DE2637175A1

DE2637175A1 - Einrichtung zur erfassung von bestimmungsgroessen eines ebenen vektors

Info

Publication number: DE2637175A1
Application number: DE19762637175
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl Ing Bayer; Felix Dr Ing Blaschke; Wolfgang Ing Grad Michel; Ingemar Dipl Ing Neuffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-08-18
Filing date: 1976-08-18
Publication date: 1978-02-23
Also published as: JPS5814703B2; DE2637175B2; US4138729A; SE7708965L; JPS5324247A

Description

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Einrichtung zur Erfassung von Bestimmungsgrößen eines ebenen Vektors

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der Bestimraungsgrößen eines ebenen Vektors (Vektor* analysator) unter Verwendung eines eingangsseitig vom Ausgangssignal eines Integrators beaufschlagten Sinus- und Kosinusfunktionsgenerators .

Eine derartige Einrichtung, welche aus zwei orthogonalen Komponenten eines Vektors proportionalen Eingangsspannungen den Betrag und den Phasenwinkel dieses Vektors bestimmt, ist nach der DT-PS 2 012 781 bekannt. Mit dieser Einrichtung können aber Phasenwinkel nur solcher Vektoren bestimmt werden, welche nicht umlaufen, d.h. sich stets innerhalb eines Winkelbereichs von 360° bewegen. Weiterhin sind bei der bekannten Einrichtung eine große Anzahl von analog arbeitenden Multipliziereren verwendet, welche insbesondere im Nullpunktsbereich ungenau arbeiten.

Die vorliegende Erfindung stellt sioh die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch eine größere Genauigkeit auszeichnet und vor allem erlaubt, den Phasenwinkel des zu analysierenden Vektors auch bei Phasenwinkelveränderungen von mehr als 360° zu erfassen. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß als Integrator ein digitaler, bidirektionaler Überlaufzähler verwendet ist, dessen Zähl-

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eingänge für Impulse eines Taktgenerators von den Ausgangssignalen eines Dreipunktschaltgliedes freigebbar sind, dessen Ansprechschwellen in proportionale Abhängigkeit gebracht sind von einer ersten Ausgangsspannung eines Vektordrehers und dessen Eingang mit einer zweiten Ausgangsspannung des Vektordrehers verbunden ist, der eingangsseitig von den Ausgangssignalen der Funktionsgeneratoren und zwei orthogonalen Vektorkomponenten proportionalen Spannungen beaufschlagt ist.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, den Anggang eines digitalen Überlaufzählers mittels eines Regelkreises dem Phasenwinkel eines Eingangsvektors nachzufuhren, wobei ein problemloses Rücksetzen des Zählerinhalts auf Null erfolgt, wenn der Phasenwinkelwert von 360° Überschritten wird.

Durch eine noch weitergehende Verwendung digital arbeitender Schaltungen kann die Genauigkeit der Erfassung erhöht werde'n. Es wird daher das digitale Ausgangssignal des ÜberlaufZählers nicht nach einer Digital-Analogwandlung von analogen Punktionsgeneratoren und einem konventionellen, Analog-Multiplizierer enthaltenden Vektordreher verarbeitet, sondern gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Vektordreher als Multiplizierer vier Digital-Analogwandler enthält, deren Digitaleingänge die Ausgangssignale von als Punktionsgeneratoren verwendete, digitalen Nur-Lesespeicber. zugeführt sind und als Referenzspannungen dieser Digital-Analogwandler die Vektorkomponentenspannungen vorgesehen sind.

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in den TJnteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher veranschaulicht werden.

In dem orthogonalen Koordinatensystem der Figur 1 mit den Achsen r und j ist ein ebener Vektor durch zwei orthogonale Vektorkomponenten E₁ = E cos£ und E₂ = E sin£ bestimmt. Bei vielen technischen Problemen ist eine vektorielle Größe in dieser Art vorgegeben, z.B. bei der Darstellung eines Drehfeldvektors

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von elektrischen Drehfeldmaschinen. PUr die Zweoke der feldorientierten Regelung derselben, ist es von Bedeutung, diesen Vektor bezüglich seines Betrages E und seiner Phasenlage £ zu erfass·!) .und insbesondere mit diesem Phasenwinkel Rechenoperationen, wie z.B. Additionen, durchzuführen. Es Interessiert in diesem Zusammenhang weiterhin auch die zeitliche Änderungsge-

schwindigkeit Sif = £ des Phasenwinkels £ . dt

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, welche es erlaubt den Betrag E, den Phasenwinkel B und die Phasenwinkeländerungsgeschwindigkeit £ eines durch zwei orthogonale Vektorkomponenten E1 und E2 vorgegebenen ebenen Vektors zu erfassen. An die Eingangsklemmen 1 und 2 eines Vektordrehers VD sind Spannungen E. und Ep angeschlossen, welche zwei orthogonalen Komponenten des zu analysierenden Vektors proportional sind. Die beiden übrigen Eingangsklemmen 3 und 4 des Vektordrehers VD werden von Spannungen beaufschlagt, welche dem Sinus und dem Kosinus eines Winkels «*- entsprechen. Diese Spannungen beschreiben einen Vektor vom Betrag 1 und dem Phasenwinkel <* . Der Vektordreher VD, welcher bekanntlich aus vier Multipliziereren und zwei Mischgliedern besteht, gibt an seinen Ausgangsklemmen 5 und 6 zwei Spannungen ab, welche proportional dem Betrag E des zu analysierenden Vektors und dem Kosinus bzw. dem Sinus der Phasenwinkeldifferenz £ -öl sind. Der Phasenwinkel Cß- wird dabei in digitaler Form von den Zählstufenausgängen eines bidirektionalen ÜberlaufZählers 7 abgebildet, welche beim dargestellten Ausfllhrungsbeispiel jeweils mit den Eingängen zweier Nur-Lesespeicher ROM 1 und ROM 2 verbunden sind. In diesen Nur-Lesespeichern ist fest die Kosinus-bzw. Sinusfunktion programmiert, so daß jedem am Eingang dieser Speicher anliegenden digitalen Wert des Arguments «t- der entsprechende Sinus bzw. Kosinuswert in ebenfalls digitaler Form zugeordnet wird. Die Ausgänge der Nur-Lesespeicher ROM 1 und ROM sind mit den Digitaleingängen von multiplizierenden Digital-Analogwandlern 8 bis 11 des Vektordrehers VD verbunden, an deren Analogeingängen die Vektorkomponentenspannungen E 1 und E 2 als Referenzspannung abgeschlossen sind. In den Digitalanalog-

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wandlern 8 bis 11 erfolgt also eine Umwandlung der digitalen Eingangswerte in analoge Ausgangsspannungen, wobei diese dann zusätzlich nooh proportional der an ihren Analogeingängen jeweils anliegenden Referenzspannung sind.

Selbstverständlich wäre es auch möglich, die digitale Ausgangsgröße des Zählers 7 mittels eines Digital-Analogwandlers umzuwandeln und diese über je einen analogen Kosinus- und Sinusfunktionsgeber den Eingangsklemmen 3 und 4 eines herkömmlichen Vektordrehers zuzuführen, welcher dann mit üblichen Analog-Multipliziereren ausgestattet wäre. Mit der dargestellten Ausfiihrungsform wird aber einerseits durch die digitale Nachbildung der Sinus- und Kosinuswerte eine wesentlich höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht und außerdem sind die Analog-Multipliziereren anhaftenden Fullpunktsfehler vermieden.

Die an der Klemme 6 des Vektordrehers VD auftretende Ausgangsspannung E sin (£ -©£) wird der Eingangsklemme 12 eines Dreipunktschaltgliedes 13 zugeführt, welches an seinem Ausgang 14 dann ein positives Signal abgibt, wenn die an der Klemme 12 liegende Eingangsspannung größer ist als eine Schwellspannung U^ und welches an seinem Ausgang 15 dann ein positives Signal ausgibt, wenn die Eingangsspannung an der Klemme 12 unterhalb einer Schwellspannung -U, ist. Ein derartiges Dreipunktschaltglied kann aus zwei Verstärkern bestehen, von welchen der eine die dem rechten Teil des Blocksymbols 16 wiedergegebene und der andere die in linken Teil dieses Blocksymbols 16 wiedergegebene Charakteristik aufweist. Die Ansprechschwellen U^ und -U^ werden durch diesen Verstärkern zugefiihrte Vorspannungen festgelegt und sind von der an der Klemme 27 angelegten Spannung U^ bzw. vom Ausgangssignal des mit ihr eingangsseitig verbundenen ITmkehrverstärkers 28a bestimmt. Ein weiterer Umkehrverstärker 28b ist zur Ausgangssignalanpassung des Dreipunktschaltgliedes vorgesehen.

Tritt eine Phasenwinkeldifferenz£-ot, d.h. eine Abweichung zwischen dem Phasenwinkel £ und dem vom Überlaufzähler 7 ausgegebenen Winkel oc auf und ist diese so groß, daß die an der

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Eingangsklemme 12 des Dreipunktschaltgliedes anliegende Spannung die Ansprechschwellen TJ^ bzw. -U^ übersteigt, dann wird eines der UMD-Getter 17 oder 18 fllr die von einem Taktgenerator 19 gelieferten Impulse freigegeben, welche dann entweder auf dem mit + bezeichneten Vorwärtsz&hleingäng des Zählers 7 oder auf dessen mit - bezeichneten Rttekwärtszähleingang gelangen» Ist beispielsweise OL kleiner als B » dann tritt an der Ausgangsklemme 14 ein positives Signal auf und die Impulse des Taktgenerators 19 erhöhen den Zählerstand des Zählers 7 solange bis OC so groß gewerden ist, daß die Eingangsspannung an der Klemme 12 sich innerhalb des durch die Ansprechschwellen festgelegten Unempfindlichkeitsbereich.es bewegt. Ist Ot größer als £ , so wird an der Ausgangsklemme 15 ein positives Signal auftreten und der Zählerstand des ÜberlaufZählers 14 entsprechend erniedrigt. Dem Überlauf des Zählers 7 wird der Winkel OC = 360° zugeordnet, so daß bei Überschreiten dieses Wertes der Überlaufzähler selbsttätig zurückgesetzt wird und von Null an bei Beaufschlagung in positiver Richtung wieder aufwärts zu zählen beginnt.

Das Dreipunktsoh^ltglied 13 kann in Verbindung mit dem Taktgenerator 19 und den beiden UliD-Gattern 17 und 18 als ein Regler aufgefaßt werden, der dann zur Ruhe kommt, wenn der Abgleich erreicht ist, d.h. der vom Zähler 7 ausgegebene Winkelwert QL auf den Wert £ des zu analysierenden Vektors nachgeführt ist. Ist dieser Ableich erreicht, so ist <£ -B und an der Ausgangsklemme 21 erscheint eine dem Betrag des zu analysierenden Vektors entsprechende Größe E. Die Taktfrequenz des Taktgenerators 19 wird zweckmäßigerweise so groß gewählt, daß der Zähler 17 in der Lage ist, jeder Änderung des Fhasenwinkels £ sehr schnell nachzukommen. An der Klemme 22, welche mit dem Ausgang eines Glättungsgliedes 23 verbunden ist, erscheint eine der Änderungsgeschwindigkeit OL. des Winkelwertes OC. proportionale Spannung. Dies ergibt sich daraus, daß der Zähler 7 einen Integrator darstellt, dessen Eingangsgröße dem Glättungsglied 23 über ein Mischglied 24 vorzeiohenrichtig zugeführt wird.

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Der Abgleich erfolgt nun mit einer Genauigkeit, welche durch den Abstand der Ansprechschwellen bestimmt ist. Würde man das Dreipunktschaltglied 13 mit festen Ansprechgrenzen versehen, so hätte dies zur Folge, daß die Genauigkeit mit kleiner werdender Amplitude E des zu analysierenden Vektors abnimmt, denn in diesem Fall wlirde erst eine größere Abweichung £- o£ das Dreipunktschaltglied zum Ansprechen bringen können. Es werden deshalb die Ansprechgrenzen in proportionale Abhängigkeit von der Amplitude E des zu analysierenden Vektors gebracht, indem ein eingangsseitig mit der Klemme 5 des Vektordrehers VD verbundener Proportionalverstärker 25 liber eine Diode 26 mit der Klemme 27 des Dreipunktschaltgliedes 13 verbunden ist. Die Diode soll eine Beaufschlagung der Klemme 27 mit negativer Spannung verhindern fttr den Fall, daß die Winkelabweichung£-Oi. größer als 90° wird. Die an der Klemme 27 anliegende Spannung U^ bestimmt die symmetrisch zum Nullniveau liegenden Ansprechschwellen. Auf diese Weise werden die Ansprechschwellen proportional mit der Amplitude E des zu analysierenden Vektors verändert und der Amplitudeneinfluß auf die Genauigkeit des Abgleiches ist somit eliminiert, was sonst nur unter Verwendung eines fehlerbehafteten Analog-Multiplizierers zu erreichen gewesen wäre. Der Verstärkungsfaktor V des Proportionalverstärkers 25 wird zweckmäßigerweise so klein als möglich gewählt, aus Stabilitätsgrtinden muß er der Beziehung V>0,5 . sin ^oc entsprechen, wobei A<K die kleinstmögliche Änderung des vom Zähler 7 ausgegebenen Winkelwertes OC ist.

Figur 3 zeigt eine besonders einfache Ausflihrungsform für das Dreipunktschaltglied in Form eines sogenannten Fensterdiskriminators FD. Dieser besteht im Prinzip aus zwei Verstärkern und 30 sehr hohen Verstärkungsgrads, deren Ausgänge über Dioden 31 und 32 mit den Ausgangsklemmen 14 und 15 verbunden sind. Sämtliche Eingangswiderstände R haben denselben Widerstandswert. Die an der Eingangsklemme 12 zugeflihrte Spannung TJ ist dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 29 und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 30 zugeführt, während die die Ansprechgrenzen bestimmende Spannung U-. den invertierenden

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Eingängen der Verstärker 29 und 30 zugeordnet ist. Eine noch an die Klemme 33 anzuschließende Spannung U_ffl wirkt auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 29 und den nichtinver- tierenden Eingang des Verstärkers 30. Auf diese Weise werden die Ansprechsohwellen nioht absolut sondern jeweils symmetrisch zu dem durch das von der Spannung U_ bestimmenten Spannungsniveau vorgegeben, denn es gilt flir das Auftreten eines positiven Ausgangsaignals an der Klemme 14 die Beziehung U_e> U_m + U^ und für das Auftreten eines positiven Ausgangssignals an der Klemme 15 die Beziehung ^υ _θ < ^u _m " ^U _D· ^wi*^{d die} Klemme 33 nicht mit Nullpotential, sondern wie gestrichelt dargestellt, über einen Verstärker 34 mit dem Verstärkungafaktor K mit der Ausgangsklemme 5 des Vektordrehers VD verbunden, dann lassen 3ich die Ansprechgrenzen, d.h. das "Umempfindlichkeitsfenster" verschieben und der Phasenwinkelwert B wird dann vermindert um den konstanten Wert arctg K vom Überlaufzähler 7 angezeigt. Damit läßt sich auf einfache Weise der Wert des angezeigten Phasenwinkels um einen bestimmten Betrag verändern. Der Betrag E des zu analysierenden Vektors kann für diesen Fall an der Klemme 21' (I¹Ig. 2) erhalten werden, wenn diese, wie ebenfalls gestrichelt dargestellt, über einen Verstärker 35 mit den Ver- $. + K mit der Klemme 21 verbunden ist.

5 Patentansprüche
3 Figuren

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-4O-

L e e r s e i \ e

Claims

-Ji-Patentansprllohe 78 P 3 f 7 3 BRD

1. Einrichtung zur Erfassung von Bestimmungsgrößen eines ebenen Vektors (Vektoranalysator) unter Verwendung eines eingangsseitig vom Ausgangssignal eines Integrators beaufschlagten Sinus- und Kosinusfunktionsgenerators, dadurch gekennzeichnet! daß als Integrator ein digitaler, bidirektionaler Überlaufzähler (7) verwendet ist, dessen Zähleingänge für Impulse eines Taktgenerators (19) von den Ausgangssignalen eines Dreipunktschaltgliedes (13) freigebbar sind, dessen Ansprechsohwellen in proportionale Abhängigkeit gebracht sind von einer ersten Ausgangsspannung eines Vektordrehers (VD) und dessen Eingang mit einer zweiten Ausgangsspannung des Vektordrehers verbunden ist, der eingangsseitig von den Ausgangssignalen der Punktionsgeneratoren und zwei orthogonalen Vektorkomponenten proportionalen Spannungen (E.., E₂) beaufschlagt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektordreher als Multiplizierer vier Digita^Analogwandler (8-11) enthält, deren Digitaleingänge die Ausgangssignale von als Funktionsgeneratoren verwendete, digitalen Nur-Lesespeicher (ROM 1, ROM 2) zugeführt sind und als Referenzspannungen dieser Digital-Analogwandler die Vektorkooponentenspanuungen (E₁, E₂) vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Dreipunktschaltglied ein Fensterdiskriminator (PD) verwendet ist, dessen seine Fensterbreite bestimmender Eingang (27) über einen Proportionalverstärker (25) von der ersten Ausgangsspannung des Vektordrehers beaufschlagt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Fenstermitte bestimmende Eingang (33) des Fensterdiskriminators über einen Proportionalverstärker (34) von der ersten Ausgangsspannung des Vektordrehers beaufschlagt ist.

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INSPECTED

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5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein von den AusgangsSignalen des Oreipunktschaltgliedes beaufschlagtes Glättungsglied (23).

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