DE3137267C2

DE3137267C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von breitenmodulierten Impulsfolgen

Info

Publication number: DE3137267C2
Application number: DE19813137267
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. 8399 Ruhstof Schörner
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1981-09-18
Filing date: 1981-09-18
Publication date: 1983-11-17
Also published as: DE3137267A1; NL8201350A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer pulsbreitenmodulierten Spannung U ↓P mit sägezahnförmig verlaufendem Mittelwert. Um eine derartige Schaltung zu schaffen, die sich durch einen schaltungstechnisch wesentlich geringeren Aufwand auszeichnet, als die bekannten Schaltungsanordnungen und trotzdem den letzteren gegenüber in funktioneller Hinsicht mindestens gleichwertig ist, ist ein Sprunggenerator zum Erzeugen eines Stromes I ↓H mit mindestens angenähert hyperbelförmigem Amplitudenverlauf innerhalb der einzelnen Sägezahnintervalle (T ↓S) vorgesehen. Ferner vorgesehen sind ein mit dem Strom (I ↓H) gespeister, diesen integrierenden Integrator (17-19) eine Einrichtung (20-22) für die Null-Rückstellung des Integrators (17-19) mehrmals innerhalb eines jeden Sägezahnintervalls (T ↓S) und durch eine Komparatorschaltung (23, 24, 26), die das Ausgangssignal (U ↓I) des Integrators (17-19) mit einer Gleichspannung (U ↓V) so vergleicht, daß das Ausgangssignal ( U ↓P des Komparators (23, 24, 26) das pulsbreitenmodulierte Signal mit sägezahnförmig verlaufendem Mittelwert darstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schallungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Pulsbreitcnmodulierte- Spannungen mit sägezahnlormig verlaufendem Mittelwert werden beispielsweise in Pulssleuersätzen für Zwischenkreisumrichter benötigt. Es handelt sich hierbei um Pulsverlahren. bei denen über das Pulsmusterdieniedrigzahligen Oberschwingungen in den Umrichlerausgangsgrößen unterdrückt werden. Die Verstellung der Grundschwingungsampiiiudcn erfolgt über den Zwischenkreis. Derartige Pulsverfahren sind für Umrichter mit Spannungszwischenkreis und mit Stromzwischenkreis bekannt (Lit.: T. Kutman: Optimierung des Pulsbetriebes beim Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom: etz Archiv(1979). Heft 7.S. 223-228).

Pulsmusier können grundsätzlich digital oder analog erzeugt werden. Bei der bekannten digitalen Signalerzeugung werden verschiedene Pulsmuster digital gespeichert und je nach. Grundschwingungsfrequenz wird auf die einzelnen Pulsmuster umgeschaltet (DE-OS 2756952). Diese digitale Signalerzeugung ist insofern nachteilig, als der Schallungsaufwand für niedrige Grundschwingungsfrequenzen stark zunimmt. Weiterhin können Pulsmusterwechsel erhebliche Geräusche im Umrichter und angeschlossener Last auftreten, weil die Pulsmusterabstufung aus Aufwandsgründen relativ grob ist.

Bei der bekannten analogen Signalerzeugung werden die Pulsmuster dadurch gebildet, daß sägezahn- oder sinusförmige Referenzspannungen mit einer höherfrequenten dreieckförmigen Ab'.a:;tspannung abgetastet werden. Diese Art der Signalbildung ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Erzeugung von sägezahnförmigen Analogspannungen im Bereich kleiner Frequenzen hochwertige Bauelemente und einen erheblichen Abstimmaurwand erfordern. Eine Annäherung der sägezahnförmigen Spannung durch eine digital erzeugte Stufenkurve läßt sich leichter realisieren, bedeutet aber bei dem erwähnten Abtastverfahren mit Dreieckspannungen einen Zusalzaufwand zur Ausblendung von Randimpulsen, die bei Abtastung der Stufenränder auftreten können. Außerdem ist eine relativ hohe Anzahl von Stufen notwendig, damit auch im untersten Frequenzbereich der Rundlauf einer angeschlossenen Maschinenlast gewährleistet ist. Ein weiterer Nachteil liegt im erforderlichen Aufwand zur Erzeugung der Abtastspannung und für die Synchronisation von Puls- und Grundschwingungsfrequenz.

Aus der DE-OS 27 32 298 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Impulsfolge mit in Abhängigkeit von einer Steuerspannung einstellbarem Tastverhältnis bekannt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist die Impulsfrequenz von dem mittels der Steuerspannung einstellbaren Tastverhältnis abhängig. Eine Impulsfolge besonderer Art wird nicht angestrebt und wegen der vorgenannten Abhängigkeit mittels eines vorgegebenen Verlaufs der Steuerspannung in genau definierter Weise auch kaum erreichbar.

Aus der DH-OS 2544896 sind auch Schaltungsanordnungen bekannt, mit denen die verschiedensten Funktionen angenähert werden können. Die Veröffentlichung belaßt sich nur mit dem Funktionsgenerator, offenbart aber keinerlei Weilerverwertung irgendeiner besonn' ^ren Funktion-Für sich bekannt sind aus der DE-OS 250781¹J auch ein Integrator und eine Null-Rücksiellung sowie aus der DE-OS 2214761 die Verwendung eines !Comparators und Integrators zur Pulsbreitenmodulation. to

Dem vorgenannten Stande der Technik gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung gemäß dem Gattungsbegriff des Palentanspruchs 1 zu schaffen, die sich durch einen schaltungslechnisch wesentlich geringeren Aufwand auszeichnet. als die oben genannten bekannten Schaltungsanordnimgen zur Pulsmustcrcrzeugung. und die trotzdem den letzteren gegenüber in funklioneller Hinsicht mindestens gleichwertig ist.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsici! des Patentanspruchs ! genannten Merkniale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die Pulsmusier ebenfalls analog erzeugt. Die oben geschilderten Nachteile der bekannten analogen Signalerzeugung werden bei ihr aber vermieden, und zwar dadurch, daß Referenz- und Abtastspannung nicht mehr diskret erzeugt Werden. sondern in ihrer Funktion in eine Integratorschaltung zusammengefaßt sind. Bei der erfindungsgemäßen Kombination kommt es auf das jo Zusammenwirken der einzelnen Schallungsbcstandteile an. wobei die Frequenz, der Nulltaktung unabhängig von der Modulation als eigenes Kriterium wählbar ist. wodurch der Prozeß beherrsch bar wird. Die Ausgangsspannung U₁ des Integrators ergibt sich bei näherungsweise konstantem Eingangsstrom I_h im Iniegralionsintervall T_p

U₁^ — -I₁₁-I: Tür Zeiten O < / < T₁, mil A", :
Integrationskonstante

(D

Die Spannung U₁ wird in dem Komparator mit der Vergleichsspannung 6y verglichen. Für die Komparatorausgangsspannung U₁, gilt:

£> = 0 rärlt/,1 <(/,·; 6',~1 für IU₁ 1 >t.y.

(2)

45

Wenn der Integrator auf Null gesetzt wird, erhält man einen Puls der Breite AT:

hi

(3)

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfüllt der Strom /„ die Bedingung:

hi ■ r * const, für 0 < / < 7"_x

(4)

wobei gilt: T_s>T_p gemäß der Annahme, daß /„ während der Integration näherungsweise konstant bleibt, «>

Aus den Gleichuneen (1—4) folgt für die Pulsbreite AT:

65

Daraus folgt, daß die Evcitc T der am Ausgang des Komparator auftretenden Pulse im Sügczahnintcrvall T_s linear mit der Zeil / abnimmt, bzw. am Ausgang des gemäß Anspruch 3 nachgeschalteten Inverters linear mit der Zeit zunimmt. Das letztere entspricht einer pulsbreitenmodulierten Spannung mit sägezahnlormig zunehmendem Mittelwert.

Der hyperbolische Verlauf von /„ wird gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise durch eine Stufenkurve angenähert. Die Stufen werden durch den Integrator geglättet: Randimpulse können bei dem gewählten Prinzip, nach dem die erfindungsgemäße Schallungsanordnung arbeitet, nicht auftreten. Auch die weiteren Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen -des Gegenstandes des Anspruchs I. Ausführung der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachstehend beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Zeitverlauf der in der Schallungsanordnung gemäß Fig. 2 auftretenden wesentlichen Signalgrößen zur Erzeugung der Pulsspannung U₁, innerhalb eines, Sägezahniniervalls T_s.

Fig. 2 das Schaltbild der Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Puissparsnungen U_P und Up.

In Fig. Ia. Ib. Ic ist der zeitliche Verlauf der Frequenzsignale j_s. 2 ·/,. 4 ■ J_s zur Erzeugung eines hier 8slufigen Referenzstromes /„ dargestellt. Aus den Frequonzsignalen \vird in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 über digitale Verknüpfungsglieder 1 — 8 und die Widerstände·)— 16 der Summenstrom /„gemäß Fig. ldgebil-. del. Durch Integration des Stromes /,, im Verstärker 17 mit dem Integrationskondensator 18 ergibt sich die Integratorausgangsspannung U₁. Die Spannung U, wird durch die Zenerdiode 19 (Fig. 2) auf die Spannung U_x begrenzt. Ü ber den Schaller 20 wird der I ntegrationskondcnsator 18 in den einzelnen Sägezahninlervallen T_s mehrmals schlagartig entladen. Der Schalter 20 wird durch die Frequenzquelle 21 in den Zeitintervallen T₁, = i/fp angesteuert. Je nach Anforderungen kann die Frequenz/,, mil der Frequenz/_X synchronisiert werden. Der grundsätzliche Verlauf von J_n und lntegratorspannung U₁ ist in den Bildern Ie, 1 f in Fig. 1 aufgezeigt. Die Spannung U₁ wird mit der Spannung U_v im Komparator 26 verglichen, wobei U₁ und U₁ durch die Eingangswiderstände 23 und 24 gleich bewertet werden.

Wenn die Summe der beiden Spannungen U₁ und U₁-größer als Null ist, dann wird die Zenerdiode des Comparators in Vorwärtsrichtung leitend, d.h. üie Ausgangsspannung Ü_p ist ungefähr gleich Null; wenn die Summe der beiden Spannungen U₁ und U₁ kleiner als Null ist. dann wird die Zenerdiode in Rückwärlsrichtung leitend, d.h. 0_p entspricht der Zenerspannung. Über das Potentiometer 25 kann man die Amplitude von U,- und damit den Schaltzeitpunkt des Komparators einstellen. Folglich läßt sich über U_v die Mindestpulsbreite AT_min vorgcbpru wie dies in Bild ! angedeutet ist.

Am Komparatorausgang treten infolge des Zwei-Punkt-Verhaltens de? Komparators digitale Signale Ü_t auf, deren Breite Δ 7'in den einzelnen Sägezahnintervallen T_s jeweils linear abnimmt. Durch Invertierung des Komparatorausgangssignals LJ₁, im Inverter 27 erhält man ein pulsbreitenr .oduliertes Signal U_p mit säeezahnförmig ansteigendem Mittelwert gemäß Fig. Ih. Die Frequenz f_p kann man Abgleichwiderstand 22 einstellen. Die Signale U₁, und U_p lassen sich zu eine-n Signal mit konstantem Mittelwert ergänzen.

Die weitere Verarbeitung der pulsbreitenmodulicrten Signale Ü_p und U_p zu ^'.euersignalen für Zwischenkreisumrichter sind in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben und brauchen damit nicht weiter behandelt zu werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen von mil

der Frequenz/;,-= periodisch wiederkehrenden Im i s

pulsl'olgen. die derart pulsbreiienmodulieri sind, daß sich ihr Gleichstrommittelwert im Intervall T_s linear ändert, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Schaltungsbestandieile:

a) einen Stromgenerator, der für die einzelnen Intervalle T_s jeweils einen Strom I₁, mil mindestens angenähert hyperbellormigem Amplitudenverkiuf erzeugt. !5

b) einen Integrator (17—19). der den Strom /„ integriert.

c) eine Einrichtung (20—22). die den Integrator (17 — 19) innerhalb eines jeden Intervalles T_s mijymals fremdgesteuert auf Null zurückstellt. und

d) einen Komparator<23.24.26). der die pulsbreitenmodulierten Impulsfolgen (£/_p) durch Vergleich des Ausgangssignals U, des Integrators (17—19) mit einer Gleichspannung U₁- bildet.

2. Schaltungsanordnung .nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (23, 24. 26) das Ausgängssignal U₁ des Integrators (17—19) mit der Gleichspannung U₁- so vergleicht, daß der sägezahnIormjg verlaufende Mittelwert ihres AusgangssignaL Ü_p abfallt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (23,24. 26) ein Inverter (27) naciigcsd- illct ist, der das Ausgangssignal Op des Komparators invertiert, so daß an dem Ausgang des inverters ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal mit sägezahn form ig ansteigendem Mittelwert auftritt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator (1 — 16) den Strom /„ aus 2" Einzuströmen zusammensetzt, die über 2" Bewertungs*viderstände (9 — 16) aus 2" Spannungsq uellen innerhalb jedes Sägezahnintervalls T_s 2" - mal so zu- oder abgeschaltet werden, daß durch diese Schaltvorgänge in Verbindung mit den gewählten Bewertungswiderständen der hyperbelförmige Amplitudenverlauf des Stromes I₁₁ durch eine Stufenkurve angenähert wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorgabe des Pulsmusters innerhalb der einzelnen Sägezahnintervalle 7"_sder Integrationskondensator (18) des Integrators (17—19) mit einer einstellbaren Frequenz./,= \/T_p über einen Analogschalter (20) entladen wird, so daß die Häufigkeit der Entladungen die Pulsfrequenz^ festlegt, und daß die Integrationszeil und die Frequenz./, so gewählt werden, daß der Integrator (17 — 19) auch beim kleinstmöglichen Eingangsstrom /;, ausgangsseitig noch einen vorbestimmten Maximalwert U_z erreicht, der durch eine zum Integrationskondensator (18) paralleigeschaltete Zenerdiode (19) festgelegt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation des Pulsmusters mit einer Fremdfrequenz die Entladung des Integrationskondensators (18) so schnell erfolgt, daß die abfallende Flanke des Integrationsausgangssignals U, synchron zu dem Entladesignal ist, und daß das Entladesignal mit der übergeordneten Frenidfrequenz/^ synchronisiert isl.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß über die Größe der dem Komparator (23.24.26) zugeführten Gleichspannung £', die MindesldauerAr_mijI der Einzelpulse des Ausgangssignals t',. des Inverters (27) einstellbar ist. . '' .