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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Funktionsprüfung einer elektronischen Einheit
durch Simulation. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur
Prüfung
von auf einem Schienenfahrzeug oder einem elektrischen Fahrzeug mitzuführenden
elektronischen Einheiten.
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Auf dem Gebiet der elektronischen
Steuerung von Traktionssystemen für Schienenfahrzeuge ist es
bekannt, elektronische Einheiten zu verwenden, die in Echtzeit arbeiten
und vorgesehen sind, um elektronische Schaltungen wie etwa GTO-(Gate Turn-off
Thyristor) oder IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor)-Schaltungen,
Niederspannungsrelais oder digitale oder analoge Anzeigeeinrichtungen
zu steuern. Diese Einheiten umfassen einen Rechner, der in der Lage
ist, Steuersignale in Abhängigkeit
von von der Einheit empfangenen Eingangssignalen zu erzeugen, wobei
diese Eingangssignale ein Sollwert, für den Zustand von Niederspannungsrelais
repräsentative
Signale, für
Strom, Spannung oder Leistungsverbrauch repräsentative Signale und/oder
von einem mitgeführten
Informatiknetz gesendete Signale sein können. Für die effiziente Steuerung
von elektronischen Schaltungen vom Typ GTO oder IGBT müssen die
von einer solchen elektronischen Einheit gesendeten Steuersignale
zeitlich mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einer Mikrosekunde positioniert
sein.
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Da eine solche Steuereinheit ein
komplexes Gerät
ist, ist es bekannt, einen Prüfstand
zu realisieren, der einen Simulator umfasst, der in der Lage ist, Simulationssignale
zu erzeugen, die der Einheit als Eingangssignale zur Verfügung gestellt
werden, und die von einer solchen Einheit erzeugten Steuersignale
zu analysieren. Ein solcher Simulator arbeitet in Echtzeit und simuliert
zum Beispiel den Motor, die Bremsen oder die Trägheit eines Triebwagens sowie den
Zustand der Schienen oder andere externe Parameter. Ein einziger
Typ von Simulator wird für
die Funktionsprüfung
verschiedener elektronischer Einheiten verwendet, wobei die Funktionsweise
des Simulators durch Programmierung je nach Typ und Verwendung der
Einheit angepasst wird. Ein solcher Simulator umfasst einen oder
mehrere Mikroprozessoren, die dazu dienen, von der Einheit gesendete
Signale zu verarbeiten, um neue Simulationssignale an sie zu adressieren.
Ein solcher Simulator ist vom Typ "Hardware in the Loop" oder "Gerät in der
Simulationsschleife".
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Ein solcher Simulator ist zum Beispiel
in dem Dokument XP000 559 454, "Test and Measurement World", Band
16, Nr. 3, 15. Februar 1996, Seiten 35 bis 36, 38 und 40, Hanselmann
H. et al. beschrieben. Aufgrund der Informatikverarbeitungen, die
sie durchführen
müssen,
arbeiten die Simulationsprogramme mit einer Zykluszeit in der Größenordnung von
einigen zehn Mikrosekunden, wobei diese Zykluszeit wesentlich größer als
die für
die elektronische Einheit angestrebte Genauigkeit in der Größenordnung
von einer Mikrosekunde ist. Mit anderen Worten arbeitet der Mikroprozessor,
wenn er ein von der zu steuernden Einheit erzeugtes Signal aufgenommen
hat, mehrere zehn Mikrosekunden lang "blind", bevor er ein neues
Simulationssignal erzeugt. Es wäre
denkbar, den Betrieb des Mikroprozessors häufig zu unterbrechen, zum Beispiel
alle Mikrosekunden, um einen neuen von der Einheit gesendeten Signalwert
aufzunehmen, doch würde
dies den Betrieb des Rechners erheblich stören, der nicht mehr die zahlreichen
aufgenommenen Werte verwalten könnte.
Mit anderen Worten ist eine solche Lösung in dem Fall, wo eine Genauigkeit
in der Größenordnung von
einer Mikrosekunde angestrebt ist, nicht technisch anwendbar.
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Es sind insbesondere diese Nachteile,
die die Erfindung beheben soll, indem ein Verfahren vorgeschlagen
wird, welches es ermöglicht,
eine elektronische Einheit in Echtzeit mit großer Genauigkeit, großer Stabilität der simulierten
Signale und effektiver Steuerung der von dieser Einheit gesendeten
Signale zu simulieren.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung
ein Verfahren wie in Anspruch 1 definiert, das darin beruht, im
Laufe ihres Sendens bestimmte Ausgangssignale der elektronischen
Einheit mit Hilfe einer programmierbaren logischen Schaltung zu
verarbeiten, diesen verarbeiteten Signalen entsprechende Parameterwerte
zu speichern und den Mikroprozessor des Simulators auf diese gespeicherten
Parameterwerte mit einer Frequenz zugreifen zu lassen, die mit seiner
Arbeitsgeschwindigkeit vereinbar ist.
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Dank der Erfindung ermöglicht es
die programmierbare logische Schaltung, die von der Einheit erzeugten
Ausgangssignale, die GTO- oder IGBT-Schaltungssteuersignale sein
können,
mit hoher Geschwindigkeit, das heißt in Echtzeit, aufzunehmen,
wobei gleichzeitig der Mikroprozessor des Simulators dabei ist,
Rechenoperationen durchzuführen.
Nach Abschluss dieser Rechenoperationen, das heißt zum Beispiel nach einer
Periode von zehn Millisekunden, kann dann der Mikroprozessor die
von der programmierbaren logischen Schaltung während dieser Periode verarbeiteten
Werte aufnehmen, wobei diese Werte in einem Pufferspeicher gespeichert sind.
So können
die zeitliche Positionierung und der Wert der von der elektronischen
Einheit gesendeten Signale präzise
festgestellt werden, ohne den Betrieb des Mikroprozessors des Simulators
zu stören.
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Vorteilhaften Aspekten der Erfindung
zufolge umfasst das Verfahren eines oder mehrere der folgenden Merkmale:
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- – Die
gespeicherten Parameterwerte sind repräsentativ für Umschaltzeitpunkte von von
der Einheit erzeugten logischen Signalen. Insbesondere können diese
Werte ein Abbild der Umschaltzeitpunkte, der Zeitdauer, während der
eine logische Variable einen vorgegebenen Wert hat, und/oder der
Mittelwert des Wertes einer logischen Variablen während einer
vorgegebe nen Periode sein. So kann je nach Typ von von dem Simulator
gesteuerter Variabler dieser auf einen Schlag und schnell Informationen
aufnehmen, die für
die verschiedenen momentanen Werte der Signale im Laufe des betrachteten
Zeitraumes repräsentativ
sind.
- – Es
beruht darin, wenigstens bestimmte der von dem Mikroprozessor erzeugten
Signale an wenigstens eine zweite programmierbare logische Schaltung
zu adressieren und an die elektronische Einheit von dieser zweiten
programmierbaren logischen Schaltung erzeugte Simulationssignale
zu adressieren, wenn der Mikroprozessor nicht mit der Einheit in Kommunikation
ist. Mit anderen Worten werden die von dem Mikroprozessor erzeugten
Befehle an die elektronische Einheit von der zweiten programmierbaren
logischen Schaltung während
einer Periode geliefert, in der der Mikroprozessor beschäftigt ist, zum
Beispiel durch die Berechnung der nächsten Steuerparameter. Durch
diesen Aspekt der Erfindung ist es möglich, die Einheit mittels
mit sehr hoher Genauigkeit in der Größenordnung von einer Mikrosekunde
gesendeter Signale zu steuern, was für bestimmte Meßaufnehmer
wie etwa einen Inkrement-Geschwindigkeitsmeßaufnehmer
repräsentativ
ist, der die Position von Kerben auf einer Scheibe mit einer Präzision deutlich
unterhalb von einigen zehn Mikrosekunden erfassen kann.
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Die Erfindung betrifft auch eine
Vorrichtung wie in Anspruch 5 definiert, die es ermöglicht,
das Verfahren wie oben beschrieben auszuführen, und genauer gesagt eine
Vorrichtung, die einen Simulator enthält, der wenigstens einen Mikroprozessor
umfasst und in der Lage ist, an die Einheit Eingangs-Simulationssignale
zu adressieren und von dieser als Reaktion Ausgangssignale zu empfangen.
Der Simulator umfasst wenigstens eine programmierbare logische Schaltung,
die in der Lage ist, wenigstens bestimmte der von der Einheit erzeugten
Ausgangssignale zu empfangen, wobei die logische Schaltung in der
Lage ist, in Echtzeit Parameterwerte zu erzeugen, die den von ihr
empfangenen Signalen entsprechen, und diese Werte zu speichern,
wobei der Mikroprozessor in der Lage ist, diese gespeicherten Werte
aufzunehmen.
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Dank der Erfindung erlaubt es die
programmierbare logische Schaltung, in Echtzeit Befehle oder Ausgangssignale,
die von der elektronischen Einheit während eines Arbeitszyklus des
Mikroprozessors gesendet werden, aufzufangen, wobei der Mikroprozessor
akkumulierte Werte, zum Beispiel in einem Pufferspeicher, in jedem
seiner Arbeitszyklen verwendet.
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Vorteilhaften Aspekten der Erfindung
zufolge weist die Vorrichtung eines oder mehrere der folgenden Merkmale
auf:
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- – wenigstens
eine zweite programmierbare logische Schaltung des Simulators ist
in der Lage, in Echtzeit Simulationssignale an die Einheit ausgehend
von zuvor von dem Mikroprozessor gesendeten Sollwertsignalen zu
adressieren. Aufgrund diese Aspektes der Erfindung wird die Entkopplung
zwischen dem Betrieb des Programms des Mikroprozessors mit einer Zykluszeit
in der Größenordnung
von einigen zehn Mikrosekunden und dem der Einheit, die mit einer Präzision in
der Größenordnung
von einer Mikrosekunde oder weniger in Abhängig von den technologischen
Entwicklungen auf zu einem beliebigen Zeitpunkt gesendete Signale
reagieren können
muss, gleichzeitig am Eingang und am Ausgang der elektronischen
Einheit eingesetzt. In diesem Fall sind die oben erwähnte erste
und zweite logische Schaltung vorteilhafter Weise physikalisch in
einer gleichen elektronischen Schaltung realisiert.
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Der oder die programmierbaren logischen Schaltungen
ist/sind vom Typ FPGR (Field Programmable Gate Array). Eine FPGA-Schaltung ist wie
ein Mirkoprozessor eine durch Software programmierbare Komponente.
Die Verwendung dieses schnellen Typs von Komponente in Verbindung
mit einem programmierbaren Prozessor erlaubt es, generische Echtzeit-Prozesssimulatoren
zu konstruieren, die an beliebige Typen von Prozess, das heißt an beliebige Typen
von elektronischen Einheiten und ihre Anwendungsbedingungen, anpassbar
sind.
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Der Simulator umfasst ferner einen
Analog/Digitalwandler, der es ermöglicht, an den Mikroprozessor
digitale Signale, die für
von der Einheit erzeugte analoge Signale repräsentativ sind, zu übertragen,
und/oder einen Digital-Analog-Wandler, der es ermöglicht,
an die Einheit analoge Simulationssignale ausgehend von vom Mikroprozessor
erzeugten digitalen Signalen zu übertragen.
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– Der
oder die logischen Schaltungen sind in Abhängigkeit vom Typ und/oder der
vorgesehenen Verwendung der Einheit programmiert.
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Schließlich betrifft die Erfindung
eine Anlage wie in Anspruch 11 definiert zur Überprüfung von auf rollendem Eisenbahnmaterial
oder einem elektrischen Fahrzeug wie etwa einem Bus oder dergleichen
mitzuführenden
elektronischen Einheiten, die wenigstens eine Vorrichtung wie oben
beschrieben umfasst. Eine solche Anlage arbeitet präzise und kann
in Abhängigkeit
von den zu steuernden elektronischen Einheiten und ihrer Umgebung,
zum Beispiel in Abhängigkeit
vom Fahrzeugtyp, auf dem diese mitgeführt werden sollen, wie etwa
einem Zug, einem Hochgeschwindigkeitszug, einer Straßenbahn,
einem Bus etc. konfiguriert werden.
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Die Erfindung ist besser zu verstehen
und andere Vorteile derselben ergeben sich deutlicher anhand der
nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausgestaltungen einer Funktionsprüfungsvorrichtung
für eine
elektronische Einheit gemäß ihrem
Prinzip und ihrer Betriebsweise, die lediglich als Beispiel mit
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
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– 1 eine schematische Prinzipdarstellung
einer Funktionsprüfungsvorrichtung
für eine elektronische
Einheit gemäß der Erfindung;
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– 2 eine schematische Prinzipdarstellung
der Entwicklung der Werte eines von der elektronischen Einheit der 1 in
einer Periode ΔT
erzeugten Werte eines Parameters und
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– 3 eine Darstellung, analog
der der 1, für eine Vorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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Die in 1 dargestellte
elektronische Einheit ist vorgesehen, um zum Beispiel auf einem
Triebwagen eines Zuges mitgeführt
zu werden, um einen Traktionsmotor zu steuern. Sie umfasst einen
Mikroprozessor 2, der in der Lage ist, Steuersignale oder Ausgangssignale
S in Abhängigkeit
von Eingangssignalen E zu erzeugen, die von Meßsystemen oder elektronischen
Master-Steuereinheiten geliefert werden.
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Vor ihrem Einbau in dem betrachteten
Triebwagen wird die Einheit über
zwei elektrische Kabelbäume 12 und 13 an
einen Simulator 11 angeschlossen. Genauer gesagt verbindet
der Kabelbaum 12 den Ausgang des Simulators 11 mit
dem Eingang der Einheit 1, und der Kabelbaum 13 verbindet
den Ausgang der Einheit 1 mit dem Eingang oder den Eingängen des
Simulators 11. Der Kabelbaum 12 ermöglicht also
die Übertragung
von Simulations-Eingangssignalen E der Einheit 1, während der
Kabelbaum 13 die Übertragung
von von der Einheit 1 erzeugten Ausgangssignalen zum Simulator 11 ermöglicht,
die Steuersignale für
auf dem Triebwagen mitgeführtes Gerät darstellen.
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Der Simulator 11 enthält ein Programm,
das auf einen Mikroprozessor 14, zum Beispiel vom Typ DSP
(Digital Signal Processor) mit einer Zykluszeit in der Größenordnung
von einigen zehn Mikrosekunden ausgeführt wird und in der Lage ist,
die Simulationssignale E zu erzeugen. Diese Simulationssignale können Zustandssignale
von Niederspannungsrelais, von Strom oder Spannungs-Meßaufnehmern
wie etwa Inkrementgebern gesendete Signale oder von einer oder mehreren
elektronischen Mastereinheiten erzeugte und über ein Informatiknetz übertragene Sollwerte
darstellen. Der Mikroprozessor kann mit einer Konsole 15 zu
seiner Programmierung und Steuerung sowie zur Anzeige des Überprüfungsergebnisses
verbunden sein. Zu diesem Zweck ist eine elektrische Verbindung 16 vorgesehen.
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Die von der Einheit 1 erzeugten
Ausgangssignale S teilen sich auf in schnelle Signale S1 , relativ langsame Signale S2 und analoge Signale S3.
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Die relativ langsamen Signale sind
Steuersignale, deren Positionierung in der Zeit mit einer Präzision in
der Größenordnung
von einer Millisekunde bekannt sein muss, was mit der Zykluszeit
des Mikroprozessors 14 vereinbar ist. Diese Signale können daher
direkt an den Mikroprozessor 14 übertragen werden, der ihren
Wert einmal pro Zykluszeit, also alle einige zehn Mikrosekunden,
aufnimmt.
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Die Signale S3 werden
an einen Analog-Digital-Wandler 17 (ADC) übertragen,
der ein entsprechendes digitales Signal S'3 an
den Mikroprozessor 14 überträgt.
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Die Signale S1 können sich
im Laufe einer Periode ΔT
von einigen zehn Mikrosekunden Dauer mehrmals ändern, und ihre Änderungs-
oder Umschaltzeitpunkte müssen
genau bekannt sein. Diese Signale S1 können zum
Beispiel Steuersignale für GTO- oder IGBT-Schaltungen
oder Relais sein.
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Wie sich aus 2 ergibt, kann ein Signal S1 die logischen Werte 0 und 1 annehmen,
und seine Entwicklung im Laufe einer Periode ΔT kann charakterisiert werden
durch seine Umschaltzeitpunkte t1, t2, t3, t4 und
t5. Jedes Signal S1 wird
an einen Eingang einer programmierbaren logischen Schaltung 18 vom Typ
FPGA übertragen,
die in der Lage ist, die Zeitpunkte T1 bis
T5 im Laufe einer Periode ΔT sowie die Änderungsrichtung
des Signals S1 im Laufe dieser Periode
zu erfassen. Die Schaltung 18 reagiert mit sehr hoher Genauigkeit
auf die Änderungen
des Signals S1 , da es sich um eine
aus logischen Und-Gattern, O-der-Gattern
und Kippstufen aufgebaute Schaltung handelt, die eine Zykluszeit
von weniger als einer Mikrosekunde haben kann.
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Die von der Schaltung 18 erfassten
Werte werden, ggf. nach einer logischen Verarbeitung, an einen Pufferspeicher 19 übertragen,
auf den der Mikroprozessor 14 nach jeder seiner Arbeitsperioden, also
alle einige zehn Mikrosekunden zugreifen kann, um die Entwicklung
jedes Signals S1 im Laufe der betrachteten
Periode zu erkennen.
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Die in dem Speicher 19 gespeicherten
Werte können
dann die Referenzen der Zeitpunkt t1 bis
t5 im Laufe des betrachteten Zeitraumes ΔT oder der
Gesamtwert Σ1 des Signals S1 im
Laufe dieser Periode sein, die der Dauer entspricht, während derer
das Signal S1 einen Wert von 1
gehabt hat. Dieser Wert Σ1 ist gleich der Summe der Zeitintervalle,
wo S1 gleich 1 ist, im dargestellten
Beispiel also Σ1 = ΔT – t5 – t4 – t3 + t2 – t1 .
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Der an den Speicher 19 übertragene
Wert kann auch der Mittelwert M1 des Signals
S1 im Laufe der Periode ΔT oder ein beliebiger anderer
für die Entwicklung
des Signals S1 im Laufe dieser Periode repräsentativer
Wert sein.
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Der als repräsentativ für das Signal S1 an den
Mikroprozessor 14 übertragene
Wert S'1 kann sich in Abhängigkeit
von der Programmierung der Schaltung 18 ändern. Je
nach Art des Parameters S1 , des
Typs der Einheit 1 und ihrer Betriebskonfiguration kann
der an den Mikroprozessor 14 zu übertragende Wert anders sein.
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Erfindungsgemäß arbeitet die Schaltung 18 wie
ein "asynchroner Abtaster" für
den Mikroprozessor 14 und ermöglicht eine Abfrage bestimmter
Ausgänge
der Einheit 1 in Echtzeit, wohingegen der Betrieb des Mikroprozessors 14 nicht
gestört
wird und die für
den Mikroprozessor 14 benötigte Rechenleistung nicht
zu hoch ist.
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Bei der in 3 dargestellten zweiten Ausgestaltung
der Erfindung tragen die Elemente, die zu denen der Ausgestaltung
der 1 analog sind, identische
Bezugszeichen.
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Diese Ausgestaltung unterscheidet
sich von der vorhergehenden im Wesentlichen dadurch, dass die Eingangssignale
E der Einheit 1 in schnelle Signale E1,
relativ langsame Signale E2 und analoge
Signale E3 unterteilt sind.
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Die Signale E2 werden
direkt vom Mikroprozessor 14 am Ende jedes Betriebszyklus
erzeugt und an die Einheit 1 übertragen. Die Signale E3 werden von einem Digital-Analog-Wandler
(DAC) 27 anhand von vom Mikroprozessor 14 gelieferten
digitalen Signalen E'3 erzeugt.
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Die schnellen Signale E1 werden
von einer zweiten programmierbaren logischen Schaltung 28 vom
Typ der Schaltung 18 erzeugt, die einem Pufferspeicher 29 zugeordnet
ist.
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Die Funktionsweise ist wie folgt:
Nach einem Rechenzyklus adressiert der Mikroprozessor 14 den Speicher 29 der
Signale E'1, die für die verschiedenen Werte,
die die Signale E1 im Laufe des nächsten Zeitraumes ΔT annehmen
sollen, repräsentativ
sind. Ausgehend von diesen Werten, während der Mikroprozessor 14 die
nächsten
Werte berechnet und nicht mit der Einheit 1 oder dem Speicher 29 in
Kommunikation steht, erzeugt die Schaltung 28 die Simulationssignale
E1 der Einheit 1. Mit anderen Worten
ermöglicht
die Schaltung 28, mit hoher zeitlicher Genauigkeit die Änderungen
der Signale E1 im Laufe einer Periode ΔT zu simulieren,
in welcher der Mikroprozessor 14 mit den Rechenoperationen
beschäftigt ist.
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Zum Beispiel kann die Schaltung 28 Impulse erzeugen,
die einen Inkrementgeschwindigkeitsaufnehmer simulieren, die in
Wirklichkeit eine Folge von Impulsen mit einer Periode in der Größenordnung von
einigen Mikrosekunden sein können.
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Einem vorteilhaften aber nicht obligatorischen
Aspekt der Erfindung zufolge sind die Schaltungen 18 und 28 direkt über eine
Verbindung 38 verbunden, die eine direkte Übertragung von bestimmten Signalen S1 von der Schaltung 18 zur
Schaltung 28 ermöglicht,
wobei diese Signale von den Schaltungen 18 und 28 verarbeitet
werden, um bestimmte Ausgangssignale E1 ohne
Intervention des Mikroprozessors 14 zu erzeugen.
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Die Schaltungen 18 und 28 sind
in 3 als zwei getrennte
Einheiten dargestellt. Es ist möglich und
vorteilhaft, sie in einer einzigen elektronischen Schaltung zu integrieren.
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Unabhängig von der verwendeten Ausgestaltung
können
der oder die programmierbaren logischen Schaltungen 18 oder 28,
zum Beispiel mit Hilfe der Konsole 15, an die sie über Verbindungen 20 und 30 angeschlossen
sind, in Abhängigkeit
vom Typ der zu steuernden Einheit und/oder deren späterer Umgebung,
zum Beispiel vom Typ des Schienenfahrzeuges, auf dem diese mitgeführt werden
soll, programmiert werden.
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Die Verwendung von Schaltungen vom
FPGA-Typ ist wirtschaftlich vorteilhaft, da derartige Schaltungen
schnell, technologisch gut beherrscht und damit zuverlässig sowie
preiswert sind.
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Die Erfindung ermöglicht in Echtzeit die Simulation
von Fehlern wie etwa eines Kurzschlusses in einem der Zweige eines
Hochspannungswechselrichters und die Überprüfung in Echtzeit der Chronologie
von Steuerimpulsen, die von einer Einheit 1 für die simulierten
Leistungshalbleiter wie etwa GTO- oder IGBT-Schaltungen erzeugt
werden. Insbesondere können
die minimale Einschaltzeit oder die minimale Nicht-Einschaltzeit
effektiv gesteuert werden.
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Die Erfindung ist mit einer einzigen
FPGA-Eingangsschaltung und, in der Ausgestaltung der 3, einer einzigen FPGA-Ausgangsschaltung
dargestellt worden. Selbstverständlich
können
mehrere derartige Schaltungen am Eingang oder am Ausgang, je nach
Art der zu verarbeitenden Signale, verwendet werden.