DE3736456A1 - Verfahren zur erzeugung einer regelabweichung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Regelabweichung in einem elektrischen Schaltkreis durch Vergleich eines in Form einer Wechsel­ spannung oder eines Wechselstromes vorliegenden Istwertes mit einem Sollwert sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Er­ findung ist beispielsweise bei der Spannungsregelung von elektrischen Wech­ selstrommaschinen anwendbar.

Bei Regelkreisen, in denen ein Istwert als Wechselspannung oder Wechselstrom auftritt, ist es allgemein üblich, diesen in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom umzuformen, damit er mit einem Gleichspannungs- oder Gleichstrom- Referenzwert vergleichbar ist. Nach einer Gleichrichtung des Istwertes wird hierzu eine Glättung der Welligkeit durch Tiefpässe, also seriengeschaltete R- oder L-Glieder und parallelgeschaltete C-Glieder vorgenommen. Als Nach­ teil ergibt sich hierbei, daß auch bei endlicher Restwelligkeit mit einer erheblichen Einschwingdauer des umgeformten Istwertes zu rechnen ist. Diese liegt zum Beispiel bei einer vertretbaren Restwelligkeit des Istwertes in in der Größenordnung von dreißig Perioden der zu regelnden Wechselspannung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schal­ tungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem dieser Nachteil der großen Einschwingdauer des für die Regelung benötigten Istwer­ tes weitgehend vermieden wird.

Gemäß der Erfindung sieht dieses Verfahren vor, daß der Istwert in einem ersten Verfahrensschritt in eine pulsierende Gleichspannung oder einen pulsierenden Gleichstrom umgeformt und mit einer Referenzspannung oder einem Referenzstrom als Sollwert verglichen wird, daß das hieraus ent­ standene Differenzsignal in einem zweiten Verfahrensschritt über die Dauer genau einer Periode des Istwertes integriert wird und daß dieses Signal als Regelabweichung in einem dritten Verfahrensschritt an eine Abtast- und Halteschaltung weitergeleitet wird, welche zur Weitergabe dieser Regelabweichung an einen Regelverstärker mit einer Impedanzwand­ lerstufe abgeschlossen ist.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß bei einer Wechselspannung als Istwert diese von einem linearen Gleichrichter oder einer Quadrierschaltung in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt wird, daß diese pulsierende Gleichspannung sowie eine Referenzspannung über je einen ohmschen Wider­ stand dem Eingang eines Integrators zugeführt sind, daß die Integration des aus beiden Signalen resultierenden Differenzstromes über genau eine Periode der am Schaltungseingang angelegten Wechselspannung erfolgt, daß der Ausgang des Integrators mit einer Abtast- und Halteschaltung und ei­ ner auf diese folgenden Impedanzwandlerstufe abgeschlossen ist. Sinnge­ mäß gilt dies, wenn der Istwert ein Wechselstrom ist.

Durch diese Maßnahmen erreicht man, daß der Istwert als eine mit dem Soll­ wert vergleichbare physikalische Größe im wesentlichen ohne zeitliche Ver­ zögerung zur Verfügung steht. Durch die Anwendung der über eine Periode des Istwertes, also der Eingangswechselspannung, getasteten Integration und anschließenden Übertragung auf eine Abtast- und Halteschaltung des Differenzsignals wird die Regelabweichung somit frei von Restwelligkeit erhalten. Im Gegensatz zur üblichen Tiefpaßintegration steht sie bereits nach spätestens zwei Perioden als Eingangsspannung für den Regelverstär­ ker zur Verfügung. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Regelung.

Zur Erzielung einer pulsierenden Gleichspannung oder eines pulsierenden Gleichstromes im ersten Verfahrensschritt ist vorgesehen, daß eine lineare Gleichrichtung oder Quadrierung des Istwertes (zur Effektivwertbildung) an­ gewandt wird. In beiden Fällen erfolgt dies im wesentlichen ohne zeitliche Verzögerung, da eine Glättung der Welligkeit nicht stattfindet.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Gewinnung des für die Integration des Differenzsignals im zweiten Verfah­ rensschritt benötigten Zeitintervalls der Istwert in ein Rechtecksignal umgeformt und einem Frequenzteiler mit dem Teilerverhältnis 2:1 zuge­ führt wird und daß der Integrator vom Frequenzteilerausgang derart ge­ steuert wird, daß Ist- und Sollwert nur während der Dauer eines positiven Ausgangssignals wirksam sind.

Dabei kann die zugehörige Schaltungsanordnung derart ausgebildet sein, daß zur Gewinnung des für die Integration benötigten Zeitintervalls die Ein­ gangswechselspannung einem Komparator zugeführt und in eine Rechteckspan­ nung umgeformt wird, daß dieses Rechtecksignal einem Frequenzteiler mit dem Teilerverhältnis 2 : 1 weitergeleitet und einer Schalteinheit zuge­ führt wird, die einen zweiten und dritten Halbleiterschalter besitzt, die dem Eingang des Integrators vorgeschaltet sind und daß diese beiden Halb­ leiterschalter nur während eines positiven Ausgangssignals des Frequenz­ teilers geschlossen sind.

Bei einer Regelstrecke, wie z. B. einem Generator, der bezüglich der Am­ plitude der erzeugten Spannung mit zunehmender Frequenz zunehmende Verstär­ kung besitzt, erreicht man durch die Integration des aus der Differenz von Ist- und Sollwert gebildeten Signals über genau eine Periode, daß die Schleifenverstärkung von der Frequenz unabhängig wird, da die Ausgangs­ spannung der Integration bei konstanter Regelabweichung umgekehrt propor­ tional zur Generatorfrequenz verläuft. Man erhält also einen Regelkreis, dessen Stabilität von der Generatorfrequenz unabhängig wird. Die für die benötigte Abtastzeit gewählte Schaltung erweist sich dabei als besonders problemlos im Aufbau.

Um die Regelabweichung exakt zu ermitteln und weiterzuleiten ist vorge­ sehen, daß ein für die Integration im zweiten Verfahrensschritt maßge­ bender Kondensator vor jedem Integrationsintervall entladen wird und die Weiterleitung der Regelabweichung im dritten Verfahrensschritt aus­ schließlich nach Abschluß jedes Integrationsintervalls erfolgt und daß die Abfolge dieser Vorgänge vom Frequenzteiler in Verbindung mit einer Impulslogik gesteuert wird. Die Weiterleitung der Regelabweichung an die Abtast- und Halteschaltung erfolgt dabei alle zwei Perioden des Istwertes.

Die zugehörige Schaltungsanordnung ist derart ausgebildet, daß der für die Integration vorgesehene Kondensator durch Schließen des ersten Halb­ leiterschalters entladen wird und daß zur Weiterleitung der Regelabwei­ chung vor der Abtast- und Halteschaltung ein vierter Halbleiterschalter eingefügt ist.

Durch die Entladung des für die Integration vorgesehenen Kondensators ist gewährleistet, daß bei jedem Integrationsintervall von einem definierten Nullzustand ausgegangen wird.

Alle vier zur Bildung und Weiterleitung der Regelabweichung benötigten Halbleiterschalter werden von Frequenzteiler und Impulslogik gesteuert und sind Bestandteil einer Schalteinheit, eines sogenannten Analog­ schalterbausteins. Durch diese Art der Signalaufbereitung ist immer sichergestellt, daß innerhalb von nur zwei Perioden des Istwertes eine genaue und von Restwelligkeit freie Regelabweichung für den nachfolgen­ den Regelverstärker zur Verfügung steht.

Zur Aufrechterhaltung der Regelabweichung, die alle zwei Perioden des Istwertes aufgefrischt wird, ist vorgesehen, daß als Halteschaltung ein Kondensator an den hochohmigen Eingang eines als Impedanzwandler­ stufe dienenden Operationsverstärkers angeschlossen ist. Dieser Impe­ danzwandler bewirkt dabei die Anpassung an den nachfolgenden Regelver­ verstärker.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine detaillierte Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Regelung der Spannung eines Wechselspannungsgenerators und

Fig. 3 ein Diagramm, dem die zeitliche Abfolge der Betätigung der in den Anordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 enthaltenen Halb­ leiterschalter abhängig von der zu regelnden Wechselspannung zu entnehmen ist.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Prinzipschaltbild wird die Eingangswechselspan­ nung U _E als Istwert an den Anschlüssen 1 und 2 einem linearen Gleichrichter B 1 zugeführt und in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt. Anstelle des Gleichrichters B 1 kann ebenso eine Quadrierschaltung zur Effektivwertbil­ dung vorgesehen sein. Die pulsierende Gleichspannung am Ausgang des Gleich­ richters B 1 wird durch einen ohmschen Widerstand R 1 in einen Strom umge­ formt und mit einem Strom verglichen, der mit Hilfe eines Widerstandes R 2 und eines Potentiometers P zur Einstellung eines Sollwertes U _Soll aus einer Referenzspannung U _Ref gewonnen wird. Das aus beiden Strömen gewonnene Dif­ ferenzsignal wird dem Eingang eines Integrators B 3 zugeführt, der aus einem mit einem Kondensator C 1 gegengekoppelten Operationsverstärker aufgebaut ist. Der Kondensator C 1 ist dabei durch einen ersten Halbleiterschalter B 2 kurzschließbar. Als Integrationsintervall ist genau eine Periode der Ein­ gangswechselspannung U _E gewählt. Hierzu wird die Eingangswechselspannung U _E mit der Frequenz f über einen Tiefpaß R 3, R 4, C 3, C 4 zur Unterdrückung von Störspitzen einem Komparator B 5 zugeführt und in eine Rechteckspannung um­ geformt. Da das Ergebnis der Integration des gleichgerichteten Istwertes über genau eine Periode nicht von der Phasenlage zwischen Eingangsspannung U _E und dem Beginn des Integrationsintervalls abhängt, spielt eine Phasen­ drehung im Tiefpaß TP vor dem Komparator B 5 keine Rolle. Der Tiefpaß TP kann daher für eine wirkungsvolle Unterdrückung von Störspitzen ausgelegt werden. Das am Ausgang des Komparators B 5 anstehende Rechtecksignal wird im Frequenzteiler B 6 im Verhältnis 2:1 geteilt und über eine Impulslogik B 7 einem Analogschalterbaustein zugeführt, der vier Schalteinheiten A, B, C,

D mit Halbleiterschaltern B 2 a, B 2 b, B 2 c, B 2 d enthält. Die Halbleiterschalter B 2 a und B 2 b sind dabei dem Eingang des Integrators B 3 vorgeschaltet und wer­ den mit der Frequenz f/2 betätigt. Damit ist sichergestellt, daß das Diffe­ renzsignal aus Ist- und Sollwert nur während eines positiven Ausgangssignals am Frequenzteiler B 6, also genau während einer Periode der Eingangswechsel­ spannung U _E , an den Eingang des Integrators B 3 gelangen kann. Um für die In­ tegration einen definierten Ausgangszustand zu gewährleisten, wird der Kon­ densator C 1 durch Schließen des ersten Halbleiterschalters B 2 c vor jedem In­ tegrationsintervall entladen. Nach Abschluß des Integrationsintervalls wird die damit gewonnene Regelabweichung vom Ausgang des Integrators B 3 über ei­ nen vierten Halbleiterschalter B 2 d, der nur nach jedem Integrationsintervall kurzfristig geschlossen ist, an eine Halteschaltung weitergeleitet. Diese Halteschaltung besteht aus einem Kondensator C 2, der an den hochohmigen Ein­ gang eines Operationsverstärkers B 4 angeschlossen ist. Der Operationsver­ stärker B 4 dient dabei als Impedanzwandler zur Anpassung der Regelabweichung ΔU an den nachfolgenden Regelverstärker. Zwischen dem Ausgang des Integrators B 3 und der Abtast- und Halteschaltung B 2 d, C 2 kann eine Invertierstufe B 8 eingefügt sein, um für einen nachgeschalteten Regelverstärker die richtige Polarität zu erreichen.

Die Abfolge der Betätigung der vier Halbleiterschalter B 2 a, B 2 b, B 2 c, B 2 d, die Bestandteil des Analogschalterbausteins B 2 sind, ist aus Fig. 3 er­ sichtlich. Ihre Betätigung ist von Frequenzteiler B 6 und Impulslogik B 7 gesteuert und starr mit der Frequenz f der Eingangswechselspannung U _E ver­ knüpft. Vor jedem Integrationsintervall sorgt der erste Halbleiterschalter B 2 c für eine Entladung des Kondensators C 1 und öffnet, wenn während des Integrationsintervalls für genau eine Periode T der Eingangswechselspan­ nung U _E die Halbleiterschalter B 2 a und B 2 b geschlossen sind. Prinzipiell genügt einer der Schalter B 2 a oder B 2 b. Nach der Integrationsperiode sind die Schalter B 2 a, B 2 b und B 2 c geöffnet und die Regelabweichung ΔU wird über den nun geschlossenen vierten Halbleiterschalter B 2 d an den Konden­ sator C 2 der Halteschaltung weitergeleitet. Entsprechend der Betätigung des Halbleiterschalters B 2 d wird somit die Regelabweichung alle zwei Perioden der Eingangswechselspannung U _E aufgefrischt. Auf diese Weise läßt sich eine besonders schnelle Regelung erreichen.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung, die den prinzipiellen Aufbau der Anordnung nach Fig. 1 besitzt, ist Bestandteil eines Regelkreises zur Span­ nungsregelung eines Wechselspannungsgenerators. Aus den drei Phasen der Ge­ neratorspannung wird die Eingangswechselspannung U _E beispielsweise durch vektorielle Addition gewonnen und der Schaltungsanordnung an den Anschlüs­ sen 1, 2 zugeführt. Nach einer Beseitigung höherfrequenter Störungen mit Hilfe der RC-Glieder R 3, R 4, C 3, C 4 wird die Eingangswechselspannung dem leicht rückgekoppelten Komparator B 5 zugeführt. An dessen Ausgang entsteht dann eine zur Generatorspannung phasenstarre Rechteckspannung. Diese Recht­ eckspannung wird im Flipflop B 6 in der Frequenz um den Faktor 2 geteilt und steuert über die NOR-Gatter B 72, B 73, B 74 vier Schalteinheiten A, B, C, D in einem Analogschalterbaustein B 2. Das NOR-Gatter B 71 dient lediglich einer Verbesserung der Flankensteilheit der Rechteckspannung. Gleichzeitig wird die Eingangswechselspannung U _E mit dem Gleichrichter B 1 präzise gleich­ gerichtet und steht an dessen Ausgang zur Subtraktion des Sollwertes U _Soll und der anschließenden Integration zur Verfügung.

Ein Integrationszyklus läuft, wie aus dem Diagramm der Fig. 3 ersichtlich, folgendermaßen ab:

• 1. Der Halbleiterschalter B 2 c des Analogschalterbausteins, der im Rück­ kopplungszweig des Integrators B 3 den Kondensator C 1 überbrückt, ist geschlossen. Damit ist der Kondensator C 1 entladen. Die Halbleiter­ schalter B 2 a, B 2 b und B 2 d sind zu diesem Zeitpunkt geöffnet.
• 2. Zu Beginn einer Periode der Eingangswechselspannung U öffnet der Halb­ leiterschalter B 2 c, die Schalter B 2 a, B 2 b schließen. Während einer Pe­ riode T der Eingangswechselspannung wird nun der Kondensator C 1 durch den Integrator B 3 mit den über den Widerstand R 1 zufließenden Ladungen des Präzisionsgleichrichters B 1 geladen und gleichzeitig durch die über die Widerstände R 2, P abfließenden Ladungen entladen.
• 3. Nach dem Integrationsintervall werden die Halbleiterschalter B 2 a, B 2 b, B 2 c geöffnet und der Schalter B 2 d geschlossen. Die Spannung am Konden­ sator C 1 kann damit vom Kondensator C 2 übernommen werden. Die Inversion der Regelabweichung durch B 8 ist dabei durch den anschließenden Regel­ verstärker bedingt.
• 4. Schalter B 2 d öffnet wieder. Dabei bleibt die Spannung am Kondensator C 2 bis zum nächsten Übertrag erhalten und steht am Ausgang des Impe­ danzwandlers B 4 als Regelabweichung ΔU zur Verfügung.

Durch die Anwendung der getasteten Integration steht somit eine Eingangs­ spannung mit geringer Restwelligkeit für den Regelverstärker zur Verfügung, die aber im Gegensatz zur üblichen Tiefpaßintegration bereits nach spätestens zwei Perioden eingeschwungen ist und daher eine schnelle Regelung ermöglicht. Die mit der Frequenz zunehmende Verstärkung des Generators wird durch die mit zunehmender Generatorfrequenz abnehmende Verstärkung dieser Schaltung kompen­ siert. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß die Schleifenverstärkung des Re­ gelkreises frequenzunabhängig wird.

Mit den Einzelheiten A 1, A 2 sind Schaltungen angedeutet, mit denen eine sta­ bilisierte Versorgungsspannung U _N sowie eine Referenzspannung für die Inte­ gration erzeugt werden. Die Referenzspannung wird dabei bevorzugt auch für den nachfolgenden Regelverstärker verwendet.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Regelabweichung in einem elektrischen Schaltkreis durch Vergleich eines in Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstromes vorliegenden Istwertes mit einem Sollwert, da­ durch gekennzeichnet, daß der Istwert in einem ersten Verfahrens­ schritt in eine pulsierende Gleichspannung oder einen pulsierenden Gleichstrom umgeformt und mit einer Referenzspannung oder einem Re­ ferenzstrom als Sollwert verglichen wird, daß das hieraus entstandene Differenzsignal in einem zweiten Verfahrensschritt über die Dauer ge­ nau einer Periode des Istwertes integriert wird und daß dieses Signal als Regelabweichung in einem dritten Verfahrensschritt an eine Abtast- und Halteschaltung weitergeleitet wird, welche zur Weitergabe dieser Regelabweichung an einen Regelverstärker mit einer Impedanzwandler­ stufe abgeschlossen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer pulsierenden Gleichspannung oder eines pulsierenden Gleichstro­ mes im ersten Verfahrensschritt eine lineare Gleichrichtung oder Qua­ drierung des Istwertes zur Effektivwertbildung angewandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des für die Integration des Differenzsignals im zweiten Verfahrensschritt benötigten Zeitintervalls der Istwert in ein Rechtecksignal umgeformt und einem Frequenzteiler mit dem Teilerver­ hältnis 2:1 zugeführt wird und daß der Integrator vom Frequenztei­ lerausgang derart gesteuert wird, daß Ist- und Sollwert nur während der Dauer eines positiven Ausgangssignals wirksam sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein für die Integration im zweiten Verfahrensschritt maßgebender Kondensator vor jedem Integrationsintervall entladen wird und die Weiterleitung der Regelabweichung im dritten Verfahrensschritt ausschließlich nach Ab­ schluß jedes Integrationsintervalls erfolgt und daß die Abfolge die­ ser Vorgänge vom Frequenzteiler in Verbindung mit einer Impulslogik gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterleitung der Regelabweichung an die Abtast- und Halteschal­ tung alle zwei Perioden des Istwertes erfolgt.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert eine Wechselspannung ist, die von einem linearen Gleichrichter oder einer Quadrierschal­ schaltung in eine pulsierende Gleichspannung umgeformt wird, daß diese pulsierende Gleichspannung sowie eine Referenzspannung über je einen ohmschen Widerstand dem Eingang eines Integrators zuge­ führt sind, daß die Integration des aus beiden Signalen resultie­ renden Differenzstromes über genau eine Periode der am Schaltungs­ eingang angelegten Wechselspannung erfolgt, daß der Ausgang des Integrators mit einer Abtast- und Halteschaltung und einer auf diese folgenden Impedanzwandlerstufe abgeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator ein mit einem Kondensator gegengekoppelter Opera­ tionsverstärker ist und daß dieser Kondensator mit Hilfe eines zu ihm parallelgeschalteten ersten Halbleiterschalters kurzschließbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des für die Integration benötigten Zeitintervalls die Eingangswechselspannung einem Komparator zugeführt und in eine Rechteckspannung umgeformt wird, daß dieses Rechtecksignal einem Frequenzteiler mit dem Teilerverhältnis 2:1 weitergeleitet und einer Schalteinheit zugeführt wird, die einen zweiten und dritten Halbleiterschalter besitzt, die dem Eingang des Integrators vor­ geschaltet sind und daß diese beiden Schalter nur während eines positiven Ausgangssignals des Frequenzteilers geschlossen sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Integration des Differenzsignals maßgebende Kon­ densator vor jedem Integrationsintervall durch Schließen des ersten Halbleiterschalters entladen wird, daß zur Weiterleitung der Regel­ abweichung vor der Abtast- und Halteschaltung ein vierter Halblei­ terschalter eingefügt ist, der ausschließlich nach Abschluß jedes Integrationsintervalls kurzfristig geschlossen ist, wobei die Ab­ folge der Betätigung dieser Schalter vom Frequenzteiler in Verbin­ dung mit einer Impulslogik gesteuert wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier Halbleiterschalter von Frequenzteiler und Impulslogik gesteuert werden und Bestandteil der Schalteinheit, eines Analog­ schalterbausteins sind.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Halteschaltung ein Kondensator an den hochohmigen Eingang eines als Impedanzwandlerstufe dienenden Operationsverstärkers an­ geschlossen ist.