DE3614080C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator mit einem Filter mit Tiefpaßeigenschaften zur Momenten-Istwertbildung bei einer dreiphasigen Drehfeldmaschine mit Stromblockspeisung, wobei der Stromistwert von zwei Phasen erfaßbar und in zwei pulsbreitenmodulierte Eingangssignale umwandelbar ist.

Ein Signalumformer zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signales ist beispielsweise aus der DE-OS 34 24 052 bekannt.

Aus der DE 22 14 761 A1, insbesondere die Fig. 2, ist eine Schaltungsanordnung zur Demodulation einer pulsdauermodulierten Rechteckspannung bekannt. Diese Schaltungsanordnung besteht aus einem Schmitt-Trigger und einem nachgeschalteten Tiefpaß. Wenn eine weitgehend regenerierte Rechteckspannung als Eingangssignal zur Verfügung steht, kann auf den Schmitt-Trigger verzichtet werden. Ein Meßsignal, das mit einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in ein pulsdauermoduliertes Signal gewandelt ist, kann mittels eines Tiefpasses demoduliert werden, in dem das dauermodulierte Signal dem Tiefpaß zugeführt wird. D. h. ein pulsdauermoduliertes Signal wird in ein zum Tastverhältnis proportionales Ausgangssignal umgewandelt.

Aus der deutschen Patentschrift 11 46 110 ist ein Transistorschalter zur wahlweisen Verbindung einer Ausgangsklemme mit einem von zwei Potentialen mit zwei in Reihe liegenden komplementären Transistoren bekannt. Derartige elektronische Schalter werden bekanntlich unter anderem in der digitalen Schaltkreistechnik benötigt. Mittels dieses Transistorschalters kann ein Rechtecksignal, das nicht symmetrisch zu einem Bezugspotential liegt, in ein symmetrisch zum Bezugspotential liegendes Rechtecksignal umgewandelt werden.

Aus dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik von U. Tietze und Ch. Schenk, 3. Auflage, 1976, insbesondere den Seiten 325 bis 332, sind Realisierungen von Tiefpaßfiltern 1. und 2. Ordnung bekannt.

Es besteht nun die Aufgabe, einen Demodulator für die Stromerfassung bei einem Drehstrom-Vorschubantrieb mit einfachen Hilfsmitteln zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Filter ein Stromgleichrichter vorgeschaltet ist, dessen beiden Eingängen jeweils ein Umschalter vorgeschaltet ist, deren Betätigungseingängen jeweils ein Eingangssignal zugeführt ist und an deren zweiten Eingängen jeweils eine positive bzw. negative Referenzspannung ansteht und daß die mittels der Eingangssignale erzeugten Spannungen zu einer Ausgangsspannung mit folgendem Muster U _a zusammengesetzt sind, bei einer rechtsdrehenden Drehfeldmaschine:

0° - 60° el.: U _a = _R + _S
60° - 120° el.: U _a = _S
120° - 180° el.: U _a = I _R
180° - 240° el.: U _a = I _R + I _S
240° - 300° el.: U _a = I _S
300° - 360° el.: U _a = _R

und bei einer linksdrehenden Drehfeldmaschine:

0° - 60° el.: U _a = I _R + I _S
60° - 120° el.: U _a = I _R
120° - 180° el.: U _a = _S
180° - 240° el.: U _a = _R + _S
240° - 300° el.: U _a = _R
300° - 360° el.: U _A = I _S

wobei das Vorzeichen die Drehrichtung angibt.

Synchron- bzw. Drehfeldmaschinen mit trapezförmiger elektromotorischer Kraft erzeugen bei Speisung mit blockförmigen Strömen ein konstantes Moment. Da die zur Leistungsbildung beitragenden Spannungen und Ströme aller drei Phasen gleich sind, ist der resultierende Momenten-Istwert proportional dem Blockstrom. Weil in jeder Phase der Strom für 2×60° el. pro Periode zu Null wird, muß die Blockstrommessung bei mindestens zwei Phasen erfolgen. Eine Blockstrommessung in nur zwei Phasen bedingt zwar einen geringen Aufwand bei den Stromerfassungselementen, jedoch ergeben sich in Praxis keine exakt rechteckförmigen Stromblöcke, sondern es tritt eine Verzögerungszeit für Anstieg und Abfall jedes Stromblocks auf. Das muß bei der Momenten-Istwertbildung berücksichtigt werden, da ein Meßfehler auftritt, wenn mit dem Abschalten des Blockstroms in der Phase R bzw. S der Blockstrom der Phase R bzw. S unkorrigiert ausgewertet wird, denn dieser Blockstrom weist in seinem Anstieg und seinem Abfall eine Verzögerung auf, so daß ein zu geringer Stromwert gemessen wird. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Demodulators wird dieser Fehler vermieden, da die Summenbildung der Meßsignale eine weitgehende Kompensation dieses Meßfehlers ermöglicht.

In dem Stromgleichrichter kann jedes Eingangssignal direkt dem ersten Eingang und über eine Invertierstufe dem zweiten Eingang eines Umschalters zugeführt sein, dessen Ausgang über jeweils einen Schalter mit dem Eingang des Filters verbunden ist.

Vorzugsweise ist bei dieser Ausgestaltung jedes Eingangssigal an den Betätigungseingang jeweils eines weiteren Umschalters geführt, an dessen zwei Eingängen eine positive bzw. negative Referenzspannung liegt und dessen Ausgang mit dem Stromgleichrichter verbunden ist.

Vorzugsweise ist die Frequenz jedes Eingangssignals sehr groß gegen die Grenzfrequenz des Filters. Damit ist der Oberwellenanteil in der Ausgangsspannung vernachlässigbar und die Proportionalität des Ausgangssignals zum Tastverhältnis der Rechteckschwingung der Eingangssignale wird weiter verbessert.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. In den Figuren werden zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, wie sie beispielsweise für die Stromerfassung bei einem Gleichstrom-Vorschubantrieb eingesetzt werden kann. Ein pulsbreitenmoduliertes Eingangssignal I _R wird über eine Klemme 1 dem Betätigungseingang 2 a eines Umschalters 2 zugeführt. Das pulsbreitenmodulierte Signal I _R kann beispielsweise mit einem Signalumformer erzeugt sein, wie er in der bereits angeführten DE-OS 34 24 052 beschrieben ist. An den Eingangsklemmen 2 b bzw. 2 c liegt jeweils eine Referenzspannung +U _ref bzw. -U _ref , vorzugsweise wird |+U _ref | = |-U _ref | gewählt, womit man ein Ausgangssignal erhält, das symmetrisch zum Bezugspotential ist.

Dem Ausgang 2 d des Umschalters 2 ist ein Filter 3 mit Tiefpaßeigenschaft nachgeschaltet. Das Filter 3 ist mit Widerständen 4, 5 und 6, Kondensatoren 7 und 8 und einem Operationsverstärker 9 realisiert, wobei der Widerstand 4 und der Kondensator 7 als Tiefpaß geschaltet und der Ausgang des Operationsverstärkers 9 über die Parallelschaltung des Widerstandes 6 und des Kondensators 8 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, womit man ein aktives Glättungsglied erhält. Der Summierpunkt 10 des Operationsverstärkers 9 ist über die Widerstände 11 und 12 mit einer Klemme 13 verbunden, an dem ein weiteres Signal, beispielsweise ein Stromsollwert I _soll ansteht. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 11 und 12 liegt über einen Kondensator 14 am Bezugspotential.

Bei dieser Vorrichtung wird der Umschalter 2 zyklisch mit der Frequenz der Rechteckschwingung des Signals I _R umgeschaltet. Dabei ist die Schaltstellung so gewählt, daß der Umschalter 2 an -U _ref liegt, wenn I _R H-Pegel führt und auf +U _ref umgeschaltet, wenn I _R L-Pegel besitzt. Die zwischen +U _ref und -U _ref alternierende Spannung am Ausgang 2 d des Umschalters 2 wird dann dem Filter 3 zugeführt. Unter der Voraussetzung, daß die Frequenz der Rechteckschwingung I _R sehr viel höher als die Grenzfrequenz des Filters 3 ist, ist der Oberwellenanteil vernachlässigbar und die Spannung am Ausgang 3 a des Filters 3 ist proportional zum Tastverhältnis des Signals I _R .

Fig. 2 zeigt einen Demodulator für die Stromerfassung bei einem Drehstrom-Vorschubantrieb, mit einer Drehfeld- bzw. Synchronmaschine. Neben dem Signal I _R ist ein zweites pulsbreitenmoduliertes Signal I _S über eine Klemme 15 dem Betätigungseingang 16 a eines zweiten Umschalters 16 zugeführt. Die Eingänge 16 b und 16 c sind wieder mit den Referenzspannungen -U _ref bzw. +U _ref verbunden. Den Ausgängen 2 d und 16 d der beiden Umschalter 2 und 16 ist ein Stromgleichrichter 17 nachgeschaltet. Im Stromgleichrichter 17 ist der Ausgang des Umschalters 2 direkt mit dem Eingang 18 a und über eine Invertierstufe 19 mit dem zweiten Eingang 18 b eines dritten Umschalters 18 verbunden. Über einen Schalter 20 ist der Ausgang des Umschalters 18 mit dem Widerstand 4 des Filters 3 verknüpft. Der Ausgang 16 d des Umschalters 16 ist direkt mit dem Eingang 21 a und über eine Invertierstufe 22 mit dem Eingang 21 b eines vierten Umschalters 21 verknüpft. Dem Umschalter 21 ist ein Schalter 23 nachgeschaltet, der über die Widerstände 24 und 25 mit dem Summierpunkt des Operationsverstärkers 9 verbunden ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände 24 und 25 liegt über einen Kondensator 26 an Bezugspotential. Zur Steuerung der Umschalter 18 und 21 und der Schalter 20 und 23 ist eine Steuerstufe 27 vorgesehen, an deren Eingangsklemmen die Signale L _T , L _R , L _S des Rotorlagegebers liegen. In der Steuerstufe 27 werden diese Signale mit logischen Verknüpfungen, beispielsweise einer EXKLUSIV-ODER-Verknüpfung, in die Signale I₁ und I₂ umgewandelt, mit denen die Schalter 20 und 23 angesteuert sind. Die Umschalter 18 und 21 werden mit einem Signal angesteurt, das in seinem zeitlichen Verlauf dem Lagesignal L _T entspricht.

Fig. 3 zeigt die Verknüpfung der Lagesignale L _R , L _S und L _T zu den Steuerimpulsen I₁ und I₂ in der Steuerstufe 27. Wie bereits erwähnt, werden die Signale I₁ und I₂ vorzugsweise mit einer EXKLUSIV-ODER-Verknüpfung gewonnen und es gilt:

I₁ = L _{R T} V _R L _T
I₂ = L _{S T} V _S L _T .

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 2 wird anhand der Fig. 4 näher erläutert, wobei auf die bereits angeführten Schemata für die Ausgangsspannung U _a zu verweisen ist. In der Fig. 4 sind die Signale I _R , I _S , I₁, I₂, L _T und U _a über der Zeit in ° el. aufgetragen. Für das Diagramm wurde dabei vorausgesetzt, daß die benutzte Drehfeldmaschine den Drehsinn rechts besitzt. Der Strom wird in den Phasen R und S gemessen, in pulsbreitenmodulierte Eingangssignale I _S und I _R umgesetzt und den Schaltern 2 und 16 zugeführt. Damit erhält man Impulse, die symmetrisch zum Bezugspotential sind, falls |U _ref | = |-U _ref | vorausgesetzt wird. Der Strom kommutiert von der Phase R auf die Phase S im Zeitpunkt 0° el. Um während der Kommutierung den Ständerstrom korrekt zu erfassen, muß der Strom in beiden Phasen gemessen und addiert werden, wozu die Schalter 20 und 23 über die Impulse I₁ und I₂ geschlossen werden. Um ein vorzeichengerechtes Ausgangssignal zu erhalten, werden außerdem die beiden Umschalter 18 und 21 über das Signal L _T betätigt, so daß die invertierenden Eingangssignale _S und _R addiert werden. Nachdem der Strom von der Phase R auf die Phase S abkommutiert ist, bleiben die Schalter 20 und 23 bis zum Zeitpunkt 60° el. geschlossen. Dies ist zulässig, weil nun der Strom der Phase R zu Null wird. Im Zeitpunkt 60° el. kommutiert der Strom von der Phase T auf die Phase R. Damit der Strom weiterhin korrekt gemessen wird, muß nun der Meßzweig für die Phase R abgeschaltet werden, wozu der Schalter 20 über den Steuerimpuls I₁ geöffnet wird. Zum Zeitpunkt 120° el. kommutiert der Strom von der Phase S auf die Phase T. Da nun der Strom in der Phase R bereits eingeschwungen ist, kann der Meßpfad direkt von der Phase S auf die Phase R umgeschaltet werden, wozu der Schalter 23 geöffnet und der Schalter 20 geschlossen wird. Wegen der unterschiedlichen Polarität vor und nach dem Umschalter muß jedoch die Polarität des Stromistwertes umgeschaltet werden, wozu mit dem Signal L _T die Schalter 18 und 21 umgeschaltet werden. Am Eingang des Filters 3 liegt nun das Signal I _R . Zum Zeitpunkt 180° el. kommutiert der Strom von der Phase R auf die Phase S. Nun müssen wieder die Schalter 20 und 23 gemeinsam eingeschaltet werden. Wegen der unveränderten Polarität des Stroms bleibt die Stellung der Schalter 18 und 21 unverändert. Zum Zeitpunkt 240° el. kommutiert der Strom von der Phase T auf die Phase R. Damit korrekt gemessen wird, muß nun der Schalter 20 geöffnet werden, womit der Meßpfad für die Phase R abgeschaltet ist. Die Polarität des Stromes bleibt auch jetzt unverändert. Beim Zeitpunkt 300° el. kommutiert der Strom von der Phase S auf die Phase T. Nun wird über den Schalter 23 der Zweig für die Phase S abgeschaltet und über den Schalter 20 der Pfad für die Phase R zugeschaltet. Da sich außerdem die Polarität ändert, müssen auch die Umschalter 18 und 21 umgeschaltet werden. Im Zeitpunkt 360° el. kommutiert der Strom von der Phase R auf die Phase S. Der Rotor vollzog genau eine Umdrehung. Das bedeutet, daß sich der beschriebene Vorgang nun wiederholt. Bei umgekehrtem Drehsinn erfolgt der Ablauf analog, wobei jedoch berücksichtigt werden muß, daß sich die überlappenden Teile der Signale I _R und I _S verändern.

Zu erwähnen ist noch, daß durch die Addition von I _R und I _S ein Mischprodukt der Regelfrequenzen entsteht. Bei genügend hoher Frequenz von I _S und I _R kann nur eine der Mischprodukte der Trägerfrequenzen vernachlässigt werden. Liegen die beiden Trägerfrequenzen nahe beieinander, so erhält man eine Schwebung, die umso niederfrequenter ist, je mehr die Trägerfrequenzen beieinander liegen. Damit der nachfolgende Regelkreis nahezu unbeeinflußt von dieser Mischfrequenz bleibt, müssen folglich die beiden Trägerfrequenzen einen bestimmten, genügend großen Abstand zueinander haben. Außerdem müssen die beiden Frequenzen von I _R und I _S sehr groß gegen die Grenzfrequenz des Filters sein, wie bereits betont wurde.

Zusammenfassend seien nochmals Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannt. Bei Verwendung eines offsetarmen Operationsverstärkers ist der Offset der Vorrichtung ausschließlich vom Gleichlauf der Referenzspannungen und vom Gleichlauf der beiden Eingangswiderstände abhängig und für beide Phasen gleich. Durch die digitale Auswertung der Steuersignale wird das Eingangssignal praktisch unverfälscht weitergegeben. Dadurch, daß der Stromistwert im Digitalteil invertiert wird, erfolgt die Inversion praktisch unverzögert und ebenfalls offsetfrei.

Claims (3)

1. Demodulator mit einem Filter (3) mit Tiefpaßeigenschaften zur Momenten-Istwertbildung bei einer dreiphasigen Drehfeldmaschine mit Stromblockeinspeisung, wobei der Stromistwert von zwei Phasen erfaßbar und in zwei pulsbreitenmodulierte Eingangssignale umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Filter (3) ein Stromgleichrichter (17) vorgeschaltet ist, dessen beiden Eingängen jeweils ein Umschalter (2, 16) vorgeschaltet ist, deren Betätigungseingängen (2 a, 16 a) jeweils ein Eingangssignal (I _R , I _S ) zugeführt ist und an deren zweiten Eingängen (2 b, 2 c; 16 b, 16 c) jeweils eine positive bzw. negative Referenzspannung (+U _ref bzw. -U _ref ) ansteht und daß die mittels der Eingangssignale (I _R , I _S ) erzeugten Spannungen zu einer Ausgangsspannung (U _a ) mit folgendem Muster zusammengesetzt sind, bei einer rechtsdrehenden Drehfeldmaschine: 0° - 60° el.: U _a = _R + _S
60° - 120° el.: U _a = _S
120° - 180° el.: U _a = I _R
180° - 240° el.: U _a = I _R + I _S
240° - 300° el.: U _a = I _S
300° - 360° el.: U _a = _R und bei einer linksdrehenden Drehfeldmaschine:0° - 60° el.: U _a = I _R + I _S
60° - 120° el.: U _a = I _R
120° - 180° el.: U _a = _S
180° - 240° el.: U _a = _R + _S
240° - 300° el.: U _a = _R
300° - 360° el.: U _A = I _S wobei das Vorzeichen die Drehrichtung angibt.

2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromgleichrichter (17) die positive bzw. negative Referenzspannung (+U _ref bzw. -U _ref ) dem ersten Eingang (18 a, 21 a) und über eine Invertierstufe (19, 22) dem zweiten Eingang (18 b, 21 b) eines Umschalters (18, 21) zugeführt ist, dessen Ausgang über jeweils einen Schalter (20, 23) mit dem Eingang des Filters (3) verbunden ist.

3. Demodulator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz jedes Eingangssignals (I _R , I _S ) sehr groß gegen die Grenzfrequenz des Filters (3) ist.