DE3500711C2 - Stromregelschaltung mit einer Brückenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromregelschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 (DE-OS 32 26 001).

Mit bekannten Stromregelschaltungen (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. 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 zu­ lassen, wenn der andere Halbleiterschalter vollständig geöffnet ist.

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 Steuer­ spannungen 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 (zum Beispiel 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.

Aus der DE-OS 32 26 001 ist es ferner bekannt, eine lineare Regelkurve mit einer Übertragungscharakteristik ohne Totbereich durch Addition bzw. Substraktion einer Differenzspannung zu realisieren. Der Kenn­ linienteil für positive Steuerspannungswerte wird dabei durch Addi­ tion einer positiven Differenzspannung nach links, und der Kenn­ linienteil für negative Steuerspannungswerte durch Addition einer negativen Differenzspannung nach rechts verschoben, so daß sich eine totbereichsfreie Übertragungscharakteristik ergibt. Die Differenz­ spannung wird dabei aus der als Referenzspannung dienenden Dreiecks­ spannung gewonnen. Bei dieser Anordnung ist ein zusätzlicher Aufwand zur Gewinnung dieser Differenzspannung erforderlich. Außerdem hängt die Pausenzeit, welche das gleichzeitige Durchsteuern eines Brückenzweiges verhindern soll, von der Größe der Differenzspannung ab und nimmt mit höherer Frequenz ab. Um eine von der Frequenz der Dreiecksspannung unabhängige Pausenzeit zu erhalten, ist deshalb noch ein weiteres Bauelement, etwa ein Frequenz-Spannungswandler erforder­ lich.

Aus der Schrift DE-OS 29 30 920 ist weiterhin eine Stromregelan­ ordnung bekannt, die durch zeitlich versetztes Takten der Halbleiter­ leistungsschalter eine geringe Welligkeit des Laststromes und eine gute Linearität der Steuerkennlinie gewährleistet. Bei dieser An­ ordnung wird die Einhaltung einer Pausenzeit, durch welche das gleichzeitige Durchschalten eines Brückenzweiges verhindert werden soll, mit Hilfe von Einschaltverzögerungsgliedern erreicht. Besondere Maßnahmen zur Linearisierung des Regelverhaltens dieser Anordnung im Bereich kleiner Steuerspannungen sind jedoch nicht vorgesehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Totbereich ohne wesentlichen Mehraufwand zu kompensieren, ohne daß hierbei die Linearität der Regelkurve verschlechtert wird. Diese Aufgabe wird durch die in An­ spruch 1 gekennzeichneten Schaltungsmerkmale gelöst.

Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im allgemeinen entsteht die Totzeit im wesentlichen durch die Ein­ schaltverzögerung, welche durch die Sicherheitsanordnung bewirkt wird. Ist dies der Fall, kann die Zeit in der die dreieckförmige Referenzspannung konstant gehalten wird, entsprechend dieser Ein­ schaltverzögerungszeit gewählt werden. Die erfindungsgemäße Schaltung kann sowohl bei einer Impulsdauermodulation angewendet werden, die mit einer Referenz­ spannung und einer zweiten, spiegelbildlich invertierten Steuerspannung arbeitet, oder bei der nur eine Steuer­ spannung mit einer positiven und einer zweiten negativen dreieckförmigen Referenzspannung verglichen wird (siehe DE-OS 32 26 547 insbes. Fig. 3).

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 Ausführungs­ beispieles,

Fig. 5 eine teilweise digitalisierte Schaltung.

In einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird eine Steuerspannung am Eingang 1 über einen Widerstand 2 dem Eingang eines in üblicher Weise beschalteten Operations­ verstärkers 3 zugeführt. Der Ausgang dieses Operations­ verstärkers 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 Einschalt­ verzögerungsglied 8 bzw. 9, sowie über je einen Negator 10 bzw. 11 auf jeweils ein weiteres Einschaltver­ zögerungsglied 12 bzw. 13 geführt. Die vier Einschalt­ verzögerungsglieder 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 Einschaltver­ zögerungsglieder 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 Gleichstrom­ servomotor 25, an den in bekannter Weise impulsdauer­ moduliert - je nach Größe und Polung der Steuerspannung (1) - Impulse unterschiedlicher 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.

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 Dreieck­ spannung 31 dient als Referenzspannung für eine Steuer­ spannung 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 Steuer­ spannung ist.

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 einge­ schaltet, wobei über die gleichen Signale Ko 1 und Ko 2 gleichzeitig über die Negatoren 10; 11 unverzögert ein Ausschalten der Leistungstransistoren 22 und 23 ent­ sprechend der Signale c und d bewirkt wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß gleichgültig welche Spannungen oder Impulse an den Eingängen der Komparatoren 4; 6 an­ liegen, 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 um­ gekehrt für die über die Negatoren 10; 11 geführten An­ steuersignale 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. 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 Leistungs­ transistoren üblicherweise wesentlich kürzer ist als die Ausschaltzeit, wird auch bei anderen Sicherheits­ schaltungen (z. B. mit monostabilen Kippstufen) immer eine entsprechende Verzögerung zwischen dem Aus- und Einschalten der Leistungstransistoren einer Halbbrücke erforderlich.

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 ent­ gegengesetzter Richtung zum Zeitpunkt 36 zu fließen be­ ginnt. Es entsteht daher in der Regelkurve zwischen 35 und 36 ein Totbereich 37, der sich unter Umständen, ins­ besondere bei Servomotoren, sehr nachteilig auswirken kann.

Dieser Totbereich 37 läßt sich verkleinern, wenn die Frequenz der dreieckförmigen Referenzspannung 31 wesent­ lich herabgesetzt wird, wobei jedoch dann der Oberwellen­ anteil 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 hier­ bei eine sprunghafte Veränderung der Regelkurven, zu­ mindest jedoch nicht lineare Abschnitte in der Regelung.

Erfindungsgemäß läßt sich der Totbereich 37 durch eine einfach zu erzielende Formveränderung des dreieck­ förmigen Referenzsignales 31 kompensieren, wenn diese im Bereich der Bezugsspannung 30 eine kurze Zeitspanne konstant gehalten wird und diese Zeitspanne der Ein­ schaltverzögerungszeit 34 entspricht. In Fig. 3 ist eine derartige Referenzspannung 40 dargestellt. Das Konstanthalten im Nullbereich bzw. bei einer Bezugs­ spannung 30 kann im Dreieckspannungsgenerator 7 z. B. durch eine Klemmtaktung oder noch einfacher (wie in Fig. 1 dargestellt) durch eine Reihenschaltung von Dioden 41 - denen eine gleiche Anzahl Dioden 42 anti­ parallel geschaltet sind - erzielt werden. Diese Dioden 41; 42 sind in die Zuleitung 43 vom Dreieckspannungs­ generator 7 zu den Komparatoren 4; 6 geschaltet. Der an diesen Dioden entstehende Spannungsabfall wird durch eine Erhöhung der Ausgangsspannung des Dreieckspannungs­ generators 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.

Durch die Form der Referenzspannung 40 bedingt, ergeben sich nun auch bei kleinen Steuerspannungen 32 wesentlich größere Unterschiede in der Impulsbreite der Ausgangs­ spannungen Ko 1 zu Ko 2 der beiden Komparatoren 4 und 6. 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 Einschalt­ verzögerungszeiten 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.

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 inver­ tierte 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 ent­ steht.

Um eine sehr präzise Stromregelung zu ermöglichen, die sich ohne Schaltungsveränderung leicht an unterschied­ liche 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 Digital­ technik 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 gleich­ artigen Eingängen weiterer zwei Zählstufen 54, 55. 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 hundert­ fache und mehr). Diese Taktimpulse sind weiterhin einer Referenzspannungserzeugerstufe 57 und einer weiteren Zählstufe 58 zugeführt. In der Referenzspannungserzeuger­ stufe 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.

Die Zählstufen 52 bis 55 können programmierbare Rück­ wärtszähler sein, die z. B. über Und-Gatter 62 erst nach einer programmierten Anzahl von Taktimpulsen Einschalt­ impulse 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 un­ verzögert 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. Wird nun z. B. zur Anpassung an schneller schaltende Leistungshalbleiterschalter 20 bis 23 die Taktfrequenz erhöht, erhöht sich auch die Frequenz der Referenz­ spannung 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.

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 Gleich­ strommotors oder Synchronmotors mit mehreren Phasen­ wicklungen (siehe DE-OS 32 26 547) entsprechend der Stellung eines Polradlagegebers aufteilen.

Claims (9)

1. Stromregelschaltung mit einer Brückenschaltung aus Halbleiterleistungsschaltern, die mit Impulsen aus einer Pulsdauermodulationsstufe angesteuert den Strom durch einen Verbraucher in Größe und Richtung entsprechend einer Steuerspannung mit Hilfe einer dreieckförmigen Referenzspannung steuert und die Stromregel­ schaltung eine Sicherheitsanordnung aufweist, die ein fehlerhaftes Durchzünden einer Halb­ brücke verhindert, mit einer Kompensation des Totbereiches der Regelung bei kleinen Steuerspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckförmige Referenzspannung (40, 47, 48) in einem Nullbereich (44) der Steuerspannung (32) konstant gehalten wird.

2. Stromregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit in der die Referenzspannung (40) konstant gehalten wird, einer Zeit (34) entspricht mit der die Sicherheits­ anordnung arbeitet um zu verhindern, daß ein fehlerhaftes Durchzünden durch das Einschalten eines Halbleiterleistungsschalters (20 bis 23) erfolgt, bevor ein vollständiges Löschen eines anderen Halbleiterleistungsschalters des gleichen Halbbrückenzweiges (20; 23 oder 21; 22) erfolgt ist.

3. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (32) und eine aus dieser abge­ leitete inverse Steuerspannung (33) jeweils dem ersten Eingang je eines Komparators (4; 6) zugeführt ist, an deren zweiten Ein­ gängen eine dreieckförmige Referenzspannung (40) liegt, die gleichförmige positive und negative Amplituden aufweist und im Umschalt­ pegelbereich Null (44) der Komparatoren kurz­ fristig auf konstanten Wert gehalten ist, und daß am Ausgang der Komparatoren jeweils ein Inverter (10; 11) liegt, dessen Ausgangs­ impulse wie auch die Ausgangsimpulse der Komparatoren über Zeitglieder (8; 9; 12; 13) einschaltverzögert der Ansteuerung der Halb­ leiterleistungsschalter dienen.

4. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (32) jeweils dem ersten Eingang zweier Komparatoren zugeführt wird, an den zweiten Eingang des ersten Komparators eine positive dreieckförmige Referenzspannung (47) angelegt ist, die im Nullbereich (49) kurz­ fristig auf konstantem Wert gehalten ist und an den zweiten Eingang des zweiten Komparators eine negative dreieckförmige Referenzspannung (48) angelegt ist, die gleichfalls im Null­ bereich (49) kurzfristig auf konstantem Wert gehalten ist.

5. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nullbereich (44; 49) der dreieckförmigen Referenzspannung (40; 47; 48) über Dioden insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Dioden (41; 42) konstant gehalten ist.

6. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsanordnung aus RC-Integriergliedern (14; 15) besteht, deren Widerstand durch eine Diode (16; 17) überbrückt ist, welche eine Verzögerung der Ausschaltimpulsflanken unter­ drückt und diese RC-Integrierglieder in allen Zuleitungen (a bis c) zur Ansteuerung der Halbleiterleistungsschalter (20 bis 23) liegen.

7. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsanordnungen aus digitalen, takt­ gebundenen, die Einschaltimpulsflanken ver­ zögernden Schaltstufen (52 bis 55) bestehen, die Referenzspannung (40) oder Referenz­ spannungen (47; 48) in digitalen Schaltstufen (59) erstellt werden, die nach Art eines Digital-Analogwandlers arbeiten und im Null­ bereich (61) die Referenzspannung über die gleiche Taktzeit konstant halten, mit der die Einschaltimpulsflanken verzögert werden.

8. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Erzeugung der Ansteuer­ impulse (a bis c) für die Halbleiter­ leistungsschalter (20 bis 23) oder deren Treiberstufen weitgehend als integrierte Halbleiterschaltung (63) aufgebaut ist, die Sicherheitsanordnung mit Hilfe mehrerer takt­ gebundener Zählstufen (52 bis 55) arbeitet und die dreieckförmige Referenzspannung (60) oder Referenzspannungen über den gleichen Takt in der Spannung konstant gehalten wird.

9. Stromregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ braucher ein reaktionsschnell und präzise anzusteuernder Stellantrieb (25) für digital und/oder numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen oder Industrieroboter ist, der im Diagonal­ zweig einer Brückenschaltung mit mindestens zwei - aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (20 bis 23) bestehenden - Brückenzweigen liegt und der Stellantrieb ein Motor (25) ist, der im 4-Quadranten-Betrieb arbeitet.