DE3403802A1 - Impulsgenerator fuer impulsbreitenmodulation - Google Patents

Impulsgenerator fuer impulsbreitenmodulation

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DE3403802A1 DE19843403802 DE3403802A DE3403802A1 DE 3403802 A1 DE3403802 A1 DE 3403802A1 DE 19843403802 DE19843403802 DE 19843403802 DE 3403802 A DE3403802 A DE 3403802A DE 3403802 A1 DE3403802 A1 DE 3403802A1
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo
Japan
Impulsgenerator für Impulsbreitenmodulation
Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsgenerator für Impulsbreiten(PVJM)-Modulation der ein zur Steuerung eines PWM-Inverters verwendeten PWM-Impuls erzeugt.
PWM-Inverter werden weitläufig dazu verwendet, die Drehzahl von Asynchronmotoren zu steuern. Das Zünden des PWM-Inverters wird über einen PWM-Impuls gesteuert, der durch Vergleich eines Sinuswellen-Spannungssignals (modulierende Welle) mit einem Dreiecksignal (Trägerwelle) erzeugt wird. Die Amplitude und die Frequenz des Sinuswellen-Spannungssignals werden so bestimmt, daß eine Komponente der Grundwelle der Ausgangsspannung des PWM-Inverters die vom Asynchronmotor geforderte Amplitude und Frequenz hat.
Es wurde bereits ein Vektor-Steuerverfahren entwickelt, bei dem der Primärstrcm eines Asynchronmotors in eine Komponente, die die gleiche Richtung wie der magnetische Fluß hat, (die
81-A8479-02/CMA1
Komponente des Erregerstroms) und in einen zu dieser senkrechten Komponente (die Komponente des Drehmomentstroms) zerlegt wurde und die Komponenten einzelngesteuert wurden. Bei der .Anwendung dieses Vektorsteuerverfahrens wird eine ebenso genaue Drehmomentsteuerung eines Asynchronmotors erreicht, wie bei Gleichstrommotoren. Solch ein Vektorsteuerverfahren ist in der US-PS 3 824 437 Centspricht der DE-OS 194 312) und in der japanischen Patentanmeldung, Offenlegungsur: 11125/76 bekannt.
Bei dem Vektorsteuerverfahren werden sowohl die Amplitude und die Frequenz des Primärstroms als auch dessen Phase zeitweise geändert. Wenn das Vektorsteuerverfahren dazu verwendet wird, einen Asynchronmotor mittels eines PWM-Inverters zu steuern, so werden die Amplitude, die Frequenz und die Phase der modulierenden Wellen geändert. Andererseits wird die Trägerwelle so gesteuert, daß sie zu jeder Periode der modulierenden Welle synchronisiert ist. Dementsprechend bleibt die Trägerwelle bis zum Ende einer Periode unverändert, selbst wenn die Phase der modulierenden Welle geändert wird. Daher hat der PWM-Impuls eine Form, die dazu führt, daß die Ausgangsspannung (Grundwellenkomponente) des PWM-Inverters nicht sinusförmig ist. Daraus ergibt sich, daß keine Vektorsteuerung mit hoher Präzision erzielt wird.
Die Vektorsteuerung kann mittels einer Digitalsteuerung durch Verwendung eines Mikroprozessors durchgeführt werden. Ist jedoch die Trägerwelle eine Dreieckswelle, so weist diese Spitzen auf, die Unstetigkeiten darstellen und die Software-Verarbeitung ist entsprechend schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen PWM-Impulsgenerator zur Erzeugung eines PWM-Impulses vorzuschlagen, mit dem erreicht wird, daß die Ausgangsspannung des PWM-Inverters^ selbst wenn sich die Phase der modulierenden Welle plötzlich ändert, sinusförmig verläuft.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes im Sinne der Aufgabenstellung beschrieben
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine Sinuswelle über einen Bereich, der 86 I der Amplitude der Welle ausmacht, hinreichend genau linear angenähert werden kann und in diesem Bereich im wesentlichen einer Dreieckswelle mit einer Amplitude, die 1,2 mal größer ist als die der Sinuswelle, entspricht. Als Trägerwelle wird eine Sinuswelle benutzt.
Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Ausschnitt des Blockschaltbildes des Impulsgenerators ;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Erfassung der Phasenände rung;
Fig. 4 eine Kennlinie der Frequenzverhältnis-Einstellschaltung ;
Fig. 5
bis 7 Wellendiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des PWM-Impulsgenerators;
Fig. 8 ein Flußdiagramm für die Steuerung eines Mikroprozessors.
In Figur 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen PWM-Generators dargestellt.
Ein Asynchronmotor 3 wird von einem PWM-Inverter 2 gesteuert. Der PWM-Inverter 2 weist einen Gleichrichter auf, der die von einer Wechselspannungsquelle 1 gelieferte Wechselspannung gleichrichtet.Der Ausgangsstrom des PWM-Inverters 2 wird von
einem Strommesser 10 erfaßt. Ein Drehzahlmesser 4 ist mechanisch an den Asynchronmotor 3 gekoppelt. Ein Signal N* der Drehzahleinstellschaltung 5 zur Steuerung der Drehzahl und ein Drehzahlerfassungssignal N des Drehzahlmessers 4 werden mit der in Figur 1 gezeigten Polarität an die Drehzahlsteuerschaltung angelegt. Die Drehzahlsteuerschaltung 6 erzeugt/dem Drehzahlfehler entsprechend/ ein zum magnetischen Fluß des Asychronmotors 3 senkrechtes Signal I * zur Steuerung des Drehmoment-Stroms und liefert es an eine Einheit 7 zur Berechnung der Schlupffrequenz und an eine zweite Stromsteuerschaltung 13. Die Einheit 7 zur Berechnung der Schlupffrequenz 7 erstellt ein Schlupffrequenzsteuersignal ω * aus dem Drehmomentstromsteuersignal I * und dem von einer Erregerstromsteuerschaltung 11 gelieferten Erregerstromsteuersignal I * und liefert es an einen Addierer 8. Der Addierer 8 addiert das Schlupffrequenzsteuersignal o> und die erfaßte Drehzahl N (die proportional zur Rotationsfrequenz Ui ) ist . Das ausgegebene Summensignal ist das Hauptfrequenz-Steuersignal für den Asynchronmotor 3. Eine Recheneinheit zur Bestimmung der Winkelfrequenz empfängt das Hauptfrequenz-Steuersignal vom Addierer 8, verrechnet ein Hauptwinkelfrequenz-Steuersignal ω..* und liefert dieses an einen Impulsgenerator 15. Eine Einheit zur Berechnung der Stromkomponenten empfängt ein vom Strommesser 10 erfaßtes Hauptstromsignal i und berechnet den Erregerstrom I , der die Stromkomponente mit der gleichen Richtung wie der des magnetischen Flusses darstellt und den Drehmomentstrom, der die dazu senkrechte Komponente darstellt, als Gleichströme. Die Einheit zur Berechnung der Stromkomponenten kann z.B. gleich der in der Fig. 4 der jap. Patentanmeldung, Offenlegungsnr. 199489/83 gezeigten sein. Eine erste Stromsteuerschaltung 12 spricht auf die Differenz zwischen dem Erregerstromsteuersignal I * und dem Ist-Stromwert Im■ an und erzeugt ein Ausgabespannungs-Steuersignal V * mit der gleichen Richtung wie der des magnetischen Flusses der Hauptphasenspannung des Synchronmotors 3. Zweite Stromsteuerschaltung 13 spricht auf die Differenz zwischen dem Drehmomentstrom-Steuersignal It* und dem Ist-Strom I. an und erzeugt ein Ausgabespannungs-Steuersignal V *, das senkrecht zum magnetischen Fluss der Grundphasenspannung ist. Diese Spannungssteuersignale V"m* und V^* werden
an einen Spannungsberechner 14 angelegt. Der Spannungsberechner 14 erstellt aus den Signalen V * und V * ein Amplitudensteuer-
m t r
signal A* und ein Phasensteuersignal Θ* der Hauptspannung (mo dulierende Welle) in Form von Gleichstromsignalen und liefert diese an den Impulsgenerator 15. Ebenso wird ein Zeittakt Pc von einem Oszillator 16 an den Impulsgenerator 15 angelegt.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Impulsgenerators 15. Eine Schaltung 30 zum Einstellen des Freqeuenzverhältnisses empfängt ein Haupt-Winkelfrequenzsteuersignal to * und erzeugt ein Frequenzverhältnissignal η mit der in Figur 4 gezeigten Kennlinie. Das Frequenzverhältnis η wird von der maximalen Schaltfrequenz bestimmt, die von der Schaltfrequenz des PWM-Inverters 2 zugelassen wird. Eine Vorwärts/Rückwärts-Steuerschaltung 31 erzeugt ein "Vorwärts"-Signal F, wenn das Hauptwinkelfrequenz-Steuersignal Co1* positiv ist und sie erzeugt ein "Rückwärts"-Signal R, wenn U).* negativ ist und legt das entsprechende Signal an einen Auf- und Abzähler 20 an. Der Zähler 20 empfängt den Zeittaktimpuls Pc vom Oszillator 16 und zählt aufwärts, wenn das Vorwärts-Signal F daran angelegt ist und er zählt abwärts, wenn das Rückwärts-Signal daran angelegt ist. Eine Multipliziereinheit 32 multipliziert das Hauptwinkelfrequenz-Steuersignal Io 1 * mit dem Frequenzverhältnis η um eine Winkelfrequenz <« der Trägerwelle zu erhalten und legt diese an die Multipliziereinheit 21 an. Die Multipliziereinheit 21 multipliziert einen Zählwert t des Zählers 20 mit Winkelfrequenz t^ Q der Trägerwelle ^n- Ein Detektor 33 zur Erfassung der Phasenänderung der Trägerwelle empfängt das Phasensteuersignal Θ* und das Trägerverhältnis η um eine Phasenänderung Δ9q der Trägerwelle zu erhalten. Der Detektor 33 ist, wie in Figur 3 gezeigt, aufgebaut. Das Phasensteuersignal Θ* der modulierten Welle vom Spannungsberechner 14 wird mit dem Frequenzverhältnis η mittels der Multipliziereinheit multipliziert und die dem Phasensteuersignal Θ* der modulierenden Welle entsprechende Phase 0fi der Trägerwelle zu erhalten.
Die von der Multipliziereinheit 37 berechnete Phase θ-, der Trägerwelle wird in einen Speicher 38 gespeichert und die Differenz zwischen der von der Multipliziereinheit 37 berechneten Phase θ und dem Inhalt des Speichers 38 wird mittels einer Subtrahiereinheit 39 mit den in Figur 3 gezeigten Polaritäten berechnet. Da die Phase der Trägerwelle Θ« sich mit der Änderung des Phasensteuersignals Θ* der modulierenden Welle ändert, berechnet die Subtrahiereinheit 39 die Phasenänderung - Δθ0 der Trägerwelle. Wenn die Phasenänderung Δ 9Q der Trägerwelle positiv ist, eilt die Phase relativ zu der Phase vor der Änderung vor.
Mit Bezug auf Figur 2, addiert der Addierer 23 die Phasenänderung Δθη der Trägerwelle und die im Speicher 24 gespeicherte Phase der Trägerwelle vor der Änderung auf und liefert die Summe, die das Trägerwellenphasensignal Θ« darstellt an einen Addierer 22. Das vom Addierer 22 gebildete Summensignal ( ujQt + QQ) wird an einen Sinuswellenkonverter 27 angelegt, in dem es in ein Sinuswellenträgersignal sin ( odQt + θβ) umgewandelt wird. Das Sinuswellen-Trägersignal vom Sinuswellenkonverter 27 wird an einen Vergleicher 29 angelegt. Andererseits empfängt eine Multipliziereinheit 25 das Inverse 1/η des Trägerfrequenzverhältnisses η von einer Inversionsschaltung 34 und multipliziert es mit der vom Addierer 22 gebildeten Summe C tu t + 9q). Das Ausgabesignal 1/n( ou Qt + B0) der. Multipliziereinheit 25 wird an den Sinuswellenkonverter 26 angelegt, in dem es ein Sinuswellensignal sin (w Qt + 9Q) = sin C ω .t + Θ) umgewandelt wird. Eine Multipliziereinheit 28 multipliziert das Sinuswellensignal von dem Sinuswellenkonverter 26 mit dem Amplitudensteuersignal A* um ein modulierendes Sinuswellensignal A* sin ( ω ηt + Θ) zu erzeugen und liefert dieses an den Vergleicher 29. Der Vergleicher 29 vergleicht das modulierende Sinuswellensignal mit dem Sinuswellenträgersignal und erzeugt einen PWM-Impuls, der einen Pegel "1" hat, wenn das modulierende Signal größer als das Trägerwellensignal, oder gleich diesem ist.
Die Arbeitsweise wird im folgenden erläutert.
Die Arbeitsweise der Einheit 14 zur Berechnung des Hauptwinkelfrequenzsteuersignals W1* oder der Einheit zur Berechnung des Amplitudensteuersignals A* und des Phasensteuersignals Θ* gemäß den folgenden 'Gleichungen 1 bis 3 sind bereits bekannt und werden hier nicht mehr erläutert.
U)1* = k C OJ5* + u/p CD
mit k: Proportionalitätskonstante
A* = IjCV1.*)2 + CVm*)2 (2)
1 V
θ* = tan ' -£- (3)
Wenn der Asynchronmotor 3 vorwärts läuft, ist der Ausgabewert des Drehzahlmessers 4 und das Steuersignal ω * der Einheit zur Berechnung der Schlupffrequenz positiv, und somit ist das Hauptwinkelfrequenz-Steuersignal ω* positiv. Wenn der Asynchronmotor 3 rückwärts läuft, ist das Drehzahlsteuersignal N* negativ und somit ist auch das Signal ω * negativ.
Der Impulsgenerator 15 empfängt die Signale tu *, A* und Θ* und den Zeittaktimpuls Pc vom Oszillator 16 und arbeitet auf folgende Weise.
Der Auf- und Abzähler 20 zählt die Zeittaktimpulse Pc. Wenn am Zähler 20 das Vorwärts-Signal F anliegt, zählt er die Zeittaktimpulse von 0 bis zu einem maximalen Wert aufwärts,, und wenn der Wert einen maximalen Wert erreicht hat, läuft dieser über und wird auf 0 zurückgestellt und wiederholt das Aufwärtszählen. Wenn das Rückwärts-Signal R am Zähler anliegt, zählt er die Zeittakt impulse Pc von einem maximalen Wert ab rückwärts/ und wenn der Zählwert Null erreicht wird, wird der Zähler auf
den maximalen Wert zurückgestellt und wiederholt anschließend das Rückwärtszählen. Es sei angenommen, daß das Phasensteuersignal Θ* bei einer vorbestimmten Phase Θ.. stationär ist, die Phasenänderung Δθ« am Phasenänderungsdetektor 33 gleich Null ist und ein Trägerwellenphasensignal Qq-,, das der Phase Θ.. der modulierenden Welle entspricht, an den Addierer 22 angelegt ist. In diesem Fall werden ein Sinuswellenträgersignal T vom Sinuswellenkonverter 27 und ein modulierendes Sinuswellen signal M von der Multipliziereinheit 28 ausgedrückt durch:
T = sin ( ulQt + θ01) (4)
M = Asin I C^t * G)
C^ot G01)
= As in ( ω ^t +Q1) (5)
Wenn die Trägerwelle T und die modulierende Welle M die Gleichungen 4 und 5 erfüllen und wenn die modulierende Welle M , die in Figur 5a durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, eine Amplitude A. hat, erzeugt der Vergleicher 29 einen PWM-Impuls mit einer in Figur 5b gezeigten Form. Wenn die in Figur 5a durch eine strichpunktierte1Linie dargestellte modulierte Welle M eine Amplitude A- hat, erzeugt der Vergleicher 29 einen PWM-Impuls mit der in Figur 5c gezeigten Form.
Angenommen die Trägerwelle T und die modulierende Welle M erfüllen die Gleichungen 4 und 5, so daß der PWM-Impuls erzeugt wird und das Phasensteuersignal Θ* der modulierenden Welle (Punkt A) eilt wie in Figur 6a gezeigt zum Zeitpunkt t-| um "Tt/3 vor. Wenn das durch die Schaltung 30 zur Festsetzung des Frequenzverhältnisses festgelegte Frequenzverhältnis η = 9 ist, beträgt die vom Phasenänderungsdetektor 33 erfaßte Phasenänderung der Trägerwelle 3Tf. Entsprechend ist die vom Addierer 22 gebildete Summe U Qt + 9Q1 + 37f . Angenommen, das Amplitudensteuersignal A* ist A1, dann werden die vom Sinuswellenkonverter
27 erzeugte Trägerwelle T und die von der Multipliziereinheit 28 erzeugte modulierte Welle M dargestellt durch:
T = sin (^0ί + θ01 +3TO (6)
M = A1 sin -~- C WQt + θ01 + 3 IT' )
= A1 sm C + j J (7j
Wann die Trägerwelle T und die modulierende Welle M die Gleichung 6 und 7 erfüllen, wird der diese Beziehung zwischen der modulierenden Welle und der Trägerwelle T erfüllende PWM-Impuls nach dem Punkt B zum Zeitpunkt t. erzeugt. Figur 6b zeigt die Form des PWM-Impulses, wenn sich die Phase der modulierenden Welle M nicht ändert und Figur 6c zeigt die Form des mit den erfindungsgemäßen Impulsgenerator erzeugten PWM-Impulses, wenn sich die Phase der modulierenden Welle M ändert. Wie aus einem Vergleich der Figuren 6b und 6c ergibt, ist die Form der in Figur 6c gezeigten PWM-Impulsen nach einem Zeitpunkt t. der Form der PWM-Impulse nach dem Punkt B in Figur 6b ähnlich.
Figur 7 zeigt Diagramme für den Fall, daß die Vorwärts/Rückwärts-Steuerschaltung 31 das Rückwärtssignal R erzeugt.
Angenommen die Trägerwelle T und die modulierende Welle M erfüllen die folgende Gleichung, so daß ein PWM-Impuls erzeugt wird und die Vorwärts/Rückwärts-Steuerschaltung 31 erzeugt das Rückwärtssignal R zum Zeitpunkt t~ , wie in Figur 7d gezeigt ist.
T = sin (t)ot + t θ0) (8)
M = Asin —- Cw Qt + θ0)
= Asin (.«ujt + θ ) (9)
Wenn das Rückwärts-Signal R an den Auf- und Abzähler 20 angelegt wird, zählt dieser die Zeittaktimpulse Pc rückwärts. Daraufhin ändert sich ab einem Zeitpunkt t- die Trägerwelle T und die modulierende Welle M mit entgegengesetzter Phase, die durch die gestrichpunkteten Linien in Figur 7a gezeigt ist. Das heißt, die Wellen folgen der Änderung der Richtung des magnetischen Flusses des Asynchronmotors 3, so daß ein weiches Umschalten vom Vorwärtslauf in den Rückwärtslauf erzielt wird. Beim Umschalten vom Vorwärtslauf in den Rückwärtslauf hat der PWM-Impuls die in Figur Ic gezeigte Form. Die Form des PWM-Impulses, wenn das Rückwärtslauf-Steuersignal R zum Zeitpunkt t- nicht angelegt wird und der Vorwärtslauf beibehalten wird, ist in Figur 7d gezeigt.
Auf diese Weise wird der PWM-Impuls zur Steuerung des Zündens des PWM-Inverters erzeugt und als Trägerwellensignal wird das Sinuswellensignal verwendet und um der Phase der modulierenden Welle zu folgen, wird die Phase der Trägerwelle geändert. Daher kann selbst wenn die modulierende Welle sich plötzlich ändert, der PWM-Impuls, der dazu führt, daß die Ausgangsspannung (Grundkomponente) des PWM-Inverters sinusförmig ist, erzeugt werden. Dementsprechend kann eine genaue Vektorsteuerung erreicht werden.
Die Erfindung kann durch die Verwendung eines programmierbaren Mikroprozessors ergänzt werden.
Figur 8 zeigt ein Flußdiagramm für ein solches Programm. Die Signale A*, Θ* und Ui1* werden in einem ersten Schritt eingelesen und daraufhin wegen Wq, η, Δ 9Q und F/R berechnet. Dann wird das vorhergehende G^1 zu A Qn hinzuaddiert, um die Phase 9n zu erhalten. U) ^ und t werden miteinander multipliziert , um das Produkt O)nt zu bilden, zu dem θ addiert wird, um X1
1
zu erhalten. Dann werden X1 und — multipliziert, um x? zu erhalten. Aus X1 und x? werden y, =Asin x? und y~ = sin X1 berechnet, die daraufhin verglichen werden. Wenn γ, - y2 ist, wird als Ausgabewert eine "1" erzeugt, und wenn y1 ^ y2 ist,
wird als Ausgabewert eine "0" erzeugt. Wird ein Vorwärtslaufbefehl F erzeugt, so wird t auf den Wert t + 1 erhöht und wenn der Rückwärtslaufbefehl R erzeugt, wird t auf den Wert t - 1 herabgesetzt. Auf diese Weise wird die gleiche Betriebsart wie in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform erreicht. Da bei der Erfindung das Trägerwellensignal ebenfalls durch eine stetige Funktion dargestellt wird, ist es für eine vollständig digitalisierte Schaltung geeignet, in der ein Mikroprozessor verwendet wird.
Wie bereits oben stehend beschrieben wurde, wird erfindungsgemäß ein Sinuswellensignal als Trägerwelle verwendet. Um plötzlichen Änderungen der modulierten Welle zu folgen, wird die Phase der Trägerwelle geändert, so daß der PWM-Impuls, der dazu führt, daß die Ausgangsspannung des PWM-Inverters sinusförmig selbst dann erzeugt wird, wenn sich die Phase der modulierenden Welle plötzlich ändert. Als Ergebnis wird eine genaue Vektorsteuerung erreicht. Da die Trägerwellensignale und die moduliere den Wellensignale stetig sind, kann eine digitale Steuerung leicht durch die Verwendung eines Mikroprozessors erreicht werden.
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Claims (4)

Patentansprüche
1.j Impulsgenerator für Impulsbreitenmodulation, gekennzeichnet durch
modulierende Wellen erzeugende Elemente (30, 34, 25, 26, 28] zur Erzeugung eines modulierenden Sinuswellensignals, das die Grundkomponente der Ausgangsspannung eines Impulsbreiten modulations(PWM)-Inverters bildet,
Trägerwellensignale erzeugende Elemente (31, 20, 21, 22, 273 zur Erzeugung eines Sinuswellenträgersignals, dessen Frequenz η-mal so groß ist wie die des modulierenden Sinuswellensignals und das mit dem modulierenden Sinuswellensignal synchronisiert ist,
einem Vergleicher (29) zum Vergleichen des modulierenden Sinuswellensignals mit dem Sinuswellenträgersignal, um einen PWM-Impuls zu erzeugen.
2. Impulsgenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die das Sinuswellenträgersignal erzeugenden Elemente (31, 20, 21, 22, 27) die Phase des Sinuswellenträgersignals synchron mit cer Phasenänderung des modulierenden Sinuswelle: Signals ändern, wobei die Phasenänderung des Sinuswellen-
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trägersignals n-raal größer ist als die Phasenänderung des modulierenden Sinuswellensignals.
3. Impulsgenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Trägerwellensignale erzeugenden Elemente (31, 20, 21, 22, 27) die Frequenz der Trägerwellensignale umgekehrt proportional zur Frequenz der modulierenden Sinuswellensignale ändern.
4. Impulsgenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplitude der Sinuswellenträgersignale größer als die der modulierenden Sinuswellensignale ist.
DE19843403802 1983-02-04 1984-02-03 Impulsgenerator fuer impulsbreitenmodulation Granted DE3403802A1 (de)

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