DE60223174T2

DE60223174T2 - Verfahren zum betrieb einer stromsteuerung

Info

Publication number: DE60223174T2
Application number: DE60223174T
Authority: DE
Inventors: Andrew Mark Great Baddow WESTCOTT
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 2002-01-02
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: US20050078496A1; DE60223174D1; JP4383881B2; ES2292835T3; US7187567B2; JP2005513810A; GB0200027D0; WO2003056580A1; ATE376703T1; EP1461813A1; AU2002352416A1; EP1461813B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung eines Stromreglers, die Strom produziert, welcher durch einen Elektromagneten fließt, wobei die Brückenschaltung betrieben wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine gewünschte Kraft von einem Elektromagneten, der über den Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, produziert.
Eine derzeit in Erwägung gezogene Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht aus dem Antreiben eines Elektromagneten, der verwendet wird, um Schwingungen in einer mechanischen Struktur zu isolieren. Zum Beispiel kann eine Reihe von Elektromagneten verwendet werden, um eine Reihe von Kräften zu kreieren, die eine Fundamentplatte, die einen sich bewegenden Mechanismus stützt, schweben läßt. Die sich bewegenden Teile des Mechanismus verursachen tendenziell Schwingungen und Durchbiegen der stützenden Fundamentplatte, das auf die stützende Struktur der Fundamentplatte übertragen werden würde. Das Schwebenlassen der Fundamentplatte unter der Verwendung der Kräfte, die von der Reihe an Elektromagneten bereitgestellt werden, isoliert die stützende Struktur von den Schwingungen, vorausgesetzt, dass die Fundamentplatte zu jeder Zeit ohne Kontakt mit der stützenden Struktur schweben gelassen wird, und dass die Kräfte, die von den Elektromagneten ausgeübt werden, gesteuert werden, indem gewisse Regeln eingehalten werden. Im Wesentlichen wirken die Elektromagneten, um die schwingungsfähigen Resonanzen der Fundamentplatte zu reduzieren, indem Kräfte produziert werden, um den resonanten Bewegungsabläufen der Fundamentplatte entgegenzuwirken. Die erforderlichen Kräfte, die von jedem Elektromagneten produziert werden, werden gesteuert, indem der Strom, welcher durch jeden Elektromagneten führt, mit einem Stromregler variiert wird.
Der Stromregler kann als Antwort auf den Strombedarf betrieben werden, oder er kann auch als Antwort auf den Spannungsbedarf betrieben werden, da die Steuerung von beiden die Kraft, die von dem Elektromagneten produziert wird, beeinflusst. Darüber hinaus kann der Stromregler als Antwort auf den Kraftbedarf betrieben werden. Selbst wenn der Stromregler in dem Spannungsbedarfmodus betrieben wird, wobei die angeforderten Spannungen über den Elektromagneten festgelegt werden, beeinflusst dies natürlich den Strom, der durch den Elektromagneten fließt, und somit wird der Begriff „Stromregler" verwendet, um den Betrieb als Antwort auf den Spannungs-, Strom- oder Feldbedarf abzudecken.
Wenn der Stromregler in dem Spannungsbedarfmodus betrieben wird, können Hochfrequenzspannungsimpulse auf den Elektromagneten angewendet werden, da die Elektromagneten zugehörige hohe Induktivität eine langsame Antwortzeit in dem Strom zur Folge hat, so dass er Driften in der Durchschnittsspannung, die über den Elektromagneten angewendet wird, reibungslos folgt.
Der Strom/die Spannung, mit dem/der der Elektromagnet versorgt wird, muss streng gesteuert werden, um die resonanten Schwingungen der Fundamentplatte zu isolieren. Dies liegt daran, dass jegliche Abweichung von dem erforderlichen Strom/der erforderlichen Spannung zur Folge hat, dass eine Kraft produziert wird, die von der abweicht, die gewünscht wird, um die resonanten Schwingungen zu isolieren. Kleine Abweichungen von den relativ großen Kräften, die erforderlich sind, um die Fundamentplatte schweben zu lassen, sind entscheidend, da sie vermindern, was idealerweise eine Nullübertragung an dynamischen Kräften in die stützende Struktur wäre. Eine Hauptquelle der Abweichungen von dem erforderlichen Strom/der erforderlichen Spannung ist Rauschen in den Steuersignalen, die den Stromregler betreiben, und folglich besteht ein Erfordernis für einen Betrieb mit sehr geringem Rauschen.
Ein bekannter Stromregler umfasst eine Halbbrückenschaltung, die der, die in 1 gezeigt ist, ähnlich ist. Wie zu sehen ist, ist der Elektromagnet über den Ausgang der Halbbrückenschaltung verbunden. Die Steuerung des Stroms, der durch den Elektromagneten fließt, wird erreicht, indem ein Paar Transistoren, die auf gegenüberliegenden Armen der Brückenschaltung (wobei die anderen gegenüberliegenden Arme Dioden enthalten, um die Halbbrückenschaltung zu vollenden) positioniert sind, analog geschaltet werden, um die Polarität der Spannung über den Elektromagneten zu verändern. Es wird ein Ladekondensator eingefügt, um Strom, der aus dem Elektromagneten gezogen wird, welcher nicht in die Gleichstromversorgung zurückgeführt werden kann, zu halten.
Es wird ein Strom- oder Spannungsbedarf empfangen und es werden Schaltsignale erzeugt, um diesen Bedarf zu decken. Die Schaltsignale werden an den Punkten, die mit A und B markiert sind, geliefert, um die Transistoren so zu steuern, dass sie zwischen einem maximalen und einem minimalen Durchlasszustand geschaltet werden (ihre lineare Region wird auf Grund schlechter Energieeffizienz nicht verwendet). Die Dioden in der Halbbrückenschaltung stellen sicher, dass der Strom lediglich in einer Richtung durch den Elektromagneten, in diesem Fall von rechts nach links in 1, fließt. Der Stromregler wird so betrieben, dass die Transistoren gleichzeitig geschaltet werden: wenn beide Transistoren an (d. h. leitend) sind, wird eine Spannung von +V_S über den Elektromagneten angelegt, und wenn die Transistoren aus (d. h. nicht leitend) sind, wird eine Spannung von –V_S über den Elektromagneten angelegt. Die Tastgrade bei +V_S und –V_S bestimmen den Durchschnittsstrom, mit dem der Elektromagnet beliefert wird, wobei bedacht werden sollte, dass die Induktivität des Elektromagneten sicherstellt, dass der Strom reibungslos der Spannung folgt, anstatt bei jedem Spannungsimpuls abrupt hochzuschnellen. Indem die Transistoren zu passenden Zeiten geschaltet werden, kann folglich der Elektromagnet mit dem gewünschten Strom beliefert werden.
Das gepulste Spannungssignal, das diese Tastgrade produziert, wird unter der Verwendung von gepulsten Schaltsignalen, mit denen die Transistoren versorgt werden, implementiert. Die Schaltsignale werden gemäß einem Pulsbreitenmodulationsschema gemäß einem analog implementierten Schema moduliert, so dass die Breite der Impulse innerhalb eines Zeitraums so variiert wird, dass der Impuls bei +V_S relativ zu der verbleibenden Zeit bei –V_S variiert wird, um den gewünschten Strom zu produzieren.
Die Rauschleistungsfähigkeit dieses bekannten Stromreglers ist jedoch beschränkt und seine Leistungsfähigkeit leidet dementsprechend.
Gemäß einem ersten Aspekt liegt die Erfindung in einem Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung, die einen Eingang, der ein Gleichstromsignal an Spannung +V_S empfängt, einen Ausgang, der einen darüber verbundenen Elektromagneten aufweist, einen ersten und einen zweiten Arm, die einen ersten Schalter bzw. einen zweiten Schalter aufweisen, beinhaltet, wobei der erste und der zweite Arm an gegenüberliegenden Enden des Elektromagneten verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Empfangen eines Spannungsbedarfsignals, das eine gewünschte Spannung eines elektrischen Signals, mit der der Elektromagnet in einem Zeitraum versorgt werden soll, anzeigt; (b) Erzeugen eines ersten und eines zweiten Schaltsignals mit Bezug auf das Spannungsbedarfsignal; und (c) Anwenden des ersten und des zweiten Schaltsignals auf den ersten bzw. den zweiten Schalter während des Zeitraums. Die Schaltsignale verursachen, dass die Schalter zwischen einem An- und einem Aus-Zustand geschaltet werden, wobei zwischen verschiedenen Kombinationen von An- und Aus-Zuständen des ersten und des zweiten Schalters geschaltet wird, wobei ein elektrisches Signal mit Spannungsimpulsen bei Pegeln von +V_S, 0 V und –V_S über den Elektromagneten produziert wird. Das erste und das zweite Schaltsignal werden so erzeugt, dass eine Durchschnittsspannung des elektrischen Signals, mit dem der Elektromagnet während des Zeitraums versorgt wird, im Wesentlichen gleich der gewünschten Spannung ist.
Die Verwendung von Impulsen bei Pegeln von +V_S, 0 V und –V_S erlaubt, dass für diesen Zeitraum eine Durchschnittsspannung innerhalb des Bereichs von +V_S und –V_S produziert wird. Wenn zum Beispiel eine Spannung von 0,5 V_S gewünscht wird, dann kann für die Hälfte des Zeitraums eine Spannung von +V_S an den Elektromagneten angelegt werden, und für die andere Hälfte eine Spannung von 0 V.
Die Steuerung der Spannung, die über den Elektromagneten angelegt wird, steuert auch den Durchschnittsstrom, der durch den Elektromagneten fließt. Demgemäß kann dem Strom- und Kraftbedarf Rechnung getragen werden, indem dieser Bedarf in einen entsprechenden Spannungsbedarf umgewandelt wird, der verwendet wird, um eine entsprechende Spannung über den Elektromagneten festzulegen, um dadurch den erforderlichen Strom durch den Elektromagneten oder die Kraft, die durch den Elektromagneten bereitgestellt wird, zu erzeugen. Der Durchschnittsstrom, der durch den Elektromagneten fließt, variiert sowohl gemäß der Spannung über den Elektromagneten, der Antwort der Komponenten der Schaltung (z. B. Induktivität des Elektromagneten, Kapazität in der Schaltung) als auch des Stroms, der bereits durch den Elektromagneten fließt. Im Allgemeinen ergibt eine Spannung von +V_S einen schnell zunehmenden Strom, während das Schalten auf eine Spannung von 0 V zur Folge hat, dass der Strom Schritt für Schritt auf Null oder auf negative Werte sinkt, während das Schalten auf –V_S zur Folge hat, dass der Strom schnell auf Null oder auf negative Werte sinkt. Wenn eine Vollbrückenschaltung verwendet wird, kann Strom auf beide Arten durch den Elektromagneten fließen (d. h. positiver und negativer Strom), während, wenn eine Halbbrückenschaltung verwendet wird, lediglich Gleichstromfluss durch den Elektromagneten möglich ist.
Die Spannung, die von dem Elektromagneten gesehen wird, hängt von dem Zustand des ersten und des zweiten Schalters wie folgt ab:
Wenn beide Schalter an sind, sieht der Elektromagnet eine Spannung von +V_S. Wenn beide Schalter aus sind, sieht der Elektromagnet eine Spannung von –V_S. Wenn ein Schalter an ist und der andere aus ist, unabhängig welcher, sieht der Elektromagnet schließlich eine Spannung von 0 V.
Die Verwendung bipolaren Schaltens, d. h. Schalten zwischen den drei Spannungspegeln +V_S, 0 V und –V_S, ergibt Vorteile gegenüber dem Regler des Stands der Technik, der lediglich unipolares Schalten, d. h. Schalten zwischen +V_S und –V_S verwendet. Bei einer digitalen Implementierung wird zum Beispiel ein zusätzliches Bit an Auflösung unter der Verwendung bipolaren Schaltens für eine gegebene Zeittaktfrequenz erlangt, da Spannungsschritte von V_S möglich sind, anstatt lediglich der Spannungsschritte von 2 V_S, die mit unipolarem Schalten erhalten werden. Alternativ dazu, kann die gleiche Auflösung unter der Verwendung von lediglich der Hälfte der Zeittaktfrequenz erhalten werden.
Optional kann das Verfahren den Schritt des Erzeugens eines gepulsten ersten und zweiten Schaltsignals beinhalten. Dies ist von Vorteil, da es eine gänzlich digitale Implementierung erlaubt. Die Verwendung gepulster Schaltsignale bedeutet, dass die Spannung, die über den Elektromagneten produziert wird, ebenfalls gepulst ist, obwohl es Impulse von +V_S und –V_S relativ zu dem 0 V Impulsboden geben wird.
Alternativ dazu könnte ein Signal verwendet werden, das kontinuierlich variiert, wobei das Schalten der Transistoren auftritt, wenn das Signal einen Schwellenwert übersteigt. Dies ermöglicht eine teilweise analoge Implementierung.
Vorzugsweise kann das Verfahren den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten gepulsten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass der erste und der zweite Schalter nicht gleichzeitig geschaltet werden, beinhalten. Das Betreiben von jeweils lediglich einem Schalter ist von Vorteil, da die Spannungsschritte, die über den Elektromagneten auftreten, bei jedem Schaltereignis halbiert werden können. Dies ist insbesondere von Vorteil, wo der Spannungsschritt von 2 V_S, der bei dem Stromregler des Stands der Technik auftritt, die Isolierung des Elektromagneten vermindern und eine mögliche Durchbruchspannung zur Folge haben kann. Umgekehrt ermöglicht das Annehmen bipolaren Schaltens, dass die Brückenschaltung von einer Gleichstromquelle mit höherer Spannung ohne Angst vor Verminderung der Isolierung beim Schalten der Transistoren bedient werden kann. Darüber hinaus bedeutet die Änderung der Impulsformen, die bei bipolarem Schalten unter Einsatz eines zusätzlichen Zwischenspannungspegels bei 0 V entsteht, dass die Energie ungewollter Komponenten in der Ausgangswellenform bei Oberwellen der Impulsfolgefrequenz von einem festen hohen Pegel auf einen niedrigeren Pegel reduziert wird, der abfällt, wenn das Signal abfällt.
Das Verfahren kann den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass die Signale nicht mehr als einen Impuls pro Zeitraum aufweisen sollen, beinhalten. Vorteilhafterweise minimiert dies die Anzahl an Zeiten, bei denen die Schalter geschaltet werden müssen, wodurch Energieverluste reduziert werden.
Vorzugsweise kann das Verfahren den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass jeder Impuls im Wesentlichen symmetrisch um das Zentrum des Zeitraums positioniert sein sollte, beinhalten. Dies ist die so genannte einheitliche Pulsbreitenmodulation und hat zur Folge, dass der Elektromagnet eine Spannung sieht, die ebenfalls symmetrisch um das Zentrum des Zeitraums ist. Andere Formen der Pulsbreitenmodulation sind möglich, wie etwa Anstiegflanken- oder Abfallflanken-Pulsbreitenmodulation.
Optional kann das Verfahren den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß der Regel, dass, wo Impulse nicht symmetrisch zentriert werden können, die längeren und die kürzeren Seiten der asymmetrischen Impulse für nachfolgende asymmetrische Impulse zwischen der Anstiegflankenseite und der Abfallflankenseite abgewechselt werden, beinhalten. Wenn sich zum Beispiel ein Zeitraum über eine gerade Anzahl an Zeittaktzyklen erstreckt, kann ein Impuls, welcher eine ungerade Anzahl an Taktzyklen einnimmt, nicht symmetrisch innerhalb des Zeitraums kreiert werden: ein Halbtaktzyklus muss von der Anstiegflanke genommen und zu der Abfallflanke hinzugefügt werden, oder umgekehrt. Indem das hierin definierte Verfahren durchgeführt wird, wird Verzerrung, die andernfalls aus dem Hinzufügen des Offsets immer zu der Anstiegflanken- oder immer zu der Abfallflankenseite resultieren würde, unterdrückt.
Optional kann das Verfahren den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einem Pulsbreitenmodulationsschema beinhalten. Das Modulieren der Schaltsequenzen auf ein Pulsbreitenmodulationsschema (PBM- Schema) bedeutet, dass die gepulsten Spannungen, die von dem Elektromagneten gesehen werden, ebenfalls auf ein PBM-Schema moduliert werden. Dies liegt daran, dass die Spannung, die von dem Elektromagneten gesehen wird, jedes Mal, wenn in einem der Schaltsignale eine Impulsflanke vorkommt, einen Schritt macht, demzufolge bestimmen die Positionen der Flanken der Schaltsignale die Positionen der Flanken der Spannung über den Elektromagneten. Die Schaltsignale können eine digitale Modulation (d. h. auf zwei Pegel mit hohen und niedrigen Werten, je nachdem, ob die Schalter an/leitend oder aus/nicht leitend sind) aufweisen, jedoch resultiert die Kombination des An- und des Aus-Schalterzustands in der Brücke in den drei Pegeln der bipolaren PBM-Spannungen, die von dem Elektromagneten gesehen werden.
Das Verfahren kann den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass das erste Schaltsignal während eines ganzen Zeitraums in einem Zustand bleiben sollte, und dass das zweite Schaltsignal einen Impuls enthält, so dass der erste Schalter während eines ganzen Zeitraums in einem Zustand bleibt, und dass der zweite Schalter während des ganzen Zeitraums zwischen einem An- und einem Aus-Zustand geschaltet wird, beinhalten. Dies wird einen Zeitraum zur Folge haben, der Impulse von ausschließlich +V_S und 0 V oder ausschließlich –V_S und 0 V aufweist.
Wenn dieses Verfahren mit Transistoren als die Schalter verwendet wird, wird in einem Zeitraum lediglich ein Transistor geschaltet anstatt beide Transistoren zu schalten. Dies ist günstig, da der größte Energieverlust in der Brückenschaltung beim Schalten der Transistoren auftritt. Bei unipolarem Schalten ergibt sich bei jeder Spannungsänderung ein Energieverlust bei beiden Transistoren, da sie gleichzeitig geschaltet werden. Bipolares Schalten ermöglicht, dass innerhalb eines Zeitraums lediglich ein Transistor geschaltet wird, wodurch gegenüber unipolarem Schalten die Energieverluste halbiert werden.
Es versteht sich, dass, wenn über aufeinander folgende Zeiträume eine Anzahl an positiven Durchschnittsspannungen erforderlich ist, ein Schalter während all dieser Zeiträume in einem Zustand belassen werden kann (dem An-Zustand, wobei der andere Schalter an- und ausgeschaltet wird, um Spannungen von +V_S und 0 V zu ergeben). In ähnlicher Weise kann, für negative Spannungen, ein Schalter in einem Aus-Zustand belassen werden und der andere Schalter wird zwischen einem An- und einem Aus-Zustand geschaltet, um Spannungen von 0 V und –V_S zu ergeben. Lediglich wenn die Durchschnittsspannung durch Null kreuzt, müssen sowohl der erste als auch der zweite Schalter geschaltet werden (wobei ein Schalter genau beim Start des nächsten Zeitraums geschaltet werden muss). Dies hat beträchtliche Reduzierungen der Energieverluste in der Brückenschaltung zur Folge.
Die Verwendung bipolaren Schaltens führt „Störung durch mangelnde Gleichsignalunterdrückung" (cross-over distortion) ein. Diese tritt auf, wenn ein Signal von Durchschnittsspannung nahe 0 V erforderlich ist. In diesem Fall, sind die erforderlichen Breiten der Spannungsimpulse, die von dem Elektromagneten gesehen werden, und folglich die Impulse der Schaltsignale tendenziell Null. Das Produzieren sehr schmaler Impulse ist sehr schwierig auf Grund der langsamen Aufstiegs- und Fallzeiten der Impulsflanken und auf Grund des Überschwingens in dem Impuls. Die aufsteigende Flanke, gefolgt von dem überschwingenden oberen Ende, während sich die Spannung auf ihren endgültigen Wert einpendelt, wird von einer im Wesentlichen festen Breite sein, und in ähnlicher Weise wird auch die fallende Flanke von einer im Wesentlichen festen Breite sein. Bei breiteren Impulsen werden diese Effekte durch den relativ langen Zeitraum bei der Ruhespannung abgeschwächt. Umgekehrt, wenn die Impulsbreite so schmal ist, dass keine Zeit für das Einpendeln auf eine Ruhespannung vorhanden ist, wird die Steuerung der Durchschnittsspannung, die von dem Elektromagneten gesehen wird, stark vermindert. Folglich wird bei Niederspannungsbedarf, wo sehr schmale Impulse erforderlich sind, der Pegel der Verzerrung verstärkt und dies ist als „Störung durch mangelnde Gleichsignalunterdrückung" bekannt.
Optional kann das Verfahren den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass die Impulsbreiten der resultierenden Spannungen über den Elektromagneten nicht unter eine minimale Impulsbreite fallen dürfen, beinhalten. Günstigerweise mindert dies die Störung durch mangelnde Gleichsignalunterdrückung, die zuvor beschrieben wurde. Bei Impulsbreiten sollte bedacht werden, dass die Breiten für die Impulse bei +V_S und –V_S relativ zu dem 0 V Impulsboden sind.
Diese Lösung kann durch das Verfahren implementiert werden, das den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass die Impulsbreiten unter der minimalen Impulsbreite vermieden werden, beinhalten, indem von der Regel, dass einer von dem ersten und dem zweiten Schalter während des ganzen Zeitraums in einem Zustand bleiben sollte, wobei der andere von dem ersten und dem zweiten Schalter während des ganzen Zeitraums zwischen einem An- und einem Aus-Zustand geschaltet wird, zu Gunsten von einer Regel, dass sowohl der erste als auch der zweite Schalter während eines Zeitraums zwischen einem An- und einem Aus-Zustand geschaltet werden, abgerückt wird.
Das Durchführen der Primärregel, dass ein Schalter während eines ganzen Zeitraums in einem Zustand bleibt und lediglich der andere geschaltet wird, produziert Impulse von lediglich +V_S und 0 V oder –V_S und 0 V. Die Sekundärregel des Schaltens sowohl des ersten als auch des zweiten Schalters während eines Zeitraums, wenn auch nicht gleichzeitig, ist von Vorteil, wenn geringe Spannungen erforderlich sind, da sie Spannungen von +V_S und –V_S relativ zu einem 0 V Impulsboden erzeugt. Auf diese Art und Weise kann eine geringe positive Durchschnittsspannung oder eine geringe negative Durchschnittsspannung aus einer Kombination von breiteren Impulsen von +V_S und –V_S erzeugt werden, die wiederum von breiteren Impulsen des ersten und des zweiten Schaltsignals erzeugt werden können.
Optional kann das Verfahren den Schritt des Hinzufügens der Breite des Impulses, die zu dem zweiten Schaltsignal hinzugefügt wurde, zu dem Impuls des ersten Schaltsignals umfassen. In der Tat wird dieselbe Breite zu den Spannungsimpulsen bei +V_S und –V_S hinzugefügt, so dass sie sich aufheben, um während des Zeitraums in der Durchschnittsspannung über den Elektromagneten keinen Nettoanstieg zu ergeben.
Vorzugsweise wird die Breite eines Impulses des ersten und/oder des zweiten Schaltsignals mit Bezug auf ein Spannungssignal, das das Gleichstromsignal anzeigt, erzeugt, so dass die Breite des Impulses Schwankungen in dem Gleichstromsignal kompensiert. Spannungsschwankungen in dem Gleichstromsignal werden sich als eine Pulsamplitudenmodulation in der Spannung, die von dem Elektromagneten gesehen wird, manifestieren, und somit wird die gewünschte Spannung nicht von der Durchschnittsspannung, die von dem Elektromagneten während des Zeitraums gesehen wird, erreicht. Durch das Hinzufügen oder Subtrahieren von Breite zu/von dem Impuls oder den Impulsen des ersten und/oder des zweiten Schaltsignals, kann die verlorene oder verstärkte Amplitude kompensiert werden, indem die Breite des Spannungsimpulses oder der Spannungsimpulse, der/die von dem Elektromagneten gesehen wird/werden, angepasst wird.
Optional wird das Spannungssignal durch einen Filter geführt, um ein prädiktives Maß an Schwankungen in dem Gleichstromsignal zu erhalten. Dies kann Probleme in der endlichen Antwortzeit mindern, indem das Spannungssignal weitergeleitet und indem die Schaltsignale für den nachfolgenden Zeitraum erzeugt werden. Das Spannungssignal kann durch einen Filter mit endlicher Impulsantwort geführt werden.
Die Breite eines Impulses des ersten oder des zweiten Schaltsignals kann erzeugt werden, um einen Zusatz an Breite zu umfassen, um einen Spannungsabfall über eine Diode und/oder einen Transistor in der Brückenschaltung zu kompensieren. Günstigerweise kann der Zusatz an Breite mit Bezug auf ein Stromsignal, das den Strom, welcher durch den Elektromagneten fließt, anzeigt, und einen repräsentativen Widerstand der Diode oder des Transistors berechnet werden. Wenn diese Spannungsabfälle nicht kompensiert werden, ist die Spannung, die von dem Elektromagneten gesehen wird, geringer als die gewünschte Spannung.
Optional wird die Breite eines Impulses des ersten oder des zweiten Schaltsignals erzeugt, um zusätzliche Breite zu umfassen, um einen Spannungsoffset, der durch langsame Antwortzeiten in dem ersten oder dem zweiten Schalter verursacht wird, zu kompensieren. Langsamkeit bei der Antwort der Schalter wird abschüssige Anstieg- und Abfallflanken der Impulse, die in der Spannung, mit der der Elektromagnet versorgt wird, gesehen werden, zur Folge haben. Folglich wird die Durchschnittsspannung, mit der der Elektromagnet während des Zeitraums versorgt wird, nicht mit der gewünschten Spannung übereinstimmen.
Optional kann das Verfahren ferner den Schritt der Rauschformung des ersten und des zweiten Schaltsignals beinhalten. Vorteilhafterweise kann diese Rauschformung Rauschformung der zweiten Ordnung sein.
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Schalter Transistoren und das Verfahren beinhaltet den Schritt des Schaltens der Transistoren zwischen einem An- und einem Aus-Zustand entsprechend dem im Wesentlichen maximalen bzw. dem im Wesentlichen minimalen Stromfluss durch die Transistoren. Die Transistoren können zum Beispiel MOSFET-Transistoren sein.
Optional kann das Verfahren den Schritt des Empfangens eines Strombedarfsignals, das einen gewünschten Strom, mit dem der Elektromagnet in einem Zeitraum versorgt werden soll, anzeigt, und des Bestimmens des Spannungsbedarfsignals, das eine gewünschte Spannung eines elektrischen Signals, mit dem der Elektromagnet versorgt werden soll, anzeigt, beinhalten, was darin resultiert, dass der Elektromagnet während des Zeitraums mit dem elektrischen Signal mit einem Strom versorgt wird, der im Wesentlichen gleich dem gewünschten Strom ist. Auf diese Art und Weise kann der Stromregler einen Strombedarf annehmen und betrieben werden, indem ein entsprechender Spannungsbedarf lokal berechnet wird.
Optional wird der Schritt des Berechnens des Spannungsbedarfsignals mit Bezug auf ein Modell der Ladungscharakteristik des Elektromagneten durchgeführt. Es kann zum Beispiel eine Verweistabelle konstruiert werden, die erforderliche Spannungen, um den gewünschten Strom zu erzeugen, auflistet. Alternativ dazu kann eine polynomische Beziehung oder Ähnliches erlangt werden, so dass die erforderliche Spannung angesichts eines gewünschten Stroms berechnet werden kann.
Vorzugsweise kann der Schritt des Erzeugens des Spannungsbedarfsignals mit Bezug auf ein Stromsignal, das den Strom, welcher durch den Ausgang fließt, anzeigt, durchgeführt werden. Auf diese Art und Weise können Anpassungen vorgenommen werden, um jeglichen Unterschied zwischen dem gewünschten Strom und dem tatsächlichen Strom, welcher an dem Ausgang gemessen wird, zu kompensieren. Eine Weise, dies zu erreichen, ist, den Unterschied zwischen dem gewünschten Strom und dem tatsächlichen gemessenen Strom zu berechnen und dies vor dem Berechnen des Spannungsbedarfs von dem Strombedarfsignal zu subtrahieren.
Die Erfindung liegt auch in einem Computerprogramm, das ein Programmcodemittel zum Durchführen der Verfahrensschritte, die hier zuvor beschrieben wurden, wenn das Programm auf einem Computer und/oder anderen der Brückenschaltung zugehörigen Verarbeitungsmitteln ausgeführt wird, beinhaltet. Des Weiteren liegt die Erfindung auch in einem Computerprogrammprodukt, das ein Programmcodemittel, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert ist, zum Durchführen der Verfahrensschritte, die hier zuvor beschrieben wurden, wenn das Programm auf einem Computer und/oder anderen der Brückenschaltung zugehörigen Verarbeitungsmitteln ausgeführt wird, beinhaltet.
Von einem anderen Aspekt aus liegt die Erfindung auch in einer Brückenschaltung, die einen Eingang, der betriebsfähig ist, ein Gleichstromsignal an Spannung +V_S zu empfangen, einen Ausgang, der einen darüber verbundenen Elektromagneten aufweist, einen ersten und einen zweiten Arm, die einen ersten Schalter bzw. einen zweiten Schalter aufweisen, wobei der erste und der zweite Arm an gegenüberliegenden Enden des Elektromagneten verbunden sind, und Verarbeitungsmittel, die programmiert sind, um einen beliebigen der Verfahrensschritte, die hier zuvor beschrieben wurden, durchzuführen, beinhaltet. Die Brückenschaltung kann optional ein beliebiges aus einem Spannungssignalsensor, einem Filter (einschließlich einem Filter mit endlicher Impulsantwort), einer Diode und/oder einem Transistor, einem Stromsignalsensor oder einem Rauschformer umfassen.
Die Erfindung wird nun lediglich mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Halbbrückenschaltung 14 zeigt;
2 eine schematische Darstellung eines Stromreglers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3a eine schematische Darstellung des Erzeugers 28 der Schaltsignale aus 2 ist;
3b eine schematische Darstellung des Rauschformers 46 aus 3a ist;
4 eine schematische Darstellung des Spannungssensorsystems 34 aus 2 ist;
5a–d für lediglich einen einzelnen Zeitraum Schaltsignale 24a, 24b für die Transistoren 20a, 20b, wie bei den Punkten A und B aus 1 bereitgestellt, für vier unterschiedliche Schaltmodi und die resultierende Spannung (der Kürze halber als V_mag gekennzeichnet), die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, zeigen; und
6 eine schematische Darstellung eines Teils einer zweiten Ausführungsform eines Stromreglers, der entweder in einem Spannungsbedarf- oder einem Strombedarfmodus betrieben werden kann, ist.
Ein Stromregler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in der schematischen Skizze von 2 abgebildet. Es wird deutlich, dass der Stromregler einen Elektromagneten 10 mit Strom versorgt. Der Elektromagnet 10 kann zum Beispiel einer von einer Reihe von derartigen Elektromagneten sein, die verwendet werden, um eine Fundamentplatte, die einen sich bewegenden Mechanismus, der resonanten Schwingungen ausgesetzt ist, stützt, schweben läßt, wodurch die Resonanzen von beliebiger umgebender Struktur isoliert werden.
Bei dieser Ausführungsform, versorgt der Stromregler als Antwort auf ein Spannungsbedarfsignal 12 den Elektromagneten 10 mit Strom. Das Spannungsbedarfsignal 12 wird gemäß einer gewünschten Kraft, die von dem Elektromagneten 10 erzeugt wird, erzeugt. Zum Beispiel kann das Spannungsbedarfsignal 12 von einem Gesamtregler (nicht gezeigt) erzeugt werden, welcher von einer Anzahl an Bewegungsmeldern über nachfolgende Zeitspannen Informationen über die Schwingungen der Fundamentplatte, die den sich bewegenden Mechanismus stützt, sammelt. Der Gesamtregler kann dann die Kraft bestimmen, die von jedem Elektromagneten 10 erzeugt werden soll, um die resonanten Frequenzen während jedes nachfolgenden Zeitraums zu reduzieren. Sobald die Kraft bestimmt ist, kann der Gesamtregler die erforderliche Spannung berechnen, die für jeden nachfolgenden Zeitraum auf den Elektromagneten 10 angewendet werden soll, um die gewünschte Kraft zu realisieren, und um den Stromregler mit dieser als das Spannungsbedarfsignal 12 zu versorgen. Alternativ dazu könnte der Gesamtregler den Stromregler mit einem Signal, das die gewünscht Kraft anzeigt, versorgen, wobei der Stromregler das entsprechende Spannungsbedarfsignal 12 lokal berechnet.
Der Strom, mit dem der Elektromagnet 10 versorgt wird, wird von einer Halbbrückenschaltung 14 reguliert und entspricht der, die in 1 gezeigt ist. Die Halbbrückenschaltung 14 beinhaltet eine Brücke, deren gegenüberliegenden Arme ein Paar Dioden 16 und ein Paar Transistoren 20a, 20b aufweisen. Der Versorgungseingang zu der Halbbrückenschaltung 14 wird mit einer Gleichspannung von +V_S versorgt, die aus einer gefilterten Gleichstromversorgung 22 erhalten wird, wie später detaillierter beschrieben wird. Der Elektromagnet 10 ist über den Ausgang der Halbbrückenschaltung 14 verbunden.
Die Schaltsignale 24a, 24b werden an den Punkten A bzw. B auf die Transistoren 20a, 20b angewendet. Die Transistoren können von der Art MOSFET sein, obwohl andere allgemein verfügbare Arten ebenso einsetzbar sind. Die Transistoren 20a, 20b werden zwischen einem An- und einem Aus-Zustand, d. h. zwischen Zuständen von minimalem und maximalem Stromfluss, anstatt unter der Verwendung der linearen Region ihrer Leitfähigkeit, wo Energieverluste größer sind, bedient. Die Schaltsignale 24a, 24b steuern die Transistoren 20a bzw. 20b, um die Halbbrückenschaltung 14 in einem von drei Modi zu bedienen.
In dem ersten Modus werden beide Transistoren 20a, 20b auf „an" geschaltet, d. h. in einen leitenden Zustand, so dass der Elektromagnet 10 eine Spannung von +V_S sieht und Strom in einem Vorwärtspfad von dem Transistor 20a zu dem Transistor 20b, d. h. von rechts nach links, durch den Elektromagnet 10 fließt.
In dem zweiten Modus wird einer der Transistoren 20a, 20b auf „an" geschaltet und der andere wird auf „aus" geschaltet, d. h. in einen nicht leitenden Zustand. Wie leicht ersichtlich sein wird, sieht der Elektromagnet 10 in diesem Modus eine Spannung von 0 V und Strom kann lediglich durch eine Schleife der Halbbrückenschaltung 14 fließen. Wenn der Transistor 20a auf „an" geschaltet ist und der Transistor 20b auf „aus" geschaltet ist, fließt Strom durch die obere Schleife der Halbrückenschaltung 14, die in 1 gezeigt ist. Umgekehrt fließt, wenn der Transistor 20b auf „an" geschaltet ist und der Transistor 20a auf „aus" geschaltet ist, Strom durch die untere Schleife der Halbrückenschaltung 14 aus 1. Jedoch fließt, unabhängig davon, welcher der Transistoren 20a, 20b auf „an" und welcher auf „aus" geschaltet ist, immer Strom durch den Elektromagneten 10 von rechts nach links: dieser Strom wird gemäß den widerstandsfähigen Verlusten in dem Strompfad in der Größe abfallen.
Schließlich werden in dem dritten Modus beide Transistoren 20a, 20b auf „aus" geschaltet. Der Ladekondensator 26, der über die gefilterte Gleichstromversorgung 22 verbunden ist, und die große Induktivität des Elektromagneten 10 stellen sicher, dass Strom entlang eines Rückpfads durch die beiden Dioden 16 durch den Elektromagneten 10 fließt. Demgemäß sieht der Elektromagnet 10 eine Spannung von –V_S, und Strom fließt erneut durch den Elektromagneten 10 von rechts nach links. Dieser Stromfluss wird in der Größe abnehmen; wenn der Ladekondensator 26 durch widerstandsfähige Verluste entladen wird.
Es versteht sich, dass die obige Anordnung unidirektionalen Stromfluss durch den Elektromagneten 10 zur Folge hat. Des Weiteren ist offensichtlich, dass dieser Stromfluss gesteuert werden kann, indem die Transistoren 20a bzw. 20b mit geeigneten Schaltsignalen 24a, 24b versorgt werden, wodurch Spannungen von +V_S, 0 V oder –V_S über den Elektromagneten 10 festgelegt werden.
Die Schaltsignale 24a, 24b für jede nachfolgende Zeitspanne werden durch ein System 28 des Erzeugers der Schaltsignale, das als Antwort auf das Spannungsbedarfsignal 12 betriebsbereit ist, erzeugt. Der Durchschnittsstrom, der während eines beliebigen Zeitraums durch den Elektromagneten 10 fließt, kann variiert werden, indem die Tastgrade an jedem der Spannungspegel +V_S, 0 V oder –V_S während des Zeitraums verändert werden. Eine maximale Erhöhung des Stromflusses wird einer Spannung von +V_S, die während eines Zeitraums festgelegt wird, entsprechen, und ein maximales Sinken des Stromflusses wird einer Spannung von –V_S, die während eines ganzen Zeitraums festgelegt wird, entsprechen.
Zusätzlich zum Erzeugen der Schaltsignale 24a, 24b als Antwort auf das Spannungsbedarfsignal 12, kann das System 28 des Erzeugers der Schaltsignale auch zwei weitere Signale berücksichtigen, wenn die passenden Schaltsignale 24a, 24b erzeugt werden. Diese Signale sind ein Spannungssensorsignal 30 und ein Stromsensorsignal 32. Das Spannungssensorsignal 30 ist ein prädiktives Maß an Spannungsschwankungen in der gefilterten Gleichstromversorgung 22, die an dem Eingang der Halbbrückenschaltung 14 bereitgestellt wird. Das Spannungssensorsignal 30 wird durch ein Spannungssensorsystem 34 erzeugt, das Schwankungen in der Spannung, die von einer Gleichstromversorgung 36 geliefert wird, misst, nachdem sie durch einen Filter 38 geführt wurde, wie unten detaillierter beschrieben wird. Nun, unter Hinwendung auf das Stromsensorsignal 32, wird dieses Signal 32 von einem Stromsensor 40 erzeugt, der den Strom, der von der Halbbrückenschaltung 14 erzeugt wird, welcher durch den Elektromagneten 10 fließt, misst, wie unten detaillierter beschrieben wird. Im Wesentlichen wird das Stromsensorsignal 32 von dem System 28 des Erzeugers der Schaltsignale verwendet, um Spannungsabfälle bei den Transistoren 20a, 20b und langsame Aufstiegs- und Fallzeiten bei den Spannungsimpulsen, die von dem Elektromagneten 10 auf Grund seiner Kapazität gesehen werden, zu berücksichtigen.
Obwohl es nicht essentiell ist, dass das System 28 des Erzeugers der Schaltsignale die Schaltsignale 24a, 24b mit Bezug auf das Spannungssensorsignal 30 oder das Stromsensorsignal 32 erzeugt, kann eine weitaus bessere Rauschsteuerung erzielt werden, falls dies so ist, wie unten ersichtlich wird.
Die Elemente des Systems 28 des Erzeugers der Schaltsignale werden nun detaillierter erklärt. Wie am deutlichsten aus 3a zu sehen ist, werden das Spannungsbedarfsignal 12, das Spannungssensorsignal 30 und das Stromsensorsignal 32 zu einem Erzeuger 42 der Spannungsimpulsbreiten geführt. Der Erzeuger 42 der Spannungsimpulsbreiten berechnet die erforderliche Spannungsimpulsbreite 44 für den Zeitraum, um mit dem Spannungsbedarfsignal 12 für diesen Zeitraum übereinzustimmen, wobei beliebige prognostizierte Spannungsschwankungen in der gefilterten Gleichstromversorgung 22 mit Bezug auf das Spannungssensorsignal 30 und beliebige Spannungsabfälle in der Halbbrückenschaltung 14 mit Bezug auf das Stromsensorsignal 32 kompensiert werden. Wenn zum Beispiel das Spannungsbedarfsignal 12 eine Spannung von ½ V_S für den Zeitraum anfordert, erzeugt der Erzeuger 42 der Spannungsimpulsbreiten einen Impuls von +V_S, um die Hälfte des Zeitraums einzunehmen, wobei die andere Hälfte des Zeitraums auf 0 V festgelegt wird.
Die berechnete Spannungsimpulsbreite 44 wird dann zu einem Rauschformer 46 geführt, wo das Quantisierungsrauschen in dem Signal geformt wird, so dass das Rauschen bei den Frequenzen von Belang auf Kosten eines erhöhten Rauschens bei höheren Frequenzen unterdrückt wird. Der Rauschformer 46 ist in 3b detaillierter gezeigt und wird unten im Detail erörtert.
Nach der Rauschformung wird dann die resultierende Spannungsimpulsbreite 48 zu einem Erzeuger 50 der Schaltsignalimpulsbreiten geführt, der die Impulsbreiten für jedes der Schaltsignale 24a, 24b, die zu den Transistoren 20a, 20b geführt werden, berechnet. Diese Schaltsignalimpulsbreiten 52 werden festgelegt, um der rauschgeformten Spannungsimpulsbreite 48, die von dem Rauschformer 46 weitergeführt wurde, zu entsprechen. Die Spannungssignalimpulsbreiten 52 werden unter Bezugnahme auf das Stromsensorsignal 32 (weiterbefördert von dem Erzeuger 42 der Spannungsimpulsbreiten und dem Rauschformer 46) berechnet, um nach dem Schalten der Transistoren 20a, 20b die langsamen Aufstiegs- und Fallzeiten in der Spannung über den Elektromagneten 10 zu kompensieren. Darüber hinaus werden die Schaltsignalimpulsbreiten 52 kombiniert, um die kompensierte Spannungsimpulsbreite 53 zu ergeben.
Nun, da die Schaltsignale der Impulsbreiten 52 bekannt sind, werden sie zu einem Impulsbreitenquantisierer 54 weitergeführt, damit die erforderliche Breite mit dem nächsten verfügbaren quantisierten Pegel innerhalb der Bitauflösung des Quantisierungsschemas übereinstimmt. Die quantisierten Schaltsignalimpulsbreiten 56 werden verwendet, um die entsprechende quantisierte Spannungsimpulsbreite 57 zu berechnen, die sich von der kompensierten Spannungsimpulsbreite 53 innerhalb der Beschränkungen der Quantisierung unterscheiden wird. Die Unterschiede zwischen den Schaltsignalimpulsbreiten 52 und den quantisierten Schaltsignalimpulsbreiten 56 und der kompensierten Spannungsimpulsbreite 53 und der quantisierten Spannungsimpulsbreite 57 sind natürlich Quantisierungsfehler, und sie manifestieren sich als Quantisierungsrauschen. Die kompensierte Spannungsimpulsbreite 53 und die quantisierte Spannungsimpulsbreite 57 werden durch eine Rückkopplungsschleife 58 zu dem Rauschformer 46 zurückgeführt, so dass das Quantisierungsrauschen reduziert wird.
Die quantisierten Schaltsignalimpulsbreiten 56 werden dann zu einem Erzeuger 60 der Positionen der Flanken der Schaltsignale geführt, der die passenden Positionen der Flanken für die Schaltsignale 24a, 24b berechnet. Die berechneten Positionen 62 der Flanken der Schaltsignale werden dann durch einen Erzeuger 64 der Schaltsignale mit Bezug auf einen Präzisionszeittakt 66 in die tatsächlichen Schaltsignale 24a, 24b umgewandelt, wodurch Genauigkeit und Synchronisation sichergestellt wird. Schließlich werden die Schaltsignale 24a, 24b zu den Transistoren 20a bzw. 20b geführt; bei den Punkten A bzw. B aus 1. Der Betrieb der Transistoren 20a, 20b verursacht, dass die Spannungen über den Elektromagneten 10 zwischen den Werten +V_S, 0 V und –V_S variieren, wodurch quantisierte Spannungsimpulse gebildet werden, um der quantisierten Spannungsimpulsbreite 57 zu entsprechen.
Der Rauschformer 46 aus 3a ist in 3b detaillierter gezeigt. Wie zu sehen ist, wird die Spannungsimpulsbreite 44 zu einer Nahtstelle 68 geführt, wo der rauschgeformte Quantisierungsfehler 70 subtrahiert wird. In der Tat, wird ein Rauschformungsschema der zweiten Ordnung verwendet, wo ein gewichteter Anteil des rauschgeformten Quantisierungsfehlers aus dem vorletzten Zeitraum mit dem rauschgeformten Quantisierungsfehler 70 aus dem vorhergehenden Zeitraum kombiniert wird, bevor er subtrahiert wird. Dies produziert eine rauschgeformte Spannungsimpulsbreite 48, die eine Kompensierung für die zusätzliche Spannung, die auf Grund des Quantisierungsfehlers der vorhergehenden Zeiträume, hinzugefügt wurde oder verloren ging, enthält. Die rauschgeformte Spannungsimpulsbreite 48 wird dann verwendet, um die Schaltsignalimpulsbreiten 52 zu erzeugen, die wiederum verwendet werden, um die quantisierten Schaltsignalimpulsbreiten 56 zu erzeugen, von denen, wie zuvor beschrieben wurde, die quantisierte Spannungsimpulsbreite 57 abgezogen wird.
Die quantisierte Spannungsimpulsbreite 57 wird entlang der Rückkopplungsschlaufe 58 geführt, wo sie von der kompensierten Spannungsimpulsbreite 53 bei der Nahtstelle 72 subtrahiert wird, um den Quantisierungsfehler 74 zu ergeben. Danach wird der Quantisierungsfehler 74 von einem Rauschformungsfilter 76, welcher Rauschformung der zweiten Ordnung verwendet, verarbeitet, um das Quantisierungsrauschen über das Frequenzband von Belang zu unterdrücken, wie auf dem Fachgebiet wohl bekannt ist.
Als nächstes wird der verarbeitete Quantisierungsfehler 78, welcher von dem Rauschformungsfilter 76 produziert wurde, durch die Verzögerung eines Zeitraums bei 80 geführt, um sicherzustellen, dass der verarbeitete Quantisierungsfehler 78 von der Spannungsimpulsbreite 44 für den nachfolgenden Zeitraum subtrahiert wird. Somit ist die negative Rückkopplungsschleife vollendet.
Das Spannungssensorsystem 34 wird nun mit besonderem Bezug auf 4 detaillierter beschrieben. Wie zuvor erwähnt wurde, wird der Versorgungseingang zu der Halbbrückenschaltung 14 mit einer gefilterten Gleichstromversorgung 22 versorgt. Diese wird von einer Gleichstromversorgung 36 erhalten, die durch einen Filter 38 geführt wird, um so viel Netzwelligkeit wie möglich zu entfernen, die in dem Signal von der Gleichstromversorgung 36 vorhanden sein kann.
Darüber hinaus wird es etwas Intermodulation der gefilterten Gleichstromversorgung 22 geben, auf Grund von Variationen in dem Potential über den Ladekondensator 26 in der Halbbrückenschaltung 14, wenn er sich als Antwort auf Variationen in dem Strom, welcher durch den Elektromagneten 10 fließt, auflädt und entlädt. Die Intermodulation wird sich in den quantisierten Spannungsimpulsen, die von dem Elektromagneten 10 gesehen werden, als eine Amplitudenmodulation manifestieren. Abweichung von den gewünschten +V_S, 0 V oder –V_S Impulspegeln wird offensichtlich zur Folge haben, dass das Spannungsbedarfsignal 12 nicht erreicht wird, und der Strom, welcher durch den Magneten fließt, wird von dem, der nötig ist, um die beabsichtigten magnetischen Felder zu kreieren, abweichen (z. B. um Vibrationen in dem sich bewegenden Mechanismus zu isolieren).
Um ungewollte Schwankungen in der gefilterten Gleichstromversorgung 22 zu kompensieren, wird ein prädiktives Spannungssensorsystem 34 verwendet. Verzögerungen in der Signalverarbeitung bedeuten, dass direkte Durchführung von Schwankungen in der gefilterten Gleichstromversorgung 22 zu spät an dem Erzeuger 28 der Schaltsignale ankommen würden, um eine effektive Kompensierung bereitzustellen. Somit wird das prädiktive Vorwärtsregelungspannungssensorsystem 34 verwendet. Ein Spannungssensor 82 misst die gefilterte Gleichstromversorgung 22, wie in 4 gezeigt ist. Der reziproke Wert dieser Messungen wird zur Verwendung durch einen Filter 86 mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) mit 7 Anzapfungen bei 84 berechnet. Wie von dem Fachmann erkannt wird, sind diese Komponenten leicht erhältlich. Der FIR-Filter 86 wird verwendet, um den wahrscheinlichen Wert von 1/V_S über den nächsten Zeitraum zu prognostizieren und führt diesen Wert als das Spannungssensorsignal 30 zu dem Erzeuger 28 der Schaltsignale, so dass entsprechend einem erwarteten Anstieg bzw. Sinken der Spannung Gewicht zu der Spannungsimpulsbreite 44 hinzugefügt oder von ihr subtrahiert werden kann.
Die Qualität der Steuerung des Elektromagneten 10 wird auch von der endlichen und nicht unbedeutenden Zeit beeinflusst, die es braucht, bevor die Spannung, die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, beim Ausschalten von einem der Transistoren 20a, 20b fällt (unter anderen Faktoren, wie unten erklärt wird). Die lineare Abnahme der Spannung wird verursacht, da die Spannung lediglich so schnell fallen kann, wie der Strom die dem Elektromagneten 10 inhärente Kapazität entladen kann. Der Strom wird von dem Stromsensor 40, der in 2 gezeigt ist, gemessen, und das resultierende Stromsensorsignal 32 wird zu dem Erzeuger 28 der Schaltsignale geführt, so dass die Schaltsignalimpulsbreiten 52 berechnet werden können, um die langsame Abnahme der Spannung zu kompensieren, entsprechend dem Strom, der in dem vorhergehendem Zeitraum gemessen wurde.
Nun, da die Komponenten des Stromreglers beschrieben worden sind, folgt eine Präsentation des Verfahrens zum Betreiben des Stromreglers, wobei besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt wird, wie die Breiten der Impulse in der Spannung, die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, und die Impulse in den Schaltsignalen 24a, 24b bestimmt werden.
Jeder Zeitraum beginnt mit einem Spannungsbedarf 12, der von dem Erzeuger 28 der Schaltsignale empfangen wird, welcher wiederum die erforderlichen Schaltsignale 24a, 24b berechnet, die für den Zeitraum über den Elektromagneten 10 eine Durchschnittsspannung produzieren, um den Spannungsbedarf 12 zu decken. Der Erzeuger 28 der Schaltsignale führt dann die Schaltsignale 24a, 24b mit Bezug auf einen Präzisionszeittakt 66 korrekt auf den Zeitraum synchronisiert zu den Transistoren 20a bzw. 20b.
Wie am besten aus 3a zu sehen ist, wird der Spannungsbedarf 12 von dem Erzeuger 42 der Spannungsimpulsbreiten empfangen. Wie zuvor erwähnt, wird die Spannungsimpulsbreite 44 in Sekunden erzeugt, wobei angenommen wird, dass ein einzelner Impuls von entweder +V_S oder –V_S relativ zu einem Impulsboden von 0 V verwendet wird. Die Spannungsimpulsbreite 44 wird unter Bezugnahme auf Schwankungen in der gefilterten Gleichstromversorgung 22 erzeugt, gemäß einem prädiktiven Maß an V_S für den Zeitraum, das als das Spannungssensorsignal 30 geliefert wird, das als (1/V_S)_est geschrieben werden kann.
Des Weiteren wird auch der Vorwärtsspannungsabfall der Dioden 16 (V_diode) und der Transistoren 20a, 20b in Betracht gezogen. Würde diesen Effekten nicht Rechnung getragen, wären ein Ausgangsspannungsoffset und eine Änderung der Ausgangsspannungsamplitude zu sehen. Der Spannungsabfall über die Transistoren 20a, 20b ist bekannt dafür, über typische Betriebsbedingungen hinweg signifikant zu variieren. Um das Ausmaß des Spannungsabfalls zu schätzen, wird ein Wert des Drain-Source-Widerstands (R_DS) der Transistoren 20a, 20b von dem Datenblatt der entsprechenden Vorrichtung für einen repräsentativen Arbeitspunkt erhalten. Dieser Widerstand wird zusammen mit dem Stromsensorsignal 32 (welches den Strom I_mag ergibt, welcher durch den Elektromagneten fließt) verwendet, um den Vorwärtsspannungsabfall der Transistoren 20a, 20b zu schätzen. Es wird angenommen, dass der Wert von V_diode über die Betriebsbedingungen des Stromreglers hinweg konstant ist und wird somit durch das Wählen eines Wertes, der für einen typischen Arbeitspunkt repräsentativ ist, von dem Datenblatt der entsprechenden Vorrichtung erhalten.
Schließlich wird eine kleine Korrektur der Gleichstrom-Offset-Spannung (V_offset) für einen Feinabgleich der Ausgangsspannung verwendet: dieser Wert wird durch Kalibrierung erhalten.
Die angeforderte Spannung 12 (V_demand) wird durch das Hinzufügen der Spannungsabfälle in den Dioden 16 und den Transistoren 20a, 20b und durch die Korrektur der Offset-Spannung angepasst, um diese Verluste zu kompensieren (die Verwendung von positiven und negativen Zeichen für den Offset stellen die korrekte Kompensierung sicher). Die erforderliche Spannungsimpulsbreite 44 (W_req) kann somit aus Folgendem berechnet werden:
wobei W_full die maximale Impulsbreite in Sekunden ist. In diesem Beispiel wurde eine Impulsfolgefrequenz von 64 kHz verwendet und die Frequenz des Zeittakts war 32,768 MHz, was eine Zeitraumbreite von 15,625 μs ergibt. Selbstverständlich können andere Impulsfolgefrequenzen substituiert werden, abhängig von dem Rauschbedarf und den Kosten oder der Verfügbarkeit der Komponenten zur Bewältigung höherer Frequenzen.
Aus Gleichung (1) versteht es sich, dass die Spannungsimpulsbreite 44 ein Zeichen tragen wird, das die Polarität der Spannung, die angefordert wird, reflektiert, d. h. es wird für den Spannungsbedarf 12 in dem Bereich von 0 V bis +V_S positiv sein und für den Spannungsbedarf 12 in dem Bereich von 0 V bis –V_S negativ sein. Dieses Zeichen wird überall in den anschließenden Berechnungen getragen. Des Weiteren ist die Spannungsimpulsbreite 44 ein Maß der Zeit von dem 0 V Impulsboden weg und ist folglich die Breite des Impulses bei +V_S und des Impulses bei –V_S.
Während Gleichung (1) ein hohes Niveau an Genauigkeit zur Folge hat, brauchen nicht alle oder keine der Begriffe, die in der ersten Gruppe von Klammern enthalten sind (mit Ausnahme von V_demand), umfasst sein, wo eine Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Elektromagneten toleriert werden kann.
Die Spannungsimpulsbreite 44 wird dann zu dem Rauschformersystem 46 geführt, um eine rauschgeformte Spannungsimpulsbreite 48 (W_sh) zu produzieren. Diese wird mit Bezug auf den Quantisierungsfehler in der Breite des Impulses (W_QE-1) des vorhergehenden Zeitraums und auch mit Bezug auf den Quantisierungsfehler in der Breite des Impulses (W_QE-2) des vorletzten Zeitraums, wie zuvor erwähnt wurde, berechnet. Die rauschgeformte Spannungsimpulsbreite 48 ergibt sich durch:
wobei f_PRF die Impulsfolgefrequenz (64 kHz, wie zuvor erwähnt wurde) ist, und wobei f_notch die gewählte Frequenz für die unvermeidbare Kerbe indem Rauschspektrum des geformten Rauschens ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde 1 kHz für sie gewählt.
Die rauschgeformte Spannungsimpulsbreite 48 wird dann zu dem Erzeuger 50 der Schaltsignalimpulsbreiten geführt, welcher die entsprechenden Breiten für die Impulse in den Schaltsignalen 24a, 24b erzeugt. Es gibt jedoch vier Modi des Schaltens der Transistoren 20a, 20b, und der korrekte Modus muss implementiert werden.
Dementsprechend werden diese vier Modi nun mit Bezug auf 5a–d detailliert beschrieben. Um zusammenzufassen, was zuvor in dieser Hinsicht erörtert wurde, werden die folgenden Spannungen von dem Elektromagneten 10 gesehen, wenn die Transistoren 20a, 20b wie folgt geschaltet werden:

Zustand der Transistoren Spannung

beide an +V_S

einer an, einer aus 0 V

beide aus –V_S
5a zeigt die Schaltsequenz, wo der Spannungsbedarf 12 für eine positive Spannung ist, d. h. in dem Bereich von 0 bis +V_S. Um die jedem Schaltvorgang beider Transistoren 20a, 20b inhärenten Energieverluste zu vermeiden, ist der voreingestellte Schaltmodus ein so genannter Modus der „Klasse B", wo lediglich ein Transistor 20a während eines Zeitraums geschaltet wird, während der andere Transistor 20b während des ganzen Zeitraums in seinem An-Zustand belassen wird. Auf diese Art und Weise geht in dem Transistor 20b keine Energie auf Grund des Schaltens verloren. Darüber hinaus ist es in vielen Arten der Anwendung wahrscheinlich, dass der Spannungsbedarf 12 für viele nachfolgende Zeiträume positiv oder negativ bleibt, so dass ein Transistor 20a, 20b während dieser Zeiträumen in einem Ruhezustand belassen werden kann, wodurch jeglicher dem Schalten des Transistors 20a, 20b inhärente Energieverlust vermieden wird. Wie ersichtlich ist, wird zentriert in dem Zeitraum ein einzelner Impuls in dem Schaltsignal 24a erzeugt, um eine Spannung über den Elektromagneten 10 mit einem einzelnen entsprechenden Impuls von +V_S bereitzustellen (schraffiert in 5a), welcher von einem Impulsboden von 0 V aufsteigt, um die angeforderte positive Spannung zu ergeben.
5b zeigt einen zweiten Betriebsmodus entsprechend einem Spannungsbedarf 12 für eine negative Spannung, d. h. in dem Bereich von 0 bis –V_S. Es wird erneut das Schalten der Klasse B der Transistoren 20a, 20b verwendet, wobei dieses Mal der Transistor 20a während des ganzen Zeitraums in einem Aus-Zustand belassen wird und der Transistor 20b geschaltet wird, wobei sein Schaltsignal 24b innerhalb des Zeitraums einen zentralen Impuls aufweist. Die resultierende Spannung, die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, weist ein Paar –V_S Impulse auf, die sich am Beginn und am Ende des Zeitraums von dem 0 V Impulsboden erstrecken. Folglich werden die zwei Impulse, die in 5b schraffiert sind, kombiniert, um den erforderlichen negativen Spannungsimpuls zu bilden. Folglich ist es nicht der zentrale Impuls des Schaltsignals 20b, der den –V_S Impuls ergibt, sondern eher die peripheren Regionen. Demgemäß ist es die ganze Breite des Zeitraums minus der Breite des zentralen Impulses des Schaltsignals 24b, die der Breite des –V_S Impulses in der Spannung, die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, entspricht. Es versteht sich, dass, wie zuvor, ein Transistor (in diesem Fall 20a) in einem Ruhezustand belassen werden kann, wo nachfolgende negative Spannungen angefordert werden.
Genau genommen sollte der Vollständigkeit halber ein weiterer Modus erwähnt werden, und zwar der, welcher entsteht, wenn eine Nullspannung angefordert wird. Dieser kann implementiert werden, indem während des ganzen Zeitraums die Transistoren 20a auf aus und 20b auf an belassen werden.
Während das Schalten der Klasse B auf Grund der Reduzierung der Energieverluste, weil die beiden Transistoren 20a und 20b innerhalb eines Zeitraums geschaltet werden müssen, bevorzugt wird, entsteht ein widersprüchlicher Bedarf, wo kleine positive oder kleine negative Spannungen angefordert werden. In dem Fall einer kleinen positiven Spannung hat dies einen schmalen Impuls in der Spannung, die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, zur Folge, so dass die Spannung rapide auf +V_S gesteigert, und dann auf 0 V heruntertransformiert werden muss. In dem Fall einer kleinen negativen Spannung liegt das Problem bei dem Start und dem Ende nachfolgender Zeiträume, wo die Spannung rapide auf –V_S heruntertransformiert, und dann auf 0 V gesteigert werden muss. Eine langsame Antwort der Transistoren 20a, 20b und das Überschwingen fügen Verzerrung zu den rechteckigen Flanken der Impulse hinzu, was einen Mangel an Spannungssteuerung zur Folge hat. Diese Effekte werden für eine charakteristische kleine Impulsbreite problematisch, wo die flache Region zwischen überschwingenden Wellenformen verloren geht. Dies hat einen Verlust an Linearität in dem Stromregler zur Folge. Um dieses Problem zu lösen, wird eine Schwellenimpulsbreite W_thresh festgelegt, und wenn eine Impulsbreite unter dieser erforderlich ist, um einen Spannungsbedarf 12 zu erreichen, ändert sich das Schalten in den so genannten Modus der „Klasse AB", wo in einem Zeitraum beide Transistoren 20a, 20b geschaltet werden.
5c zeigt einen Fall des Schaltens der Klasse AB für einen kleinen positiven Spannungsbedarf 12. Falls die Implementierung unter der Verwendung des Schaltens der Klasse B vorgenommen wird, würde in der Spannung, die von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, ein einzelner Impuls entstehen, welcher unter der Schwellenbreite liegt. Um dies zu vermeiden, wird der Transistor 20a geschaltet, um einen zentralen An-Impuls mit einer Breite zu produzieren, die gleich der Schwellenbreite ist, plus der angeforderten Breite, und, anstatt den Transistor 20b während des ganzen Zeitraums in seinem An-Zustand zu belassen, wird er geschaltet, um einen zentralen An-Impuls zu produzieren, welcher den Großteil des Zeitraums einnimmt. Das resultierende Potential, das von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, startet und endet mit einem kleinen, sich nach unten ersteckenden Impuls bei –V_S, wo beide Transistoren 20a, 20b aus sind (durch die ununterbrochenen schraffierten Gebiete angezeigt), und schreitet zu Regionen bei 0 V, wo der Transistor 20b an ist und der Transistor 20a aus ist, fort, wobei sich diese Regionen bei einem zentralen Impuls bei +V_S treffen, wo beide Transistoren 20a, 20b an sind (durch das unterbrochene Gebiet angezeigt). Die Breiten der schraffierten Gebiete sind der Klarheit halber übertrieben dargestellt und sollten nicht verwendet werden, um die tatsächlichen Schwellenbreiten zu beurteilen. Das Durchschnittspotential, das von dem Elektromagneten 10 während des Zeitraums gesehen wird, entspricht dem unterbrochenen schraffierten Gebiet minus den ununterbrochenen schraffierten Gebieten, was deutlich in einer kleinen positiven Nettospannung resultiert.
Auf eine ähnliche Art und Weise zeigt 5d den Fall des Schaltens der Klasse AB als Antwort auf einen kleinen negativen Spannungsbedarf 12, welcher, wenn das Schalten der Klasse B verwendet werden würde, zwischen nachfolgenden Zeiträumen in einer Breite des –V_S Impulses resultieren würde, die unter der Schwellenbreite liegt. Um die minimale –V_S Impulsbreite beizubehalten, wird der Transistor 20b geschaltet, um einen An-Impuls aufzuweisen, welcher sich zentral über den Großteil des Zeitraums erstreckt. Der Transistor 20a, wird, anstatt wie bei dem Schalten der Klasse B in einem Aus-Zustand belassen zu werden, geschaltet, um einen zentralen An-Impuls aufzuweisen. Das resultierende Potential, das von dem Elektromagneten 10 gesehen wird, weist eine Form auf, die der mit Bezug auf 5c zuvor beschriebenen entspricht, mit der Ausnahme, dass nun die ununterbrochenen schraffierten Gebiete, die –V_S entsprechen, kombiniert werden, um größer zu sein als das unterbrochene schraffierte Gebiet, das +V_S entspricht, was darin resultiert, dass der Elektromagnet eine kleine negative Durchschnittsspannung sieht.
Demgemäß wird die Art des Schaltmodus durch das Testen der folgenden Bedingungen bestimmt: Wsh ≥ 0 Bedingung (1) Wsh| = Wcap ≥ Wthresh Bedingung (2)wobei W_cap eine Anpassung der Breite ist, die berechnet wurde, um die Kapazität in dem Elektromagneten 10 (C_mag) zu kompensieren. Diese Kapazität verursacht langsame Aufstiegs- und Fallzeiten zwischen den Spannungspegeln, die von dem Elektromagneten 10 gesehen werden, wie zuvor erwähnt wurde, und weist somit den Effekt der künstlichen Verlängerung der Impulse auf. Folglich geht die Steuerung verloren. Die Anpassung der Breite wird aus Folgendem berechnet:
wobei der stärkste Strom durch den Elektromagneten 10 (I_mag) oder ein minimaler Stromwert (I_min) verwendet wird. Der minimale Stromwert entspricht einer niedrigeren Beschränkung des Stroms, der in dieser Berechnung verwendet wird, um das Teilen durch Null und andere Probleme, die lediglich bei schwachem durch den Elektromagneten 10 fließenden Strom anzutreffen sind, zu vermeiden.
Die Art des Schaltens, das für das Ergebnis der Testbedingungen (1) und (2) passend ist, ist unten präsentiert:

Bedingung (1) Bedingung (2) Schaltmodus abgebildet in

ja ja +Klasse B Figur 5a

nein ja –Klasse B Figur 5b

ja nein +Klasse AB Figur 5c

nein nein –Klasse AB Figur 5d
Die Schaltsignalimpulsbreiten 52 werden dann für die passenden Schaltmodi wie folgt berechnet. In der Gleichung unten sind W_A und W_B die Breiten des Impulses der Schaltsignale 24a bzw. 24b. W_EA und W_EB sind die effektiven Nettofehler in der tatsächlichen Breite der Impulse, die als Antwort auf die Schaltsignale 24a bzw. 24b erzeugt werden (die Werte werden durch Kalibrierung bestimmt). W_min ist ein fester Offset, welcher hinzugefügt wird, wenn er sich in dem Modus der Klasse AB befindet.
+Klasse B

WA = |Wsh| – Wcap – WEA
WB = Wfull

d. h. der Transistor 20a weist einen Impuls der rauschgeformten Spannungsimpulsbreite 48 minus der Kompensierung für die Kapazität und den effektiven Nettofehler auf, während der Transistor 20b während des ganzen Zeitraums an bleibt.
–Klasse B

WA = 0
WB = Wfull – |Wsh| – Wcap – WEB

d. h. der Transistor 20a bleibt während des ganzen Zeitraums aus, während der Transistor 20b einen zentralen Impuls gleich der Breite des ganzen Zeitraums minus der rauschgeformten Spannungsimpulsbreite 48 (es sollte beachtete werden, dass die rauschgeformte Spannungsimpulsbreite 48 die Spannungsimpulsbreite bei –V_S reflektiert, wohingegen nun eine Breite für einen Impuls in dem Schaltsignal, welches die zentrale Region bei 0 V erzeugt, festgesetzt wird) und auch minus der Kompensierung für Kapazität und effektive Nettofehler aufweist.
+Klasse AB

WA = |Wsh| + (Wmin + Wcap) – Wcap – WEA
WB = Wfull – (Wmin + Wcap) – Wcap – WEB

d. h. der Transistor 20a weist einen Impuls der rauschgeformten Spannungsimpulsbreite 48 plus den festen Offset, um sicherzustellen, dass die Schwellenbreite übertroffen wird, minus der Kompensierung für die Kapazität und die effektiven Nettofehler auf, während der Transistor 20b während des ganzen Zeitraums an bleibt, minus dem festen Offset, um über den Elektromagneten 10 keine Nettoverstärkung in der Ausgangsspannung sicherzustellen, minus der Kompensierung für die Kapazität und den effektiven Nettofehlern.
–Klasse AB

WA = (Wmin + Wcap) – Wcap – WEA
WB = Wfull – |Wsh| – (Wmin + Wcap) – Wcap – WEB

d. h. ähnlich dem Fall des Schaltens der –Klasse B, jedoch enthält der Transistor 20a nun einen Impuls mit der festen Offsetbreite minus der Kompensierung für Kapazität und effektive Nettofehler, während der Transistor 20b einen Reduzierung an Breite in seinem zentralen Impuls entsprechend dem festen Offset aufweist, um einen minimalen Abstand zwischen den Spannungsänderungen zwischen den Zeiträumen sicherzustellen.
Die Schaltsignalimpulsbreiten 52 sind nun berechnet worden, diese Breiten 52 sind jedoch in Sekunden und können jeden Wert in dem Bereich von 0 s bis zu der ganzen Breite des Zeitraums annehmen (den reziproken Wert der Impulsfolgefrequenz, d. h. 15,625 μs). Da jedoch die endgültigen Schaltsignale in der Impulsbreite moduliert sind, müssen die Schaltsignalimpulsbreiten 52 auf die Zykluszahlen des Präzisionszeittakts 66 umgewandelt werden, so dass sie quantisiert werden, um mit der Anzahl der verfügbaren Zykluszahlen in einem Zeitraum übereinzustimmen (es ist zuvor festgestellt worden, dass die Kombination der Impulsfolgefrequenz und der Frequenz f_clock des Präzisionszeittakts 66 512 Zykluszahlen pro Zeitraum ergibt). Diese Funktion wird von dem Schaltsignalimpulsbreitenquantisierer 54 durchgeführt.
Der Schaltsignalimpulsbreitenquantisierer 54 berechnet die Anzahl an Zykluszahlen (N_A und N_B für die Transistoren 20a bzw. 20b) aus den untenstehenden einfachen Formeln und gibt diese Werte als die quantisierten Schaltsignalimpulsbreiten 56 weiter. NA = |round(fclock·WA)| NB = |round(fclock·WB)|
N_A und N_B werden auch verwendet, um den Quantisierungsfehler 74 (W_QE) gemäß folgender Formel zu berechnen:
W_QE wird dann in den folgenden Zeiträumen als W_QE-1 und W_QE-2 verwendet, wie zuvor beschrieben wurde.
Da die quantisierten Schaltsignalimpulsbreiten 56 in Einheiten von Zykluszahlen des Präzisionszeittakts 66 bekannt sind, erzeugt der Erzeuger 60 der Positionen der Flanken der Schaltsignale die präzisen Zykluszahlen, wo die Flanken der Impulse der Schaltsignale 24a, 24b auftreten.
Die Impulse werden unter der Verwendung einer Asymmetrie des Abwechselns von Ungeraden verwendet, um die Signalverzerrung zu minimieren. Diese Verzerrung entsteht, wo Impulse mit einer ungeraden Anzahl an Zykluszahlen benötigt werden. Angesichts der Einschränkung, dass die Flanken mit dem Start und dem Ende der Zykluszahlen zusammenpassen müssen, können derartige Impulse nicht zentral innerhalb des Zeitraums positioniert werden. Würden die Impulse stets so positioniert werden, um einen halben Zyklus zu früh, oder einen halben Zyklus zu spät zu sein, würde daraus eine Verzerrung resultieren. Diese Verzerrung wird durch die Verwendung der Symmetrie des Abwechselns von Ungeraden minimiert, d. h. indem der Offset zwischen den Halfen der Anstieg- und Abfallflanke des Zeitraums abgewechselt wird. In Algorithmen gesetzt, ergeben sich die Positionen der Flanken und die von den Flanken versetzten Positionen für den Transistor 20a durch Folgendes:
falls N_A gerade ist, dann: ON_A = ½(N_full – N_A)
ansonsten: ON_A = ½(N_full – N_A + d_A) et d_A = –d_A
und: OFF_A = ON_A + N_A
wobei N_full die maximale Anzahl an Zykluszahlen (512) ist und d_A anfangs auf +1 festgelegt wird und dieser Wert von einem Zeitraum zu dem nächsten weitergetragen wird. Es versteht sich, dass die Positionen der Flanken für den Transistor 20b auf entsprechende Weise bestimmt werden (d. h. der tiefgestellte Index „A" wird durch den tiefgestellten Index „B" ausgetauscht).
Da die Positionen der Flanken der Impulse in den Schaltsignalen 24a, 24b bekannt sind, werden diese Werte als die Positionen 62 der Flanken der Schaltsignale an den Erzeuger 64 der Schaltsignale weitergegeben. Der Erzeuger 64 der Schaltsignale synchronisiert dann die Positionen 62 der Flanken der Schaltsignale auf die Zykluszahlen des Präzisionszeittakts 66, um die tatsächlichen Schaltsignale 24a, 24b zu erzeugen, die dann zu den Transistoren 20a bzw. 20b geführt werden.
Folglich wird die Halbbrückenschaltung 14 betrieben, um über den Elektromagneten 10 eine Durchschnittsspannung zu produzieren, die dem Spannungsbedarf 12 entspricht.
Der Fachmann wird erkennen, dass Modifikationen an den hier zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel beschreibt die obige Ausführungsform einen Stromregler, der den Elektromagneten 10 als Antwort auf ein Spannungsbedarfsignal 12, das gemäß einer gewünschten Kraft von einem Gesamtregler erzeugt werden kann, mit Strom versorgt. Der Stromregler kann jedoch als Antwort auf ein Strombedarfsignal 88, anstelle eines Spannungsbedarfsignals 12 erzeugt werden. Dieses Signal kann von dem Gesamtregler auf etwa die gleiche Art und Weise, wie unter Bezugnahme auf die Erzeugung des Spannungsbedarfsignal 12 der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, erzeugt werden.
Eine derartige Anordnung ist in 6 gezeigt: diese Figur ist äquivalent zu 2, zeigt jedoch zusätzliche Elemente, die erforderlich sind, um in einem Strombedarfmodus betrieben werden zu können. Während alle Elemente aus 2 (und diejenigen, die in 3 und 4 detailliert gezeigt sind) in dem Stromregler umfasst wären, sind in 6 der Klarheit halber lediglich diejenigen gezeigt, die für die Erörterung des Strombedarfmodus relevant sind. Wie ersichtlich sein wird, ist die Hauptänderung die Einbeziehung einer Regelschleife, die im Allgemeinen mit 87 angegeben ist.
In einem Modus des Betriebs wird das Strombedarfsignal 88 (der Klarheit halber als 88a gekennzeichnet) bei einem Vergleicher 90 mit dem Stromsensorsignal 32 verglichen. Das Stromsensorsignal 32 wird von dem Ausgang des Stromsensors 40 erlangt und stellt ein Maß des Stroms, welcher durch den Elektromagneten 10 fließt, dar. Der Vergleich des Stromsensorsignals 32 mit dem Strombedarfsignal 88a stellt ein Fehlersignal 92 bereit, das die Abweichung des Stroms durch den Elektromagneten 10 entfernt von dem angeforderten Strom darstellt. Das Fehlersignal 92 wird zu einem Filter 94 geführt, welcher eine Regelschleifenverstärkung, einen Regelschleifenfilter und ein Strom-zu-Spannungs-Transfermodell eingebaut hat, um ein Spannungsbedarfsignal 12a zu produzieren. Das Spannungsbedarfsignal 12a wird über einen Dreiwegschalter 96 zu dem System 28 des Erzeugers der Schaltsignale geführt.
Ungenauigkeiten bei dem Strom-zu-Spannungs-Transfermodell werden durch die Regelschleife 87 unter der Verwendung des Stromsensors 40 kompensiert. Die Leistungsfähigkeit des Stromreglers hängt mehr von der Rauschleistungsfähigkeit und der Genauigkeit des Stromsensors 40 als von der Genauigkeit des Strom-zu-Spannungs-Transfermodells ab. Wenn nötig, kann eine Kombination an Stromsensoren verwendet werden, um zum Beispiel den besten dynamischen Bereich zu ergeben.
In einem alternativen Modus des Betriebs, wo die Regelschleife 87, welche Driften in dem Elektromagnetstrom (über das Stromsensorsignal 32) kompensiert, nicht erforderlich ist, kann das Strombedarfsignal 88 direkt bei 88b zu einem Spannungsbedarferzeuger 100 geführt werden, wie in 6 gezeigt ist. Der Erzeuger 100 des Spannungsbedarfs erzeugt das Spannungsbedarfsignal 12b durch die Verwendung eines Filters, welcher ein Modell der Elektromagnetladungscharakteristik enthält, so dass der Erzeuger 100 des Spannungsbedarfs den passenden Spannungsbedarf prognostizieren kann, der nötig ist, um den erforderlichen Strombedarf 88 zu produzieren. Das Spannungsbedarfsignal 12b wird über einen Dreiwegschalter 96 zu dem System 28 des Erzeugers der Schaltsignale geführt. Die Genauigkeit des letztendlichen Stroms, welcher zu dem Elektromagneten 10 geführt wird, hängt selbstverständlich stark von der Genauigkeit des Ladungsmodells ab, welches das Spannungsbedarfsignal 12b erzeugt.
Falls gewünscht, kann der Stromregler angepasst werden, um in entweder dem Spannungsbedarf- oder dem Strombedarfmodus betrieben zu werden. Zum Beispiel könnte der Dreiwegschalter 96 verwendet werden, um zwischen dem Spannungsbedarfeingang 12a, welcher durch den Filter 94 bereitgestellt ist, oder dem Spannungsbedarfeingang 12b, welcher von dem Erzeuger 100 des Spannungsbedarfs bereitgestellt wird, oder einem Direktspannungsbedarfeingang 12c (d. h. einer Leitung, die einen Spannungsbedarf direkt von einem Gesamtregler oder Ähnlichem trägt) zu schalten, um das Spannungsbedarfsignal 12 zu produzieren, welches zu dem System 28 des Erzeugers der Schaltsignale geführt wird.

Claims

Ein Verfahren zum Betreiben einer Brückenschaltung, die einen Eingang, der eine Gleichstromversorgung an Nennspannung +V_S empfängt, einen Ausgang, der einen darüber verbundenen Elektromagneten aufweist, und einen ersten und einen zweiten Arm, die einen ersten Schalter bzw. einen zweiten Schalter aufweisen, beinhaltet, wobei der erste und der zweite Arm an gegenüberliegenden Enden des Elektromagneten verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Empfangen eines Spannungsbedarfsignals, das eine gewünschte Spannung eines elektrischen Signals, mit der der Elektromagnet in einem Zeitraum versorgt werden soll, anzeigt; (b) Erzeugen eines ersten und eines zweiten Schaltsignals mit Bezug auf das Spannungsbedarfsignal; und (c) Anwenden des ersten und des zweiten Schaltsignals auf den ersten bzw. den zweiten Schalter während des Zeitraums; wobei die Schaltsignale verursachen, dass die Schalter zwischen einem An- und einem Aus-Zustand geschaltet werden, wobei zwischen verschiedenen Kombinationen des An- und des Aus-Zustands des ersten und des zweiten Schalters geschaltet wird, wobei ein elektrisches Signal mit Spannungsimpulsen bei Pegeln von +V_S, 0 V und –V_S über den Elektromagneten produziert wird, wobei das erste und das zweite Schaltsignal so erzeugt werden, dass eine Durchschnittsspannung des elektrischen Signals, mit dem der Elektromagnet während des Zeitraums versorgt wird, im Wesentlichen gleich der gewünschten Spannung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Erzeugens eines gepulsten ersten und zweiten Schaltsignals beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass der erste und der zweite Schalter nicht gleichzeitig geschaltet werden, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, das ferner den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass die Signale nicht mehr als einen Impuls pro Zeitraum aufweisen sollen, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einer Regel, dass jeder Impuls im Wesentlichen symmetrisch um das Zentrum des Zeitraums positioniert sein soll, beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß der Regel, dass, wo Impulse nicht symmetrisch zentriert werden können, die längeren und die kürzeren Seiten der asymmetrischen Impulse für nachfolgende Impulse zwischen der Anstiegflankenseite und der Abfallflankenseite abgewechselt werden, beinhaltet.
Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 6, das den Schritt des Erzeugens des ersten und des zweiten Schaltsignals gemäß einem Pulsbreitenmodulationsschema beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das erste Schaltsignal einen Impuls einer zuvor bestimmten Breite innerhalb des Zeitraums beinhaltet und das zweite Schaltsignal während des Zeitraums in einem Zustand bleibt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei mindestens eines des ersten und des zweiten Schaltsignals einen einzelnen Impuls einer bestimmten Breite innerhalb des Zeitraums beinhaltet, wobei die bestimmte Breite nicht unter eine minimale Impulsbreite fällt, und wobei ferner nachfolgende Übergänge zwischen dem An- und dem Aus-Zustand des ersten Schaltsignals oder des zweiten Schaltsignals, die in unterschiedlichen Zeiträumen auftreten, durch eine minimale Zeitspanne zeitlich getrennt werden, und wobei die bestimmte Breite so ist, dass die Kombination des ersten und des zweiten Schaltsignals, wenn sie auf den ersten bzw. den zweiten Schalter angewendet wird, an dem Ausgang eine Durchschnittsspannung produziert, die im Wesentlichen gleich der gewünschten Spannung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das erste Schaltsignal einen einzelnen Impuls einer ersten bestimmten Breite innerhalb des Zeitraums beinhaltet und das zweite Schaltsignal einen einzelnen Impuls einer zweiten bestimmten Breite innerhalb des Zeitraums beinhaltet, wobei weder die erste noch die zweite bestimmte Breite unter die minimale Impulsbreite fällt, und wobei die erste und die zweite zuvor bestimmte Breite so sind, dass die Kombination des ersten und des zweiten Schaltsignals, wenn sie auf den ersten bzw. den zweiten Schalter angewendet wird, an dem Ausgang für den Zeitraum eine Durchschnittsspannung produziert, die im Wesentlichen gleich der gewünschten Spannung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner den Schritt des Anpassens der ersten bestimmten Breite mit einem Betrag beinhaltet, der in der Größe gleich der zweiten bestimmte Breite ist, aber in der Tat kompensierend ist, da ein Spannungsimpuls an dem Ausgang von +V_S oder –V_S, der aus dem Impuls in dem zweiten Schaltsignal resultiert, durch eine gleiche Breite an Spannungsimpuls an dem Ausgang von –V_S bzw. +V_S, der aus der erhöhten ersten bestimmten Breite des ersten Schaltsignals resultiert, ausgeglichen wird.
Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Breite eines Impulses des ersten und/oder des zweiten Schaltsignals mit Bezug auf ein Spannungssignal, das die Spannung der Gleichstromversorgung anzeigt, erzeugt wird, so dass die Breite des Impulses Schwankungen in der Gleichstromversorgung kompensiert.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Spannungssignal durch einen Filter geführt wird, um ein prädiktives Maß an Schwankungen in der Gleichstromversorgung zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Spannungssignal durch einen Filter mit endlicher Impulsantwort geführt wird.
Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Breite eines Impulses des ersten oder des zweiten Schaltsignals erzeugt wird, um eine Anpassung an die Breite des Impulses zu umfassen, um einen Spannungsabfall über eine Diode und/oder einen Transistor in der Brückenschaltung zu kompensieren.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Anpassung an die Impulsbreite mit Bezug auf ein Stromsignal, das den Strom, welcher durch den Ausgang fließt, anzeigt, und auf einen repräsentativen Widerstand der Diode oder des Transistors berechnet wird.
Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 8 bis 16, wobei der Impuls des ersten oder des zweiten Schaltsignals erzeugt wird, um eine Anpassung an die Breite des Impulses zu umfassen, um einen Spannungsoffset, der durch eine langsame Antwort beim Erzeugen des ersten oder des zweiten Schaltsignals verursacht wird, zu kompensieren.
Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 17, das ferner den Schritt der Rauschformung des ersten und des zweiten Schaltsignals beinhaltet.
Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Schalter Transistoren sind und das Verfahren den Schritt des Schaltens der Transistoren zwischen einem An- und einem Aus-Zustand entsprechend dem im Wesentlichen minimalen Spannungsabfall bzw. dem im Wesentlichen minimalen Stromfluss durch die Transistoren beinhaltet.
Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt des Empfangens eines Strombedarfsignals, das einen gewünschten Strom, mit dem der Elektromagnet in einem Zeitraum versorgt werden soll, anzeigt, und des Bestimmens des Spannungsbedarfsignals, das eine gewünschte Spannung eines elektrischen Signals, mit dem der Elektromagnet versorgt werden soll, anzeigt, beinhaltet, was darin resultiert, dass der Elektromagnet während des Zeitraums mit dem elektrischen Signal mit einem Strom versorgt wird, der im Wesentlichen gleich dem gewünschten Strom ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt des Berechnens des Spannungsbedarfsignals mit Bezug auf ein Modell der Ladungscharakteristik des Elektromagneten durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder Anspruch 21, das ferner den Schritt des Erzeugens des Spannungsbedarfsignals mit Bezug auf ein Stromsignal, das den Strom, der durch den Ausgang fließt, anzeigt, beinhaltet.
Ein Computerprogramm, das ein Programmcodemittel zum Durchführen der Verfahrensschritte eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 22, wenn das Programm auf einem Computer und/oder anderen der Brückenschaltung zugehörigen Verarbeitungsmitteln ausgeführt wird, beinhaltet.
Ein Computerprogrammprodukt, das ein Programmcodemittel, das auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert ist, zum Durchführen der Verfahrensschritte eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 22, wenn das Programm auf einem Computer und/oder anderen der Brückenschaltung zugehörigen Verarbeitungsmitteln ausgeführt wird, beinhaltet.
Eine Brückenschaltung, die einen Eingang, der betriebsfähig ist, eine Gleichstromversorgung an Nennspannung +V_S zu empfangen, einen Ausgang, der einen darüber verbundenen Elektromagneten aufweist, einen ersten und einen zweiten Arm, die einen ersten Schalter bzw. einen zweiten Schalter aufweisen, wobei der erste und der zweite Arm an gegenüberliegenden Enden des Elektromagneten verbunden sind, und Verarbeitungsmittel, die programmiert sind, um die Verfahrensschritte eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 11, 17, 20 oder 21 durchzuführen, beinhaltet.
Brückenschaltung gemäß Anspruch 25, die ferner einen Spannungssignalsensor, der betriebsfähig ist, ein Signal zu produzieren, das die Spannung der Gleichstromversorgung anzeigt, beinhaltet, und wobei die Verarbeitungsmittel programmiert sind, um die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 12 durchzuführen.
Brückenschaltung gemäß Anspruch 26, die ferner einen Filter beinhaltet, der angeordnet ist, um das Spannungssignal zu empfangen.
Brückenschaltung gemäß Anspruch 27, wobei der Filter ein Filter mit endlicher Impulsantwort ist.
Brückenschaltung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 25 bis 28, die ferner eine Diode und/oder einen Transistor beinhaltet, und wobei die Verarbeitungsmittel programmiert sind, um die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 15 oder Anspruch 19 durchzuführen.
Brückenschaltung gemäß Anspruch 29, die ferner einen Stromsignalsensor, der betriebsfähig ist, ein Stromsignal zu produzieren, beinhaltet, und wobei die Verarbeitungsmittel programmiert sind, um die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 16 oder Anspruch 22 durchzuführen.
Brückenschaltung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 25 bis 30, die ferner einen Rauschformer, der betriebsfähig ist, das erste und das zweite Schaltsignal rauschzuformen, beinhaltet.