regelung der Ständerfrequenz in Abhängigkeit von einer gewünschten Schlupffrequenz ermöglicht, ohne daß deshalb der hohe Schaltungsaufwand eines Phasenregelkreises erforderlich wäre. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Steuergenerator eine Impulsaddierstufe vorgeschaltet ist und daß die Ausgänge des Tachogenerators und des Schlupffrequenz-Impulsgebers über eine Zeitrasterschaltung an die Eingänge der Impulsaddierstufe angeschlossen sind. Gegenüber der bekannten Schlupffrequenzregelschaltung werden also der Zweirichtungszähler, der Digital-Analog Wandler und der spannungsgesteuerte Oszillator eingespart. In der Impulsaddierstufe werden die zur Läuferdrehzahl proportionale Frequenz und die gewünschte Schlupffrequenz direkt zueinander addiert. Die Ausgangs frequenz der Impulsaddierstufe weist geringfügige Ungleichförmigkeiten auf, da immer wieder Impulse der

409819/0590 ₃

" ³ " 119

Schlupffrequenz zwischen Impulse der zur Lauferdrehzahl proportionalen Frequenz eingeschaltet werden. Es hat sich •jedoch bei praktischen Versuchen gezeigt, daß die dadurch gedingte Phasrenmodulation der Ständerfrequenz nur vernachlässigbar kleine Fluktuation der Läuferdrehzahl oder des Drehmomentes hervorruft„ wenn zur Ermittlung der Läuferdrehzahl ein Impuls-Drehzahlgeber verwendet wird_s der bei jeder Läuferumdrehung mehrere Ausgangsimpulse abgibt. Der Einsatz derartiger Drehzahlgeber bereitet keine Schwierigkeiten; es.sind schon Drehzahlgeber bekannt_s die bei einer Umdrehung z.B. 100 Impulse abgeben.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schlupffrequenzregelschaltungj

Fig. 2 a einen Schaltplan einer Zeitrasterschaltung und einer Impulsaddierstufe,,

Fig. 2b eine Schaltungseinzelheit und · -

Pig."3 Impulsdiagramme sur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach FIg₀ 2a„ - "

Im Blockschaltbild nach Fig₀ 1 wird eine Asynchronmaschine 11 aus einer. Energiequelle 12 (beispielsweise einer Batterie) über drei Umrichterstufen ISpl^slS mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeist«. Die Asynchronmaschine 11 treibt über -eine · Antriebswelle"16 und ein Untersetzungsgetriebe 1? ein Fahrzeugrad 18 an. Zur Messung der Drehzahl'der Antriebswelle 16 dient ein Impuls~Ds?ehsahl.geber 19 _s der als Tachogenerator vorgesehen ist..· ' ■ ■ .

- ^k - I ί 9 O

Die Steuereingänge der Umrichterstufen 13,1^,15 sind mit c"em Ausgang eines Steuergenerators 20 verbunden, der einen Sparmungssteuereingang 201 und einen Prequenzsteuereingang 202 aufweist. Dem Frequenzsteuereingang 202 ist ein Frequenzteiler 21 vorgeschaltet. Der Frequenzteiler 21 ist mit seinem Eingang an den Ausgang einer Impulsaddierstufe 22 ange-?' schlossen, die im Blockschaltbild nach Fig. 1 symbolisch durch ein ODER-Gatter dargestellt ist. Die Ausgänge zweier Zeitrasterstufen 2^4,25 sind zu Eingängen der Impuls addierstufe 22 geführt.

Der ersten Zeitrasterstufe 2k ist ein Schlupffrequenz-Impulageber 23 vorgeschaltet, der eine Frequenz f21 abgibt. Der zweiten Zeitrasterstufe 25 wird eine Ausgangsfrequenz f3'l des Impuls-Drehzahlgebers 19 zugeführt. Die beiden Zeitrasterstufen 2*1,25 werden von einem Taktimpulsgeber 26 mit Takt .Frequenzen fO2,fO3 versorgt.

Das Fahrzeug, das von der Asynchronmaschine 11 angetrieben

wird, ve ι fügt über ein Fahrpedal 27 und ein Bremspedal

29, Mit ΊίIfe des Fahrpedals 27 kann die Ausgangsfrequenz f21 des Schlupffrequenz-Impulsgebers 22 verändert werden, wie es in Piß. 1 τη it einer unterbrochenen Linie-28 angedeutet ist Die Asynchronmaschine 11 kann beim Ausführungs-

beispiel nach Fig. 1 nicht nur zum Antrieb sondern auch

zur N ut 7: b 1 = rr.3 im g ie 3 Fahr ze u gs ve rwendet werden. Deshalb

weist die Impulsaddierstufe 22 noch einen zusätzlichen Eingang 2 2¹Q auf, eier zum Umschalten von Addition auf Subtraktion client. Beim Bremsbetrieb der Asynchronmaschine 11 inuß nämlich die Schlupffrequenz f21 von der Läuferdrehzahl

f31 abgesof-ej ::. werden, damit man die gewünschte Ständer-

frequen:;;:. Γ1 ;. Thalt, Das Bremspedal 29 dient deshalb zur

Stei lerunc 'Urs zus.St ζ liehen Eii !ganges 220; dies ist in Fig.

in j. t s i η c'::" · , ι ■ t e r b r ο e h e η e η L i η i e 3 0 dargestel 11.

0 3 8 1 9/0 5 9 0

" ⁵ " 119 0

Bei der Nutzbremsung hängt das Bremsmoment ebenfalls von der .Schlupffrequenz f21 ab. Deshalb kann die Frequenz des Schlupffrequenz-Impulsgebers 23 auch vom Bremspedal 29 aus beeinflußt werden, wie es in Fig. 1 durch eine unterbrochene Linie 31 dargestellt ist. * -

In Fig. 1 ist mit c ein Proportionalitätsfaktor bezeichnet, der angibt, wieviele Impulse der Impuls-Drehzahlgeber 19 bei einer Umdrehung des Läufers der Asynchronmaschine 11 abgibt. Wenn die Läuferdrehzahl mit f3 bezeichnet wird, dann gibt der Impuls-Drehzahlgeber 19 eine Frequenz f31 - cf 3 ab. Ebenso ist die Ausgangsfrequenz f21 des Schlupffrequenz-Impulsgebers gleich dem c-Fachen der gewünschten Schlupffrequenz f2. Die Impulsaddierstufe 22· gibt eine Frequenz fll ab, die beim Betrieb der Asynchronmaschine 11 als Antriebsmotor gleich der Summe der beiden Eingangsfrequenzen und damit gleich cfl ist, wo mit fl die Standerfrequenz bezeichnet ist. Der Frequenzteiler 21, der in bekannter Weise aufgebaut ist, teilt die Frequenz fll durch c und gibt dann an seinem Ausgang die Ständerfrequenz fl ab, die dem Steuergenerator 20 zugeführt wird.

Die Schaltungsanordnung mit den Umrichterstufen-13^1^_S15 und dem Steuergenerator 20, die zur Versorgung der Asynchronmaschine 11 mit einer veränderbaren Standerfrequenz fl dient, ist bekannt (vergleiche z.B. Heumann-Stumpe-Thyristoren, 1969, Seiten 247 bis 259). Auch die Steuerung der Spannung der von den Umrichterstufen erzeugten Wechselspannung über den Spannungssteuereingang 201 ist bekannt und wird deshalb hier nicht nochmals beschrieben.

Wenn die Asynchronmaschine 11. als Antriebsmotor verwendet wird, dann liegt die Standerfrequenz höher als die Läuferdrehzahl. Es gilt deshalb folgende Bestimmungsgleichung für die einzelnen Frequenzen:

409819/0590 - 6 -

fl = f3 + f2.

Die Ständerfrequenz ist gleich der Summe aus der Läuferdrehzahl und der Schlupffrequenz. Die Frequenz f3 ist dabei definiert als die mechanische Umdrehungsfrequenz des Läufers dividiert durch die Polpaarzahl des Ständers. Die oben angeführte Gleichung gilt also ohne Einführung eines weiteren konstanten Faktors, wenn die Polpaarzahl gleich 1 ist.

Umgekehrt muß beim Bremsbetrieb der Asynchronmaschine die Ständerfrequenz niedriger als die Läuferdrehzahl f3 sein. Es gilt dann die Gleichung: fl = f3 - f'2. Das von der Asynchronmaschine 11 abgegebene Drehmoment ist sowohl im Motorbetrieb als auch im Bremsbetrieb umso größer, je größer die vom Schlupffrequenz-Impulsgeber 23 abgegebene gewünschte Schlupffrequenz ist. Mit der Schaltung nach Fig. 1 kann man deshalb erreichen, daß ähnlich wie bei einem durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeug das Drehmoment und damit die Beschleunigung abhängig von der Stellung des Fahrped&ls 27 ist.

Die Zeitrasterschaltung mit den Stufen 2k und 25 dient dazu, einander überlappende Impulse der beiden Frequenzen Γ21 und f31 zeitlich voneinander zu trennen, d.h. die beiden Frequenzen f21,f31 jeweils in ein bestimmtes Zeitraster zu bringen. Die Impulsaddierstufe 22 dient dazu, die beiden Frequenzen f31 und f21 zueinander zu addieren oder voneinander zu subtrahieren, je nachdem, welche der beiden oben angeführten Gleichungen erfüllt werden soll.

Der Schaltplan der Stufen 24,25,26 und 22 wird nachstehend anhand der Fig. 2a beschrieben. Der Taktimpulsgeber 26 enthält eingangsseitig eine Oszillatorschaltung, die aus einem invertierenden Schmitt-Trigger 26l, einem Gegenkopplungswi-

409919/0590

·— 7 -»

- 7 - I t 9 ο

derstand 262 und einem Kondensator .263 besteht. Der Gegenkopplungswider st and 262 liegt dabei zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Schmitt-Triggers 26l_s der eine Signalumkehr bewirkt. Der Kondensator 263 führt vom Eingang des Schmitt-Triggers 261 nach Masse. An den Ausgang des Schmitt-Triggers 261 ist der Takteingang T eines JK-Flipflops 26¹I angeschlossen.

In der folgenden Beschreibung werden die in der digitalen Schaltungstechnik gebräuchlichen Begriffe O-Signal und L-Signal verwendet. Von einem L-Signal spricht man_s wenn ein Punkt auf Pluspotential liegt ι umgekehrt liegt ein O-Signal vor, wenn der Punkt auf Minuspotential liegt.

Das JK-Plipflop 264 weist zwei zueinander^ komplementäre Ausgänge Q1,Q2 aufο Komplementär bedeutet in diesem Zusammenhang^ daß der Ausgang Ql ein L-Signal abgibt_s wenn am Ausgang Q2 ein O-Signal liegt und umgekehrt» Beim JK-Plipflop 264 ist der erste Ausgang Ql mit dem Eingang'K und der zweite Ausgang Q2 mit dem Eingang J verbunden. Zwei UND-Gatter.265»266 sind jeweils mit ihrem ersten Eingang an den Ausgang des Schmitt-Triggers 261 angeschlossen» Die zweiten Eingänge der UND-Gatter 265₃256 liegen an den Ausgängen Q2 bzw, Ql des JK-Flip^J flops 264. Die UND-Gatter 265_S266 geben die Taktfrequenzen fO2 und fO3 für die beiden Zeitrasterstufen 24,25 ab»·

Die erste Zeitrastersfcufe 2M- enthält ein D-Flipflop 241 und ein JK-Plipflop 242* Das D-Flipflop 241 ist mit seinem Yor_r " bereitungseingang D an den Sehlupffrequenz-Impulsgeber 23 und 3iit seinem Takteingang T an das UND-Gatter 265 angeschlossen. Die Ausgänge Ql₃-QS des D-Flipflops ■ 2Hl liegen-an den Eingängen J bzw. K des JK-Flipflops 242. Ein. NAND-Gatter 243 ist unit-seinen drei Eingängen .an den Ausgang Q2 des D-Flipflops 24I₉ an den Ausgang Ql des JK=FUpflops 241 und an den Aus-"gang des MB» Gatt ©rs 265 angeschlossen ο Der Takteiragang des

JK-Flipflops 2*12 liegt ebenfalls am Ausgang des UND-Gatters 265. Das NAND-Gatter 243 bildet den Ausgang dor ersten Zeitrasterstufe 24.

Die zweite Zeitrasterstufo 25 enthält im wesentlichen die gleichen Baugruppen wie die erste Zeitrasterstufe 24. Da die Bezugs zahlen der entsprechenden Baugruppen gegenüber der ersten Zeitrasterstufe jeweils um 10 erhöht sind, kann auf eine nochmalige Beschreibung der Schaltungsanordnung verzichtet werden. Bei der zweiten Zeitrasterstufe 25 ist zusätzlich noch ein NAND-Gatter 254 vorgesehen, dessen drei Eingänge mit dem Ausgang Q2 des JK-Flipflops 252, mit dem Ausgang Ql des D-Flipflops 251 und mit dem Ausgang des UND-Gatters 266 verbunden sind. Den beiden NAND-Gattern 253, 25^ ist ein drittes NAND-Gatter 255 nachgeschaltet, das den Ausgang der zweiten Zeitrasterstufe 25 bildet.

In Fig. 2a ist außerdem das Bremspedal 29 nochmals eingezeichnet. Es betätigt einen Schalter 32, der eine Plusleitung 33 mit dem zusätzlichen Eingang 220 der Impulsaddierstufe 22 verbindet. Wie schon oben erwähnt, dient der zusätzliche Eingang 220 zum Umschalten von Addition auf Subtraktion. Zwischen dem Eingang 220 und Masse liegt ein Widerstand 3¹J. Am Eingang 220 liegt deshalb während des Fährbetriebs ein 0-Signal und beim Bremsen ein L-Signal.

In der Impulsaddierstufe 22 ist ein NOR-Gatter 226 vorgesehen, dessen Eingänge mit dem Ausgang des NAND-Gatters 243 und mit der Eingangsklemme 220 verbunden sind. Ein NOR-Gatter 222 liegt mit seinen Eingängen an den Ausgängen des NAND-Gatters 255 und des NOR-Gatters 226. Ein erster Eingang eines NOR-Gatters 225 ist mit dem Ausgang des NAND-Gatters 24 verbunden, während der zweite Eingang über eine Umkehrstufe 224 an die Eingangsklemme 220 angeschlossen ist. Ein JK-Flipflop 221 ist mit seinem Eingang J über eine Umkehrstufe 223 an den Ausgang des NOR-Gatters 222 und mit ihrem Eingang

409819/0590

- 9 - ■ 1 1 9 O

K an den Ausgang des NOR-Gatters 225 'angeschlossen. Der Takteingang T des JK-Flipflops 221 liegt am Ausgang eines NAND-Gatters 227, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des NOR-Gatters 222 und dessen zweiter Eingang über eine Umkehrstufe 228 mit dem Ausgang des NOR-Gatters 225 in Verbindung steht. Den Ausgang der Impulsaddierstufe 22 bildet ein UND-Gatter 229, dessen Eingänge an die Ausgänge der Umkehrstufe 223 und des JK-Flipflops 221 angeschlossen sind. Beim JK-Flipflop 221 wird dabei der zweite Ausgang Q2 zur Steuerung des UND-Gatters 229 verwendet. Das UND-Gatter 229 gibt an seinem Ausgang die Frequenz fll ab, die gleich dem c-Fachen der Ständerfrequenz fl ist.

In Fig. 2b ist dargestellt, wie man durch geeignete Beschaltung aus einem JK-Flipflop ein D-Flipflop erzeugt. Zwischen den beiden Eingängen J,K des JK-Flipflops liegt, dabei eine Umkehrstufe. Der Eingang J des JK-Flipflops kann dann als Eingang D eines D-Flipflops betrachtet werden. 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 I969, Band 1, Seiten 162 und folgende).

Der Schaltzustand eines Flipflops ändert sich erst dann, wenn am Takteingang T ein Impuls eintrifft.An der Schaltung nach Fig. 2a sind nur solche Flipflops verwendet, die bei der Rückflanke, d.h. beim übergang von L auf 0, umschalten. Ein D-Flipflop gibt das an seinem Eingang D liegende Signal bei der Rückflanke des nächstfolgenden Taktimpulses an den Ausgang Ql tveiter. Beim JK-Flipflop sind die Verhältnisse komplizierter. Wird das JK-Flipflop mit komplementären Signalen angesteuert (wie z.B. in Fig. 2b), dann wird wie beim D-Flipflop die Information bei der Rückflanke des nachfolgenden Taktimpulses auf die Ausgänge übertragen. Die in der Schaltung nach Fig. 2a verwendeten JK-Flipflops geben dabei ein L-Signal auf den Ausgang Ql weiter, wenn am Eingang J ein O-Signal und am Eingang K ein L-Signal liegt. Liegen

409819/0590 -.-■-■■ 6AD ORfGlNAl,- 10 -

" ^J0 " 119 0

an beiden Eingängen J,K des JK-Flipflops O-Signale, dann kann sich der Schaltzustand des Flipflops bei allen nachfolgenden Taktimpulsen nicht mehr ändern; der Ausgang Ql behält ein O-Signal bei. Liegen dagegen an beiden Eingängen J₁K eines JK-Flipflops L-Signale, dann arbeitet das JK-Flipflop als einstufiger Frequenzteiler, d.h. die Ausgangssignale kehren sich bei jedem folgenden Taktimpuls immer in die entgegengesetzte Lage um.

Nach diesen einleitenden Bemerkungen kann die Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 2a anhand der Impulsdiagramme der Fig. 3 erläutert werden. In Fig. 3 sind die Taktfrequenzen fO2,fO3 und die Eingangsfrequenzen f31 und f21 der Zeitrasterstufen 2M,25 als Impulsdiagramme dargestellt. Weitere Ausgangsfrequenzen verschiedener Baugruppen 3ind in Fig. 3 jeweils mit f und der Bezugszahl der zugehörigen Baugruppe bezeichnet. Im unteren Teil der Figur 3 tragen die Bezugszeichen der verschiedenen ImpulszUge noch die zusätzlichen Kennbuchstaben A bzw. B. Der Kennbuchstabe A bezieht sich dabei auf den Betrieb der Asynchronmaschine Il als Antriebsmotor, während durch B der Bremsbetrieb bezeichnet ist.

Der Schmitt-Trigger 261 im Taktimpulsgeber 26 gibt an seinem Ausgang ein L-Signal ab, wenn die Eingangsspannung unterhalb seiner Schaltschwelle liegt. In diesem Fall wird der Kondensator 263 über den Widerstand 262 aufgeladen, bis die Schaltschwelle überschritten wird und der Schmitt-Trigger 26l ein O-Signal abgibt, das zur Entladung des Kondensators 263 führt. Der Schmitt-Trigger 261 gibt deshalb Grundtaktimpulse der Frequenz fO ab. Die Frequenz fO ist dabei durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes 262,263 bestimmt. Das JK-Flipflop 264 wird bei der Rückflanke jedes Taktimpulses der Frequenz fO in seinen entgegengesetzten Schaltzustand gekippt, weil die Ausgänge jeweils mit den dazu komplementären Eingängen gekuppelt sind. Wie oben erwähnt, könnte man ebenso

409819/0590 - 11 -

gut beide Eingänge J₉K auf L-Signal legen. Bei jedem Grundtaktimpuls fO gibt eines der UND-Gatter 265,266 ein E-Signal ' ab. Man sieht dies in Fig. 3. Die beiden Taktfrequenzen fO2, f03 haben die halbe Frequenz der Grundtaktfrequenz fO und. sind gegeneinander zeitlich um eine halbe Periodendauer versetzt. ·

In Fig. 3 ist angenommen«, daß die Läuferfrequeriz f31 wesentlich größer als die Schlupffrequenz f21 ist. Die Impulse der Lauferfrequenz f31 werden mit dem nächstfolgenden Taktimpuls fO3 auf den Ausgang des D-Flipflops 251 und mit dem übernächsten Taktimpuls fO3 unter Vorzeichenumkehr '^: auf den ersten Ausgang Ql des JK-Flipflops 252 übertragen. Dies i.st in Fig. 3 mit den Impulszügen f251 und f252 dargestellt. Das NAND-Gatter 253 gibt nur dann ein O-Ausgangsimpuls ab, wenn an allen Eingängen L-Signale liegen. In Fig. 3 ist dies mit dem Impulszug f2"53 verdeutlicht. Das. NAND-Gatter- 253 gibt also beim übernächsten Taktimpuls fO3 nach dem Beginn eines Impulses f31 einen O-Impuls,ab.

Um die Ausgangsfrequenz der zweiten Zeitrasterstufe 25 zn erhöhen, ist das zusätzliche NAND-Gatter 25*1 vorgesehen^ das die Rückflanke der Läuferdrehzahl-Inroulse f31'ausnützt. Das NAND-Gatter 25^1 gibt beim zweiten Taktimpuls fO3 nach dem Ende eines Impulses' f 31 einen O-Impuls" ab „ Das. dritte ■. MMD-Gatter 255 addiert die Impulsfolgefrequenzen f253 und ""

und gibt äquidistante Ausgangsimpulse f255 ab₃ deren efrequeag doppelt so hoch wie die Frequenz f31 ist» Di® Ausgangsimpulse f255 liegen dabei im Zeitraster f03o

Ij: der ersten Zeitrasterstufe 2H isfc nur ein, NAND-Gatter 243 vorgesehen ο Dieses ^©rarbeitet nur die Vorderflanke i@2* Impulse f2i und gibt Ausgangsimpulse Γ243 ab_s' die im 2sitoaster fO2 liegen₀ "Im übrigen ist-die Schaltungs-SJHoMnung und die Funktionsweise der ers-ten Zeitraster- iiufe 2H gleich wie die üer -Zeitr>asterstufe 25» Bei der

if. (Ri © Θ 'A

erster Zeitrasterstufe 2H können zwei NAND-Gatter, die den Gattern 25¹J und 255 der zweiten Zeitrasterstufe entsprechen, eingespart werden, weil die Frequenz f21 durch geeignete Dimensionierung des Schlupffrequenz-Impulsgebers 23 genügend hoch gewählt werden kann.

Nachdem jetzt die Aufbereitung der Frequenzen f31 und f21 beschrieben ist, kann die Funktionsweise der Impulsaddierstufe 22 erklärt v/erden. Dabei sei zunächst angenommen, daß die Asynchronmaschine als Antriebsmotor verwendet werden soll, so daß die beiden Frequenzen f-31 und f21 addiert werden müssen. In diesem Fall wird das Bremspedal 29 nicht betätigt und der Schalter 32 bleibt geöffnet, so daß an der Eingangsklemme 220 ein O-Signal liegt. Damit liegt auch an dem mit der Klemme 220 verbundenen Eingang des NOR-Gatters 226 ein O-Signal. Das am anderen Eingang des NOR-Gatters 226 liegende Signal wird deshalb umgekehrt an den Ausgang des NOR-Gatters 226 weitergeleitet. Ein Ausgangsimpuls des NOR-Gatters 226, der dem einen Impuls der Frequenz f21 entspricht, ist in Fig. 3 mit f226A bezeichnet. Das NOR-Gatter 222 gibt an seinem Ausgang ein O-Signal ab, sobald an einem der Eingänge ein L-Signal liegt. Deshalb werden im NOR-Gatter 222 die beiden Impulsfolgefrequenzen f255 und f226A zueinander addiert. Das NOR-Gatter 222 ersetzt also das in Fig. 1 bei der Impulsaddierstufe 22 symbolisch dargestellte ODER-Gatter. Die Impulsfrequenzaddition ist immer fehlerfrei möglich, da sich die beiden Impulszüge f226A und f255 in verschiedenen Zeitrastern befinden.

Bei dem angenommenen Betrieb der Asynchronmaschine 11 als Antriebsmotor liegt am Ausgang des Umkehrstufe 224 ein L-Dauersignal, so daß das NOR-Gatter 225 nur ein O-Signal an den Eingang K des JK-Flipflops 221 abgeben kann. An dem mit der Umkehrstufe 228 verbundenen Eingang des NAND-Gatters

409819/0590 " ¹³~

227 liegt also ein L-Dauersignal. Das NAND-Gatter 227 invertiert also die Ausgangsimpulse des-NOR-Gatters 222. Solange die Asynchronmaschine 11 als Antriebsmotor betrieben wird, liegen also am Eingang J und am Takteingang T des JK-Flipflops 221 Impulse, deren "Form identisch ist mit der Form des in Fig. 3 eingezeichneten Impulszuges f229A.

Nach der obigen Beschreibung der Funktionsweise des JK-Flipflops liegt also am ersten Ausgang Ql des JK-Flipflops 221 ein O-Signal, solange auch am Eingang J ein 0-Signal liegt. Ändert sich während eines Ausgangsimpulses der Umkehrstufe 223 das Eingangssignal am Eingang J auf L, dann wird mit de.r Rückflanke des nächstfolgenden Taktimpulses (Aus gangsimpuls des NAND-Gatters 227) der Ausgang Ql des JK-Flipflops 221 auch nur auf 0 gesetzt. Während des Betriebs der Asynchronmaschine als Antriebsmotor gibt also das Flipflop '221 an seinem Ausgang Ql ein O-Dauersignal und an seinem Ausgang Q2 ein L-Daue'rsignal ab. Die Ausgangsimpulse des UND-Gatters 229 haben also die gleiche Form wie die Ausgangsimpulse der Umkehrstufe 223. Sie sind in Fig. 3 mit f229A bezeichnet. Die Aus gangs frequenz fll des UND-Gatters 229 ist also" gleich der Summe der beiden Eingangsfrequenzen f31₃f21, wie es gefordert war. ·

Ändere Verhältnisse liegen beim Bremsbetrieb der Asynchronmaschine 11 vor.. In diesem Fall liegt an der Eingangsklemme 220 ein L-Signal, da der Schalter 32 vom Bremspedal 29 geschlossen wird. Die Ausgangsimpulse der ersten Zeitrasterstufe 24 können nicht über das NOR-Gatter 226 weitergeleitet werden, xveil an dessen einem Eingang ein L-Dauersignal liegt. Beim Bremsbetrieb gibt also das NOR-Gatter 226 ein O-Dauersignal ab, wie es in Fig. 3 .unter Ziffer f226B dargestellt ist. Demzufolge ist die .. Ausgangsfrequenz f222B des NOR-Gatters 222 gleich der

409819/05 90 _ ,„

- ill - 1 ί 9 ρ

Läuferumdrehungsfrequenz f31. Die Aufgabe des JK-Flipflops 221 besteht darin, beim Bremsbetrieb nach dem Auftreten eines Ausgangsimpulses f243 den nächstfolgenden Impuls f222B zu unterdrücken, so daß die Ausgangsfrequenz fll gleich der Differenz der beiden Eingangsfrequenzen f31 - f21 wird.

Zu diesem Zweck wird dem Eingang K des JK-Flipflops über das NOR-Gatter 225 die Aus gangs frequenz f2^3 unter Signalumkehr zugeführt. Dies ist in Fig. 3 mit dem Impuls f2 25B angedeutet. Im NAND-Gatter 22? wird auch während des Bremsbetriebes wieder die Summe der beiden Eingangsfrequenzen f31,f21 gebildet. Die resultierende Summenfrequenz i'227B dient als Taktimpulsfrequenz für das JK-Flipflop 221.

Sobald der L-Impuls f2253 am Eingang K des JK-Flipflops 221 liegt, ist die Voraussetzung dafür geschaffen, daß am Ausgang Q 1 ein L-Signal und am Ausgang Q2 ein O-Signal auftreten kann. Diese Signalverteilung wird mit der Rückflanke des gleichzeitig auftretenden Taktimpulses f227B eingestellt. In Fig. 3 ist der entsprechende Zeitpunkt mit Tl bezeichnet. In der Zeit nach Tl liegt an einem Eingang des UND-Gatters 229 ein O-Signal. Der nächste Impuls der Frequenz f222B kann daher nicht mehr über das UND-Gatter 2 29 weitergeleitet werden. Allerdings wird gleichzeitig mit der Rückflanke dieses Impulses, d.h. im Zeitpunkt T2 auch das JK-Flipflop 221 wieder zurückgesetzt, da an seinem Eingang K kein L-Signal mehr liegt. Der übernächste Impuls der Frequenz f222B wird deshalb vom UND-Gatter 229 wieder durchgelassen.

Damit ist die obengenannte Forderung erfüllt: Beim Bremsbetrieb der Asynchronmaschine 11 wird in der Impulsaddierstufe 22 die Differenz der beiden Impuls-

409819/0590 - ις -

" ¹⁵ " ■ 1 I 9

folgefrequenzen f31 - f21 gebildet, da jeweils nach dem Auftreten eines Impulses f21 der nächstfolgende Impuls der Frequenz f255 unterdrückt wird.

Die beschriebene Schaltungsanordnung nach Fig. 2a ermöglicht es also, die Frequenzen f31 und f21 je nach der Betriebsart zueinander zu addieren oder voneinander zu subrahieren und damit bei jeder Betriebsart die richtige Standerfrequenz fl = fll/e zu erzeugen. Man sieht aus Fig. 3, daß jedesmal beim Auftreten eines Impulses der gewünschten Schlupffrequenz f21 die Ausgangsfrequenz fll eine Ungleiehförraigkeit aufweist. Diese Ungleichförmigkeit, die durch das Fehlen bzw. Hinzukommen eines 'Impulses entsteht, tritt als Phasenmodulation der Frequenz fll in Erscheinung. Wenn der Impuls-Drehzahlgeber 19 bei jeder Umdrehung nur einen Impuls abgäbe, dann könnte die Phasenmodulation den Maximalwert von 360° annehmen. Beim Ausführungsbeispiel wurde ein Drehzahlgeber verwendet, der bei jeder Umdrehung des Läufers der Asynchronmaschine 11 100 Impulse abgibt. Die Phasenmodulation " erreicht in diesem Fall maximal einen Wert von 3,6°. Es hat sich bei praktischen Vers.uchen gezeigt ₃ daß diese geringfügige Phasenmodulation noch, zu keiner wesentlichen Störung des Betriebsverhaltens der Asynchronmaschine 11 führt.

Durch die beschriebene Schlupffrequenzregelschaltung wird deshalb die eingangs gestellte Aufgabe gelöst: Es ist mit relativ geringem Schaltungsaufwand möglich, die Standerfrequenz fl aus der Läuferdrehzahl und der gewünschten Schlupffrequenz rechnerisch zu ermitteln. Insbesondere können ein Zweiriehtungszähler, ein aufwendiger Digital-Analog-Wandler und ein sehr präzis arbeitender spannungsgesteuerter Oszillator eingespart werden. Infolge des geringen Schaltungsaufwandes ist die beschriebene Schlupf-

409819/0590' - ιβ -

frequenzregelschaltung besonders für Fahrzeugantriebe geeignet. Da in der ganzen Schlupffrequenzregelschaltung keine Analog-Signale mehr verarbeitet v/erden, ist außerdem die Empfindlichkeit gegenüber eingestreuten Störimpulsen wesentlich herabgesetzt.

- 17 -

409819/0590

ORIGINAL INSPECTED

Claims (12)

1. ί 1 9 0

   Ansprüche

   ( 1.) Digitale Schlupffrequenzregelschaltung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine, mit einem Steuergenerator zur Ansteuerung des Umrichters, mit einem Schlupffrequenz-Impulsgeber, dessen Frequenz mit Hilfe eines Fahrpedals einstellbar ist, und mit einem Tachogenerator zur Messung der Drehzahl der Asynchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergenerator (20) eine Impulsaddierstufe (22) vorgeschaltet ist und daß die Ausgänge des Tachogenerators (19) und des Schlupffrequenz-Impulsgebers (23) über eine Zeitrasterschaltung (2*1,25) an die Eingänge-der Impulsaddierstufe (22) angeschlossen sind.
2. 2. Schlupffrequenzregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Impuls-Drehsahlgeber ausgebildete Tachogenerator (19) bei jeder Umdrehung des Läufers der Asynchronmaschine (11) eine Zahl von c-Impulsen abgibt und daß .zwischen der Impulsaddierstufe (22) und dem Steuergenerator (20) ein Frequenzteiler (21) eingeschaltet ist, der die Ausgangsfrequenz der Impulsaddierstufe (22) um den Faktor c untersetzt. "

   - 18 -409819/0590 BAö _OmQlNAL

   9
3. 3. Schlupffrequanzregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitrasterschaltung aus zwei parallelen Stufen (24,25) besteht und daß die Ausgangsfrequenzen (f21 bzw. f31) des Schlupffrequenz-Impulsgebers (23) bzw. des Impuls-Drehzahlgebers (19) jeweils dem Eingang einer Zeitrasterstufe (24 bzw. 25) zuführbar sind.
4. 4. Schlupffrequenzregelsehaltung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zeitrasterstufen (24,25) jeweils aus der Reihenschaltung eines D-Flipflops (241, 251), eines JK-Flipflops (242,252) und eines NAHD-Gatters (243j253) bestehen, daß zwei Eingänge des NAND-Gatters (243j253) mit den Ausgängen der beiden vorgeschalteten Flipflops verbunden sind und daß der dritte Eingang des NAND-Gatters (243,253) sowie die Takteingänge der Flipflops (241,242,251,252) an Ausgänge eines Taktimpulsgebers (26) angeschlossen sind.
5. 5. Schlupffrequenzregelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Zeitrasterstufen (24,25) Taktfrequenzen (fO2,fO3) zuführbar sind, die in verschiedenen. Zeitrastern liegen.

   - 19 -409819/0590 BAD ORIGINAL

   M 90
6. 6. SchlupffrequenzregeIsehaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Zeitrasterstufe (25),· der die Ausgangs frequenz (f31) des Impuls-Drehzahlgebers (19) zugeführt wird, zur Verdoppelung der Aus gangs frequenz ein zweites NAND-Gatter (254)' vorgesehen ist, dessen Eingangsanschlüsse gegenüber denen des ersten NAND-Gatters (253) komplementär vertauscht sind, und daß den beiden NAND-Gattern (253,254) ein drittes NAND-Gatter (255) riachgesehaltet ist.
7. 7. Schlupffrequenzregelschaltung nach einem der,Ansprüche 1 bis 6, dadadurch gekennzeichnet, daß in der Impulsaddierstufe (22) zur Addition zweiter Impulsfolgefrequenzen eine ODER-Schaltungsverknüpfung vorgesehen ist, die als

   .NOR-Gatter (222) ausgebildet ist. .
8. 8. Schlupffrequenzregelschaltung nach einem der Ansprüche

   1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsaddierstufe (22) zur Umschaltung von Addition auf Subtraktion einen zusätzlichen Eingang (220) aufweist ,,..der durch ein Bremspedal (29) steuerbar ist.
9. 9. Schlupffrequenzregelschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Frequenzaddition beim Subtraktionsbetrieb ein NOR-Gatter (226) vorgesehen ist, das mit seinen Eingängen an den zusätz-

   409819/0590

   225U24 - ²⁰ - μ 9 ο

   lichen Eingang (220) und an den Ausgang der ersten Zeitrasterstufe (2*1) angeschlossen ist und mit seinem Ausgang an einem Eingang des NOR-Gatters (222) liegt.
10. 10. Schlupffrequenzregelschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzsubtraktion in der Impulsaddierstufe (22) ein JK-Flipflop (221) vorgesehen ist, dessen Eingang (J) über eine Umkehrstufe (223) an den Ausgang des NOR-Gatters (222) angeschlossen ist und dessen Eingang (K) am Ausgang eines NOR-Gatters (225) liegt, dessen Eingänge mit dem Ausgang der ersten Zeitrasterstufe (2H) und mit dem Eingang (220) verbunden sind.
11. 11. SchlupffrequenzregeIschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Takteingang (T) des JK-Flipflops (221) am Ausgang eines NAND-Gatters (227) liegt, dessen erster Eingang an den Ausgang des NOR-Gatters (222) angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang über eine Umkehrstufe (228) mit dem Ausgang des NOR-Gatters (225) verbunden ist.
12. 12. Schlupffrequenzregelschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgang der Impulsaddierstufe (22) ein UND-Gatter (229) bildet, das mit seinen Eingängen an den Ausgängen des JK-:Flipflops (221) und der Umkehrstufe (223) liegt.

    409819/0590