DE4026987A1 - Generator fuer amplitudengekoppelte spannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung amplitu­ dengekoppelter Spannungen mit einem oder mehreren vorgegebenen zeitlichen Verläufen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Unter dem Begriff "amplitudengekoppelt" ist in diesem Zusammen­ hang zu verstehen, daß durch ein einziges Ansteuersignal eine gemeinsame Änderung der Scheitelpunktwerte der elektrischen Spannungen bewirkt wird.

Es ist allgemein bekannt, daß für verschiedene Anwendungen elektrische Spannungen mit einem vorgegebenem zeitlichen Ver­ lauf vorliegen müssen, die amplitudengekoppelt sind.

So werden beispielsweise für die Ansteuerung von mehrsträngigen Motoren mehrere amplituden- und phasengekoppelte Spannungen benötigt, mit möglichst sinusförmigem Verlauf.

Aus der DE-OS 38 14 562 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeu­ gung phasenverschobener, sinusförmiger Spannungen bekannt. Das dort vorgestellte System zeichnet sich dadurch aus, daß ein Netzwerk aus Widerständen verwendet wird, die zu einem geschlos­ senen Kreis in Serie geschaltet sind und daß die sinusförmigen Spannungen an Verbindungspunkten der zusammengeschalteten Wider­ stände abnehmbar sind. Dabei wird eine Gleichspannung in zykli­ scher Reihenfolge derart an das Widerstandsnetzwerk geschaltet, so daß zwischen den Polen der Gleichspannung zwei parallele Zweige mit gleicher Anzahl von Widerständen liegen.

Durch das dort vorgestellte System kann lediglich ein sinusförmi­ ger Spannungsverlauf angenähert werden.

Bei anderen Anwendungen ist es wünschenswert, mehrere amplitu­ dengekoppelte Spannungen zu liefern, die vorgegebenen zeitli­ chen Verläufen genügen, jedoch nicht zwangsläufig phasengekop­ pelt sind.

Es ist somit Aufgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, amplitu­ dengekoppelte Spannungen zu erzeugen, die einem oder mehreren vorgegebenen zeitlichen Verläufen möglichst genau folgen.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß eine Entnahmevorrichtung Entnahmespannungen abgibt, deren Werte durch ein einziges Ansteuersignal gemeinsam multiplikativ und/oder additiv geändert werden können und die einer oder mehreren vorgegebenen Kurvenformen entsprechen.

Durch ein zeitlich abgestimmtes Umschalten zwischen diesen Entnahmespannungen werden amplitudengekoppelte Ausgangsspannun­ gen Ua1 . . . Uax erzeugt, die mindestens einem vorgegebenem zeitlichen Verlauf f(t), entsprechen. Das heißt

Ua1 = U×f1(t+d1)
Ua2 = U×f2(t+d2)
    .
    .
Uax = U×f×(t+dx).

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß mindestens einige der Ausgangsspannungen Ua1, . . ., Uax phasen­ gekoppelt sein können und/oder daß einzelne der Ausgangsspannun­ gen einer Kurvenform folgen, die gleich der der übrigen Aus­ gangsspannungen verläuft, jedoch mit einem anderen zeitlichen Verlauf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Enthält die Entnahmevorrichtung ein Netzwerk von Bauelementen, an die eine Gesamtspannung anschließbar ist und durch die an den Bauelementen Entnahmespannungen verursacht werden, so wird eine einfache und stabile Ausführung realisiert.

Entspricht der vorgegebene zeitliche Verlauf einer trigonometri­ schen Funktion, so dient die erfindungsgemäße Vorrichtung bevor­ zugt zur Ansteuerung von mehrsträngigen Motoren.

Die Steuerung der Zeitfunktion durch ein Zeitglied dient zur Erzeugung von besonders zeitgenauen Ausgangsspannungen. Dies ist besonders dann von Interesse, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Meßzwecken eingesetzt werden soll.

Die Steuerung der vorgegebenen zeitlichen Funktion durch einen Sensor, der die Wirkung der Ausgangsspannungen auf einen elektrischen Verbraucher, beispielsweise einen Motor, erfaßt, hat besonders den Vorteil, daß auch bei einer unter­ schiedlichen Drehzahl eines Motors die Ansteuerung optimal ist.

Dienen der Sensor und das Zeitglied gemeinsam zur Steuerung der Zeitfunktion, so ist neben der Steuerung aufgrund von Meßwerten eventuell eine zeitliche Interpolation zwischen Meßwerten mög­ lich.

Wenn die Entnahmevorrichtung durch das elektronische Steuerge­ rät derart angesteuert wird, daß die Entnahmespannungen vorgege­ benen Werten entsprechen, hat das besonders den Vorteil, daß beliebige Kurvenformen der Ausgangsspannungen vorgegeben werden können.

Bei Verwendung einer Eingabevorrichtung, über die der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung vorgegeben werden kann, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei verschiedenen Anwendungsgebie­ ten universell eingesetzt werden.

Werden zusätzlich Dämpfungs- und/oder Verstärkungsmittel einge­ setzt, die die Entnahmespannungen dämpfen bzw. verstärken kön­ nen, so erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin, daß die mindestens eine Ausgangsspannung auch in ihrem Amplituden­ verlauf variiert werden kann.

Neben der besseren Angleichung an einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf gestattet eine Ausgestaltung der Erfindung weiterhin, daß mehrere zeitliche Verläufe mit ihren Scheitelwerten vorgege­ ben werden können, denen die amplitudengekoppelten Ausgangsspan­ nungen folgen.

Wenn eine oder mehrere der Ausgangsspannungen zu verschiedenen Zeiten verschiedenen Kurvenformen und/oder zeitlichen Verläufen entsprechen, hat das u. a. den Vorteil, daß die Ausgangsspannun­ gen während Anlauf oder Verzögerungsphasen eines elektrischen Verbrauchers optimiert werden können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Ansteuerung eines dreisträngigen Motors,

Fig. 2 einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf mit Werten von Entnahme- und Einzelspannungen gemäß dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einstellbaren Bauelementen.

Bevor auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher einge­ gangen wird, sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren einzeln dargestellten Blöcke lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung dienen. Üblicherweise sind einzelne oder mehrere dieser Blöcke zu Einheiten zusammengefaßt. Diese können in integrierter oder Hybridtechnik oder aber als programmgesteuer­ te Mikrorechner, bzw. als Teil eines zu seiner Steuerung geeig­ neten Programmes realisiert sein.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die in den einzelnen Stufen enthaltenen Vorrichtungen und Elemente auch getrennt ausgeführt werden können.

In Fig. 1 ist eine Entnahmevorrichtung 9 dargestellt, die eine steuerbare Spannungsquelle 10, die in Abhängigkeit von Steuerim­ pulsen eines elektronischen Steuergerätes 11 eine Ausgangsspan­ nung U abgibt, und ein Netzwerk aufweist, das aus Bauelementen 12.1 . . . 12.k gebildet wird. Dadurch ergeben sich Entnahmepunk­ te 13.0 . . . 13.k von denen aus Leitungen zu einer Umschaltvor­ richtung 14 führen, die Umschalter 24a, 24b, 24c umfaßt, Impul­ se von dem elektrischen Steuergerät 11 erhält und Ausgangsspan­ nungen an einen elektrischen Verbraucher 15 abgibt.

In Fig. 1 ist als elektrischer Verbraucher ein dreisträngiger Motor 16 dargestellt, wobei jedem Strang eine entsprechende Verstärkerstufe 17a, 17b, 17c zugeordnet ist. An dem elektroni­ schen Verbraucher 15 ist ein Sensor 18 angeordnet, der Be­ triebs-Größen des Verbrauchers 15, wie beispielsweise Position und/oder Drehzahl, erfaßt und Signale an das elektronische Steuergerät 11 abgibt.

Die Funktion des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 wird mit Hilfe von Fig. 2 erläutert. Dort ist eine Ausgangsspannung Ua mit einer sinusförmigen Kur­ venform dargestellt, wobei die Kurve so verschoben ist, daß negative Werte vermieden werden. Damit ergibt sich Ua = 1/2 (U+Uxsin(t)). Der Verlauf der Kurve in Fig. 2 wird also zunächst bestimmt durch den Scheitelwert U und weiterhin durch die zeitliche Funktion sin(t).

Die Spannung U wird an der Spannungsquelle 10 durch das elektro­ nische Steuergerät 11 eingestellt. Der zeitliche Verlauf der Sinuskurve wird dadurch realisiert, daß der Kurvenverlauf in einzelne Teilstücke aufgeteilt wird. So erkennt man in Fig. 2 beispielsweise bei dem Punkt 0 der Abszisse ein Minimum der Kurve sin(t) und bei dem Punkt K ein Maximum, welches der Span­ nung U entspricht. Der Verlauf zwischen dem Minimum und dem Maximum wird in Stützpunkte 1, 2, 3, . . . k aufgeteilt, an denen sich die Entnahmespannungen U₁, U₂, U_{3i . . . Uk} ergeben. Für eine beliebige Entnahmespannung U_m+1 gilt,

U_m+1=U_m+D_m+1.

Somit sind die Bauelemente 12.1 . . . 12.k der Schaltung nach Fig. 1 derart dimensioniert, daß an ihnen die vorgegebenen Spannungen D, entsprechend D₁ . . . D_k, abfallen. Damit ergeben sich als Gesamtspannungen an den Entnahmepunkten 13.0 . . . 13.k die Entnahmespannungen U₀ . . . U_k.

Die Umschaltvorrichtung 14 schaltet zwischen den einzelnen Entnahmepunkten 13, entsprechend 13.0, . . . 13.k, derartig um, daß an jedem ihrer Ausgänge ein sinusförmiges Ausgangssignal Ua anliegt.

Soll beispielsweise der Ausgang, der dem Umschalter 24a zugeord­ net ist, ein sinusförmiges Ausgangssignal Ua1 mit zunächst ansteigenden Werten liefern, so wird er durch das elektronische Steuergerät 11 derart geschaltet, daß er von einem beliebigen Eingangsanschluß (entsprechend dem Entnahmepunkt 13.m) zunächst in Richtung höherer Spannungswerte (entsprechend den Entnahme­ punkten 13.m+1, 13.m+2 . . ., 13.k) geschaltet wird, anschließend zu niedrigeren Spannungswerten, dann wieder zu höheren Span­ nungswerten, usw.

Analog verläuft dieser Prozeß für die Umschalter 24b und 24c. Sollen die durch die Umschalter 24a, 24b, 24c gelieferten Aus­ gangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 phasengekoppelt sein, so muß zwischen den Umschaltern 24 eine feste Kopplung vorliegen. Diese kann entweder durch Steuersignale des elektronischen Steuergerätes 11 oder durch in Fig. 1 nicht dargestellte Mit­ tel der Umschaltvorrichtung 14 vorgenommen werden.

Die von den Umschaltern 24a, 24b, 24c gelieferten Ausgangsspan­ nungen Ua1, Ua2, Ua3 werden an den elektronischen Verbraucher 15 weitergegeben. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 han­ delt es sich dabei um den dreisträngigen Motor 16, wobei jedem Strang eine der Verstärkerstufen 17a, 17b, 17c zugeordnet ist. Die Ausgangsspannungen müssen dann eine Phasenverschiebung von 120° aufweisen. Durch die von den Verstärkerstufen 17a, 17b, 17c verstärkten Leistungen wird der Motor 16 angetrieben. Durch den Sensor 18, der beispielsweise als Tachogenerator ausgeführt sein kann, wird die Drehzahl und/oder die Position des Motors 16 erfaßt. Die von dem Sensor 18 gelieferten Signale werden an das elektronische Steuergerät 11 gegeben, das daraufhin durch Steuerimpulse bezüglich der Kommutierung die Umschaltvorrich­ tung 14 und/oder durch Steuerimpulse bezüglich Drehmoment bzw. Drehzahl die Spannungsquelle 10 ansteuert.

Bei einer Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ist es möglich, daß neben den in Reihe geschalteten Bauelementen 12.1 . . . 12.k weitere nicht dargestellte Bauelemente vorgesehen sind, die den erstgenannten parallel geschaltet sind. Dadurch kann erreicht werden, daß die Entnahmespannungen U₀ . . . U_k der gewünschten Kurvenform, hier dem Sinusverlauf, besser angegli­ chen werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Dort sind Mittel und Baugruppen, die ähnliche Funktionen aufwei­ sen wie die des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Auf sie soll im folgenden nur insofern eingegangen werden, wie es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wichtig ist.

Wesentlich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist, daß eine Eingabevorrichtung 19 vorgesehen ist, die Impulse an das elektronische Steuergerät 11 abgibt. Weiterhin sind die Bauele­ mente 12.1 . . . 12.k in ihren elektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise Widerstand und Kapazität, durch Steuerimpulse, die von dem elektronischen Steuergerät 11 abgegeben werden, veränderlich.

Das bewirkt, daß die einzelnen an den jeweiligen Bauelementen 12 abfallenden Spannungen D veränderlich sind. Da die Entnahme­ spannungen U₁ . . . U_k sich aus den Einzelspannungen D ergeben, ist es so möglich, Werte eines gewünschten, über die Eingabevor­ richtung 19 vorgebbaren, zeitlichen Verlaufes der Ausgangsspan­ nungen zu ermöglichen. Über die Eingabevorrichtung 19 kann ebenfalls der Wert der Spannung U vorgegeben werden. Weiterhin ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 angedeutet, daß die Umschaltvorrichtung 14 mehr als drei Umschalter enthalten kann, so daß auch mehrere Ausgangsspannungen Ua1, . . ., Uax erzeugt werden können.

Alternativ kann das Ausführungsbeispiel auch derart gestaltet sein, daß das elektronische Steuergerät 11 seine Ausgangsimpul­ se an die Entnahmestufe 9 in Abhängigkeit von Signalen des Sensors 18 und/oder durch Signale eines nicht dargestellten Zeitgliedes steuert.

Weiterhin ist es denkbar, daß in der Entnahmestufe 9, eine weitere Spannungsquelle vorgesehen ist und/oder daß zumindest einzelne der Bauelemente 12.1 . . . 12.k als Spannungsquelle ausgeführt sind. Damit wird erreicht, daß die Entnahmespannun­ gen U₁, . . . U_k auch einen unsymmetrischen Verlauf darstellen können.

Bei einer weiteren Variante, die sich sowohl auf das Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 als auch auf das gemäß Fig. 3 bezieht, ist es weiterhin denkbar, daß die Entnahmespannungen Werte verschiedener Kurvenverläufe darstellen. Dies kann derart verwirklicht werden, daß U₀, U₂, . . . einer ersten Kurvenform und U₁, U₃, . . . einer zweiten Kurvenform entsprechen. Denkbar ist weiterhin eine Unterteilung in U₀, . . . U_m für Kurve 1 und U_m+1, . . ., U_k für Kurve 2. Wenn mehr als zwei Kurvenformen verwirklicht werden sollen, gelten entsprechende Aufteilungen.

Weiterhin ist denkbar, daß die Ausgangsspannungen Uao, . . ., Uax zwar amplitudengekoppelt sind, d. h. durch ein einziges Ansteuer­ signal wird eine gemeinsame Änderung der Scheitelpunktswerte der einzelnen Ausgangsspannungen bewirkt, daß sie aber nicht denselben Scheitelpunkt aufweisen. Das kann durch nicht darge­ stellte Verstärkungs- bzw. Dämpfungsglieder realisiert werden, die beispielsweise Teil der Umschaltvorrichtung 14 sein können und die auch durch das elektronische Steuergerät 11 angesteuert werden können.

Bei einer weiteren Variante ist es zusätzlich möglich, daß eine oder mehrere der Ausgangsspannungen zu verschiedenen Zeiten verschiedenen Kurvenformen und/oder zeitlichen Verläufen ent­ sprechen.

Somit wird insgesamt eine Vorrichtung zur Erzeugung amplituden­ gekoppelter Spannungen mit vorgegebenen zeitlichen Verläufen vorgestellt, die eine Entnahmestufe mit vorzugsweise einem Netz­ werk von Bauelementen aufweist, an denen Einzelspannungen abfal­ len, und so Entnahmespannungen bereitstehen, die Spannungswerte mindestens einer vorgegebenen Kurve darstellen.

Der zeitliche Verlauf wird durch Steuersignale eines elektroni­ schen Steuergerätes bestimmt, wodurch Umschalter die Entnahme­ spannungen derart schalten, daß die vorgegebenen Ausgangsspan­ nungen bereitstehen. Diese können phasengekoppelt sein oder Kurvenformen mit verschiedenen zeitlichen Verläufen aufweisen, was durch das elektronische Steuergerät und/oder durch nicht dargestellte Mittel verwirklicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat besonders den Vorteil, daß eine gemeinsame Änderung der Scheitelwerte der gelieferten Ausgangsspannungen von einem einzigen Ansteuersignal des elek­ tronischen Steuergerätes bestimmt wird. Dadurch ist bei Verwen­ dung digitaler Bausteine auch nur ein Digital-Analog-Wandler, der Teil des Steuergerätes 11 oder der Spannungsquelle 10 sein kann, zur gemeinsamen Ansteuerung der Ausgangsspannungen notwen­ dig.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt die Erzeugung von amplitudengekoppelten Ausgangsspannungen gemäß von außen vorgebbarer Kurvenverläufe.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen amplituden­ gekoppelt sind und einen oder mehrere vorgegebene zeitli­ che Verläufe aufweisen, daß eine Entnahmevorrichtung (9), Entnahmespannungen (U₀, . . ., U_k) abgibt, die Werten einer oder mehrerer vorgegebener Kurvenformen entsprechen, und daß eine Umschaltvorrichtung (14), die Entnahmespannungen (U₀, . . ., U_k) gemäß einer oder mehrerer zeitlicher Funktio­ nen derart schaltet, daß amplitudengekoppelte Ausgangsspan­ nungen mit einem oder mehreren zeitlichen Verläufen vorlie­ gen.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Entnahmevorrichtung (9) ein Netz­ werk von Bauelementen (12.1, . . ., 12.k) aufweist, daß eine Gesamtspannung (U) an Versorgungspunkten des Netzwerks angelegt wird, und daß die Bauelemente derart gestaltet sind, daß an Entnahmepunkten (13.0, . . ., 13.k) die Entnah­ mespannungen (U₀, . . ., U_k) anliegen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vorgegebene zeitliche Verlauf einer trigonometrischen oder einer sonstigen mathe­ matischen Funktion entspricht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bauele­ mente (12.1, . . ., 12.k) als elektrische Widerstände mit geeigneten Widerstandswerten, Dioden oder als Kombinatio­ nen von geeigneten elektrischen Bauelementen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (12.1, . . ., 12.k) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene zeitliche Funktion durch ein Zeitglied und/oder durch einen Sensor (18) gesteuert wird, der die Wirkung der Ausgangsspannun­ gen auf einen elektrischen Verbraucher (15) erfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmevorrichtung (9) mittels des elektronischen Steuergerätes (11) derart angesteuert wird, daß die Entnahmespannungen (U₀, . . ., U_k) vorgegebenen Werten entsprechen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingabevorrichtung (19) vorgesehen ist, mittels derer die Entnahmespannungen (U₀, . . ., U_k) und/oder der zeitliche Verlauf der Ausgangs­ spannungen vorgegeben werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungs- und/oder Ver­ stärkungsmittel vorgesehen sind, die die Entnahmespannun­ gen dämpfen bzw. verstärken können, so daß die Scheitel­ punktwerte der Ausgangsspannungen unabhängig voneinander vorgebbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Ausgangsspannungen zu verschiedenen Zeiten verschiedenen Kurvenformen und/oder zeitlichen Verläufen entsprechen.