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Stromregelschaltung mit einer Brückenschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Stromregelschaltung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Mit den bekannten Stromregelschaltungen dieser Art (z.B. gemäß DE-OS
26 09 544; DE-OS 31 31 574; DE-OS 32 26 547) läßt sich bei hohem Wirkungsgrad eine
reaktionsschnelle Regelung erzielen. Wird hierbei z.B.
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gemäß der Abhandlung "Reaktionsschnell und präzise" in der Fachzeitschrift
elektrotechnik 66, Heft 15/16 vom 24. Aug. 1984, Seiten 22 bis 28 eine Brückenschaltung
nach Bild 12, Seite 26 verwendet, ist es bekannt eine Sicherheitsanordnung vorzusehen
die verhindert, daß die Halbleiterschalter eines Brückenzweiges T1 und T2 oder T3
und T4 gleichzeitig durchgesteuert werden und hierbei die an diesem Brückenzweig
anliegende Betriebsspannung kurzgeschlossen wird. Üblicherweise besteht diese Sicherheitsanordnung
aus Zeit und/oder Sperrgliedern die ein Schließen der Halbleiterschalter erst dann
zulassen,
wenn der andere Halbleiterschalter vollständig geöffnet
ist.
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Werden Stromregelungen erforderlich bei denen sich der Strom präzise
bzw. genau linear mit der Steuerspannung ändert, macht sich bei den bekannten Schaltungen
ein -störender Totbereich bei kleinen Steuerspannungen störend bemerkbar, bei dem
der Strom durch den Verbraucher in der Nähe von Null konstant bleibt. Um diesen
Totbereich bzw. dessen störende Auswirkungen zu verringern, ist es (z.B. gemäß DE-OS
32 21 093) bekannt in diesem Bereich die Taktfrequenz der dreieckförmigen Referenzspannung
zu erhöhen oder die Steuerspannung zusätzlich zu verstärken. Abgesehen von dem hierbei
erforderlichen Mehraufwand entstehen Linearitätsabweichungen in der Regelkurve bzw.
sprunghafte Veränderungen, die sich nur mit schwierigen Einstellungen und Bemessungen
klein halten lassen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung diesen Totbereich ohne wesentlichen Mehraufwand
zu kompensieren, ohne daß hierbei die Linearität der Regelkurve verschlechtert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Schaltungsmerkmale
gelöst.
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Im allgemeinen entsteht die Totzeit im wesentlichen durch die Einschaltverzögerung,
welche durch die Sicherheitsanordnung bewirkt wird. Ist dies der Fall, kann die
Zeit in der die dreieckförmige Referenzspannung konstant gehalten wird entsprechend
dieser Einschaltverzögerungszeit gewählt werden. Die erfindungsgemäße Schaltung
kann sowohl bei einer Impulsdauermodulation angewendet werden, die mit einer Referenzspannung
und
einer zweiten, spiegelbildlich invertierten Steuerspannung arbeitet, oder bei der
nur eine Steuerspannung mit einer positiven und einer zweiten negativen dreieckförmigen
Referenzspannung verglichen wird (siehe DE-OS 32 26 547 insbes. Fig. 3).
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele und besonders vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromregelschaltung für einen
Gleichstrommotor Fig. 2 Signaldiagramme von Spannungen der Schaltung gemäß Fig.
1 ohne Kompensation des Totbereiches Fig. 3 Signaldiagramme gemäß Fig. 2 mit Kompensation
des Totbereiches Fig. 4 Signaldiagramme eines weiteren Ausführungsbeispieles Fig.
5 eine teilweise digitalisierte Schaltung.
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In einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird eine Steuerspannung
am Eingang 1 über einen Widerstand 2 dem Eingang eines in üblicher Weise beschalteten
Operationsverstärkers 3 zugeführt. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers liegt
an einem Eingang eines Komparators 4 und dem Eingang einer Invertierstufe 5, deren
Ausgang mit dem ersten Eingang eines weiteren Komparators 6 verbunden ist. Den zweiten
Steuereingängen der beiden Komparatoren 4 und 6 ist eine Dreieckspannung aus einem
Dreieckspannungsgenerator
7 zugeführt. Die Ausgänge der Komparatoren 4 und 6 sind jeweils über ein Einschaltverzögerungsglied
8 bzw. 9, sowie über je einen Negator 10 bzw. 11 auf jeweils ein weiteres Einschaltverzögerungsglied
12 bzw. 13 geführt. Die vier Einschaltverzogerungsglieder 8; 9; 12; 13 bestehen
aus RC-Integriergliedern 14; 15, deren Widerstand jeweils mit einer Diode 16; 17
derart überbrückt ist, daß die Dioden bei Eintreffen der Vorderflanke eines Ansteuerimpulses
hochohmig bleiben und die Rückflanke des Ansteuerimpulses weitgehend unverzögert
über die Diode (16; 17) an den Ausgang gelangt. Die über die vier Einschaltverzögerungsglieder
8; 9; 12; 13 gelangenden Impulse sind jeweils an Ausgänge a; d b; c geführt und
dienen - über Treiber - oder weitere Stufen geführt - der Ansteuerung von vier Transistor-Leistungsschaltern
20; 21 22; 23; die überbrückt durch Freilaufdioden 24, in bekannter Weise geschaltet,
die vier Zweige einer Brückenschaltung bilden. In der Brückendiagonalen liegt ein
Gleichstromservomotor 25, an den in bekannter Weise impulsdauermoduliert - je nach
Größe und Polung der Steuerspannung (1) - Irnpulseunterschiedlicher Breite, von
der positiven oder der negativen Seite der Betriebsspannung 26; 27 angelegt werden.
Bei entsprechend hoher Frequenz des Dreieckspannungsgenerators 7 erzeugen diese
Impulse einen Gleichstrom, der mit Oberwellen insbesondere mit doppelter Frequenz
überlagert ist.
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Die Wirkungsweise dieser, an sich in ähnlicher Weise bekannten, Schaltungsanordnung
soll anhand der Kurven-bzw. Impulszüge nach Fig. 2 erläutert werden. Die symmetrisch
zur Bezugsspannung 30 verlaufende Dreieckspannung 31 dient als Referenzspannung
für eine Steuerspannung
32, wobei der Komparator 4 gemäß Ko 1
immer dann auf H schaltet, wenn die Dreieckspannung 31 negativer ist als die Steuerspannung
32. Der Komparator 6 dem die invertierte Steuerspannung 33 zugeführt ist, - schaltet
gemäß Ko 2 - immer dann auf H, wenn die Dreieckspannung 31 negativer als die invertierte
Steuerspannung ist.
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Über die Ausgänge der Komparatoren 4; 6 werden mit den Signalen Ko
1 und Ko 2 die Leistungstransistoren 20 und 21 einschaltverzögert mit den Signalen
a und b eingeschaltet, wobei über die gleichen Signale Ko 1 und Ko 2 gleichzeitig
über die Negatoren 10; 11 unverzögert ein Ausschalten der Leistungstransistoren
22 und 23 entsprechend der Signale c und d bewirkt wird. Hierdurch wird sichergestellt,
daß gleichgültig welche Spannungen oder Impulse an den Eingängen der Komparatoren
4; 6 anliegen, ein Einschalten der Leistungstransistoren 20; 21 verzögert immer
nur dann erfolgen kann, wenn zuvor die Leistungstransistoren 22, 23 der gleichen
Halbbrücke unverzögert ausgeschaltet wurden. Das gleiche gilt umgekehrt für die
über die Negatoren 10; 11 geführten Ansteuersignale c; d durch die die Leistungstransistoren
22; 23 verzögert eingeschaltet werden, wenn zuvor die Leistungstransistoren 20;
21 des gleichen Brückenzweiges über das gleiche Ausgangssignal des entsprechenden
Komparators 4 oder 6 unverzögert ausgeschaltet wurden.
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Die Einschalt-Verzögerungszeiten 34 werden durch eine entsprechende
Bemessung der Verzögerungsglieder 8; 9; 12; 13 derart gewählt, daß mit Sicherheit
der andere Leistungstransistor bei jeder Belastungsart völlig geöffnet hat (einschließlich
Speicher- und Fallzeit), um mit Sicherheit ein Durchzünden einer Halbbrücke zu
verhindern.
Da die Einschaltzeit bei Leistungstransistoren üblicherweise wesentlich kürzer ist
als die Ausschaltzeit, wird auch bei anderen Sicherheitsschaltungen (z.B. mit monostabilen
Kippstufen) immer eine entsprechende Verzögerung zwischen dem Aus- und Einschalten
der Leistungstransistoren einer Halbbrücke erforderlich.
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Bei kleineren Steuerspannungen 32 (33) wie sie in Fig. 2 dargestellt
sind, ergeben sich hierdurch nur schmale Ausgangsimpulse Ua am Motor 25, die bei
sehr kleinen Steuerspannungen völlig unterdrückt werden. Dies wiederum bewirkt,
daß bei einer über die Zeit sich linear von positiven zu negativen Werten ändernder
Steuerspannung 32 (wie in Fig. 2 dargestellt) sich der Strom durch den Verbraucher
nicht in gleicher Weise - gemäß I soll - ändert sondern - gemäß I ist - zu einem
früheren Zeitpunkt 35 zu Null wird und erst bei einer Steuerspannung mit ausreichendem
negativen Wert in entgegengesetzter Richtung zum Zeitpunkt 36 zu fließen beginnt.
Es entsteht daher in der Regelkurve zwischen 35 und 36 ein Totbereich 37, der sich
unter Umständen, insbesondere bei Servomotoren, sehr nachteilig auswirken kann.
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Dieser Totbereich 37 läßt sich verkleinern, wenn die Frequenz der
dreieckförmigen Referenzspannung 31 wesentlich herabgesetzt wird, wobei jedoch dann
der Oberwellenanteil stark ansteigt und durch die niedrigere Frequenz dieser Oberwellen
dieser Anteil stärker stört. Wie bei anderen Regelkreisen bekannt, kann der Totbereich
durch eine Erhöhung der Regelsteilheit in diesem Bereich
gleichfalls
verringert werden, jedoch ergibt sich hierbei eine sprunghafte Veränderung der Regelkurven,
zumindest jedoch nicht lineare Abschnitte in der Regelung.
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Erfindungsgemäß läßt sich der Totbereich 37 durch eine einfach zu
erzielende Formveränderung des dreieckförmigen Referenzsignales 31 kompensieren,
wenn diese im Bereich der Bezugsspannung 30 eine kurze Zeitspanne konstant gehalten
wird und diese Zeitspanne der Einschaltverzögerungszeit 34 entspricht. In Fig. 3
ist eine derartige Referenzspannung 40 dargestellt. Das Konstanthalten im Nullbereich
bzw. bei einer Bezugsspannung 30 kann im Dreieckspannungsgenerator 7 z.B.
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durch eine Klemmtaktung oder noch einfacher (wie in Fig. 1 dargestellt)
durch eine Reihenschaltung von Dioden 41 - denen eine gleiche Anzahl Dioden 42 antiparallel
geschaltet sind - erzielt werden. Diese Dioden 41; 42 sind in die Zuleitung 43 vom
Dreieckspannungsgenerator 7 zu den Komparatoren 4; 6 geschaltet. Der an diesen Dioden
entstehende Spannungsabfall wird durch eine Erhöhung der Ausgangsspannung des Dreieckspannungsgenerators
7 ausgeglichen. Hierdurch liegt an den zweiten Eingängen der beiden Komparatoren
4; 6 die in Fig. 3 dargestellte Referenzspannung 40 an, die im Nullbereich kurzfristig
einen konstanten Nullwert 44 aufweist.
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Durch die Form der Referenzspannung 40 bedingt, ergeben sich nun auch
bei kleinen Steuerspannungen 32 wesentlich größere Unterschiede in der Impulsbreite
der Ausgangsspannungen Ko 1 zu Ko 2 der beiden Komparatoren 4 und 6.
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Dies wiederum bedingt ein vorzeitigeres entstehen der Impulsvorderflanken
der Ansteuerimpulse a; c bei
positiver Steuerspannung 32 oder b;
d bei negativer Steuerspannung 32. Hierdurch lassen sich die Einschaltverzögerungszeiten
34 kompensieren, so daß über die Brückendiagonalen an dem Motor 25 Impulse Ua abgegeben
werden, die einen linear mit der Steuerspannung sich ändernden Strommittelwert 45
bewirken. Unter Umständen kann es auch erforderlich sein, den Zeitabschnitt mit
dem konstanten Wert 44 etwas zu variieren z.B. um andere Schaltzeiten in der Schaltung
zusätzlich zu kompensieren.
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Wird bei einer Stromregelschaltung mit einer positiven und einer zusätzlichen
negativen dreieckförmigen Referenzspannung gearbeitet, die z.B. gemäß der DE-OS
32 26 547 insbesondere Fig. 3 mit einer einzigen Steuerspannung 32 verglichen werden
(ohne die invertierte Steuerspannung 33) kann die Kompensation des Totbereiches
37 dadurch bewirkt werden, daß gemäß Fig. 4 beide Referenzspannungen 47; 48 im Nullbereich
49 entsprechend konstant gehalten werden. Hierdurch wird in gleicher Weise eine
Kompensation des Totbereiches möglich, die durch eine Einschaltverzögerung 50 entsteht.
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Um eine sehr präzise Stromregelung zu ermöglichen, die sich ohne Schaltungsveränderung
leicht an unterschiedliche Anforderungen oder Brückenschaltungen z.B. mit anderen
Leistungshalbleitern anpassen läßt und/oder einen wesentlich störsichereren Aufbau
ermöglicht, kann insbesondere der Schaltungsteil hinter den Komparatoren 4; 6 und
die Referenzspannungserzeugung in Digitaltechnik z.B. gemäß Fig. 5 ausgebildet sein.
Hier sind die Glieder 1 bis 6 in gleicher Weise wie in Fig. 1
geschaltet.
Der Ausgang des Komparators 4 ist einmal direkt und einmal negiert auf einen Eingang
je einer Zählstufe 52; 53 geführt. In gleicher Weise liegt der Ausgang des Komparators
6 direkt und negiert an gleichartigen Eingängen weiterer zwei Zählstufen 54, 55.
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An einem Takteingang der Zählstufen 52 bis 55 liegt der Ausgang eines
Taktimpulsgenerators 56 der Taktimpulse mit einer wesentlich höheren Frequenz liefert,
als die der dreieckförmigen Referenzspannung (z.B. das hundertfache und mehr). Diese
Taktimpulse sind weiterhin einer Referenzspannungserzeugerstufe 57 und einer weiteren
Zählstufe 58 zugeführt. In der Referenzspannungserzeugerstufe 59 wird in an sich
bekannter Weise digital aus den Taktimpulsen eine Dreieckspannung 60 mit konstanter
Frequenz erzeugt, wobei eine Zählstufe 58 dafür sorgt, daß in einem Nullbereich
61 der Wert der Dreieckspannung über eine vorgegebene Anzahl von Taktimpulsen konstant
bleibt.
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Die Zählstufen 52 bis 55 können programmierbare Rückwärtszähler sein,
die z.B. über Und-Gatter 62 erst nach einer programmierten Anzahl von Taktimpulsen
Einschaltimpulse aus den Komparatoren 4; 6 an die Ausgänge a bis c gelangen lassen
bzw. diese Ausgänge von L nach H setzen, am Impulsende der Komparatorimpulse jedoch
unverzögert von H auf L zurücksetzen. Die dreieckförmige Referenzspannung 60 - die
üblicherweise viel feiner als dargestellt gestuft ist - wird wie in Fig. 1 den beiden
Komparatoren 4, 6 zum Vergleich mit der Steuerspannung 32 bzw. der invertierten
Steuerspannung 33 zugeführt.
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Wird nun z.B. zur Anpassung an schneller schaltende Leistungshalbleiterschalter
20 bis 23 die Taktfrequenz
erhöht, erhöht sich auch die Frequenz
der Referenzspannung 40 bzw. 60. Gleichzeitig verkürzt sich sowohl die Einschaltverzögerungszeit
34 in gleichem Umfang wie die Zeit des Nullbereiches 49; 61. Durch gemeinsames Umprogrammieren
aller Zählstufen 52 bis 55 und 58 kann gleichfalls eine einfache Anpassung erfolgen,
wobei die Totbereichskompensation erhalten bleibt.
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Die Stufen 52 bis 58 und 62 können Teil eines Gate-Arrays 63 sein,
das noch weitere Aufgaben erfüllt. So kann dies z.B. weitere Stufen enthalten, welche
die impulsdauermodulisierten Signale oder die Ausgangssignale Ua in Signale zur
Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder Synchronmotors mit mehreren
Phasenwicklungen (siehe DE-OS 32 26 547) entsprechend der Steilung eines Polradlagegebers
aufteilen.