FI121101B - Laite analogisen virta- tai jännitesignaalin tuottamiseksi - Google Patents

Description

Laite analogisen virta- tai jännitesignaalin tuottamiseksi

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy elektronisiin laitteisiin virta- ja jännitesignaalin synnyttämiseksi.

5 Teollisuuden instrumentoinnissa, teollisuuden sähkökäytöissä, ku ten moottorikäytöt ja taajuusmuuttajat, ja muissakin käytöissä tarvitaan usein analogialähtöjä, jotka signaloivat erilaisia käytön toimintaan liittyviä asioita. Tällaisia saattavat olla esimerkiksi ohjaus- ja säätösignaalit tai mittaussignaalit. 4-20 mA virtasilmukka on eräs analoginen sähköinen siirtostandardi, jota yleises-10 ti käytetään tällaiseen analogiseen signalointiin. 4-20 mA virtasilmukassa 4 mA silmukkavirta tyypillisesti edustaa nollaprosentin signaalia ja 20 mA edustaa sadan prosentin signaalia. Vastaavasti analogiseen signalointiin voidaan käyttää jännitesignaalia, kuten 0-10 VDC jännitesignaalia. Instrumentoinnissa laitetta, joka synnyttää ja lähettää analogisen signaalin, kutsutaan yleisesti lähet-15 timeksi. Usein erityisesti virtasilmukoilla halutaan ohjata erillisiä analogisia pa-neelimittareita niiden helpon luettavuuden vuoksi.

Tavanomaisesti käytettävillä virtasilmukoilla on useita haittapuolia, jotka tietyissä tapauksissa saattavat johtaa jopa vaaratilanteisiin. Perinteinen yksinkertainen virtasilmukkalähetin on usein toteutettu pulssileveysmodulaatio 20 (PWM)-periaatteella, jossa esimerkiksi ohjaavalta mikroprosessorilta tuleva signaali katkoo referenssijännitettä sopivalla pulssisuhteella ja tuloksena oleva suorakaideaalto suodatetaan jänniteohjeeksi erilliselle analogiselle virtagene-raattorille. Jos virtasilmukalta edellytetään erittäin suurta tarkkuutta tai erotuskykyä, ei PWM-tekniikalla muodostettu virtageneraattorin ohje ole yleensä riit-25 tävä, vaan voidaan käyttää esimerkiksi D/A-muunninta, jolla on vaadittava tarkkuus ja resoluutio. Kummassakin tapauksessa virran kalibrointi ja pysyvyys ovat täysin riippuvaisia kiinteistä komponenteista, jolloin komponenttien lämpötilariippuvuus saattaa aiheuttaa yllättäviä virheitä. Näin ei ole olemassa minkäänlaista varmuutta siitä, mikä on virtasilmukan kautta kulkevan virran todelli-30 nen suuruus ja onko virtasilmukka mahdollisesti katkennut, jolloin sen ohjaama analogiamittari näyttää harhauttavasti nollaa, vaikka kytkentä saattaa todellisuudessa olla esimerkiksi jännitteisyyden takia vaarallinen. Jos paneelimittarei-den asteikot on tehty kaksisuuntaisia näyttösuureita varten, on edullista, että mittarin nollapiste on keskellä asteikkoa myös silloin, kun mittaria syöttävä sil-35 mukka on virraton. Tämä edellyttää virtasilmukalta bipolaarisuutta, ts. silmukassa kulkevan virran suuntaa on voitava vaihtaa paneelimittarin osoitustar- 2 peen mukaisesti. Tähän eivät tavanomaiset virtalähettimet pysty. Jos virtasil-mukalta edellytetään erittäin suurta tarkkuutta tai erotuskykyä, ei PVVM-teknii-kalla muodostettu virtageneraattorin ohje ole yleensä riittävä, vaan on pakko käyttää D/A-muunninta, jolla on vaadittava tarkkuus ja resoluutio. Silti itse vir-5 tageneraattoriosan lämpötilariippuvuus saattaa aiheuttaa yllättäviä virheitä, joita ei voida kuitenkaan mitenkään havaita. Lisäksi tarkat tai suuren erotuskyvyn D/A-muuntimet ovat kalliita, mikä nostaa signaalilähettimen kustannuksia.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on aikaansaada laite, jolla voidaan generoida 10 tarkka analoginen lähtösignaali suhteellisen yksinkertaisella ja edullisella tavalla. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja järjestelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksinnön mukaisesti lähtösuureiden absoluuttiarvoja mitataan ja 15 säädetään jatkuvasti signaalin oikeellisuuden varmistamiseksi. Erään suoritusmuodon mukaisesti analogisen lähtösignaalin todellisen virta- tai jännitearvo mitataan ja digitoidaan, määritetään mainitun digitoidun todellisen virta- tai jän-nitearvon ja halutun virta- tai jännitearvon arvon välinen ero ja ohjataan analogisen lähtösignaalin synnyttämistä digitaalisen ohjaussignaalin avulla siten, et-20 tä mainittu ero pienenee. Keksinnön mukaisella ratkaisulla analogisen lähtösignaalin absoluuttinen tarkkuus ja stabiilisuus ovat riippuvaisia ainoastaan mittauksen ja digitoinnin tarkkuudesta. Analogisen signaalin synnyttävän piirihaaran kaikki virheet kompensoituvat takaisinkytkentäsilmukan kautta, koska mikäli lähtösignaali ei vastaa ohjearvoa, analogisen lähtösignaalin synnyttämistä oh-25 jataan välittömästi digitaalisen ohjaussignaalin avulla siten, että mainittu ero pienenee. Keksinnön ansiosta muunnos digitaalisesta ohjauksesta analogiseen lähtösignaaliin voidaan toteuttaa edullisella ratkaisulla, koska muunnoksen tarkkuudelle ei tarvitse asettaa yhtä tiukkoja vaatimuksia kuin aikaisemmin. Vaikka keksinnössä vaaditaan lähtösignaalin mittaus ja digitointi, laite on 30 edelleen kokonaisuutena edullinen, koska tarkka A/D-muunnin on huomattavasti edullisempi kuin tarkka D/A-muunnin, jonka tarkkuutta ja stabiilisuutta edelleen heikentää lähtöön vaadittava erillinen puskurointi. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti mittauksen digitointi toteutetaan sigma-delta (Σ/Δ) -modulaattorilla. Sigma-delta-modulaattori on toimintatapansa vuoksi erityisen 35 vastustuskykyinen erilaisille häiriöpiikeille ja sen sekä absoluuttitarkkuus että stabiilisuus ovat erinomaisia. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa sigma- 3 delta-modulaattorin tuottama digitoitu 1-bittinen signaali suodatetaan digitaalisesti ja desimoidaan, niin että saadaan monibittinen, digitoitu, todellinen virta-tai jännitearvo.

Keksinnön eri suoritusmuodoissa on analogisen lähdön ja digitaali-5 sen ohjauksen välillä edullisesti galvaaninen erotus. Tällä vähennetään häiriöitä ja virheitä, jotka siirtyvät laitteen tarkkuuden kautta kriittisiin pisteisiin. Lisäksi galvaaninen erotus muodostaa myös turvatekijän sen varalle, että analogia-lähtöjen liittimiin joutuisi vahingossa esimerkiksi verkkopotentiaalissa oleva signaali. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa digitointiin käytetään anaiogia-10 digitaalimuunninpiiriä, kuten sigma-delta-modulaattoria, jossa on integroituna galvaaninen erotus sisääntulon ja lähdön välillä. Vastaavasti digitaali-analogia-muunnokseen saatetaan käyttää D/A-muunninpiiriä, johon on integroitu galvaaninen erotus tulon ja lähdön välille. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää erillisiä galvaanisesti erottavia piirejä. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa galvaani-15 nen erotus on toteutettu integroidulla DC-DC-muuttajalla. Edelleen voidaan jännitteen synnyttävään haaraan (D/A) ja digitoivaan mittaushaaraan (A/D) käyttää keskenään erilaista galvaanista erotustapaa. Keksinnön eri suoritusmuodoissa laitteen analogiaosien virtalähde voi olla galvaanisesti erotettu ympäröivän laitteiston, kuten sähkömoottorikäytön, muista käyttöjännitteistä.

20 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti analoginen lähtöjänni- te synnytetään analogisella integraattoriasteella ja puskuriasteella sekä etuasteella, joka syöttää tasajännitteen integraattoriasteelle digitaalisen ohjaussignaalin mukaan, jolloin integraattori on sovitettu integroimaan tasajännitteen ja syöttämään integroidun jännitteen puskuriasteen kautta laitteen lähtöön muo-25 dostamaan analoginen lähtösignaali. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti etuaste käsittää analogiakytkimen, joka on sovitettu ohjattavaksi galvaanisen erotuksen kautta digitaalisella ohjaussignaalilla ainakin yhden tasajännitteen kytkemiseksi integraattoriasteelle. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa analogiakytkimelle on kytketty galvaanisen erotuksen kautta myös suuntasig-30 naali, jolla on ensimmäinen ja toinen tila, ja analogiakytkin on sovitettu kytkemään integraattoriasteelle ensimmäinen tasajännite digitaalisen ohjaussignaalin mukaan, kun suuntasignaali on ensimmäisessä tilassa, ja kytkemään integraattoriasteelle toinen, napaisuudeltaan vastakkainen tasajännite digitaalisen ohjaussignaalin mukaan, kun suuntasignaali on toisessa tilassa. Digitaalinen 35 ohjaussignaali on edullisesti ohjauspulssi. Keksinnön eräässä suoritusmuodos- 4 sa digitaalisen ohjaussignaalin galvaaninen erotus on toteutettu integroidulla DC-DC-muuttajalla.

Keksinnön mukaisen laitteen ensisijainen sovellusalue ovat mitta- ja ohjaussignaalilähettimet. Erityinen sovellusalue ovat sähkömoottorikäytöt. Säh-5 kömoottorikäytössä, joka käsittää keksinnön mukaisen laitteen, digitoidun mittaussignaalin vastaanottavat ja digitaalisen ohjaussignaalin synnyttävät välineet käsittävät edullisesti analogialähdön synnyttävä haara ja digitoiva mittaus-haara on sijoitettu erilliselle piirikortille, joka asennetaan moottorikäytön pääpii-rikortilla olevaan korttiliittimeen, ja säätövälineet on sijoitettu pääpiirikortille. 10 Näillä ratkaisuilla voidaan vähentää perinteisiin mitta- ja ohjaussignaalilähetti-miin liittyneitä rakenteellisia ongelmia.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin esimerkkisuoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheiseen piirrokseen, jossa kuvio 1 esittää kytkentäkaavion 15 eräästä esimerkinomaisesta piiristöstä, jossa sovelletaan esillä olevan keksinnön periaatteita.

Keksinnön esimerkkisuoritusmuotojen yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 esitetyssä esimerkissä keksintö on toteutettu kahdella erillisellä moduulilla (esim. piirilevyllä) 20 ja 30, mutta se voidaan toteuttaa yh-20 tenä tai useampana moduulina.

Ohjausmoduuli 20 synnyttää analogisen virta- tai jännitelähdön moduulin 30 syöttämän digitaalisen informaation Enable mukaan ja tuottaa moduulille 30 digitoidun signaalin DATA, joka edustaa analogisesta ulostulosta mitattua todellista virta- tai jännitearvoa. Esimerkissä moduulin 20 ulostulo TY-25 PE kertoo moduulille 30 onko analoginen lähtö virtasignaali (esim. 4-20mA) vai jännitelähtö (esim. 0-10V). Esimerkissä analogialähdöt muodostava moduuli 20 on siten suunniteltu, että sitä voidaan vain kahden oikosulkuiinkin X1 ja X2 paikanvaihdon avulla käyttää joko virta- tai jännitelähtönä, mutta moduuli 20 voidaan suoraan toteuttaa pelkästään virta- tai jännitelähtönä. Esimerkkimo-30 duulin 20 spesifioitu ±50 mA:n virtalähtöalue on valittu siten, että se soveltuu kaikille tavanomaisimmille virtaluuppityypeille samoin kuin yleisimmin saatavilla olevien analogiamittareiden ohjaukseen. Spesifioidun virta-alueen jännitteen-syöttökyky on ±10 V. Maksimaalinen virtalähtö on ±64 mA, jolloin jännitteen-syöttökyky on ±7,5 V. Jännitelähtöisenä kytkennän spesifioitu lähtöjännitealue 5 on ±10 V ja virransyöttökyky ±50 mA. Maksimaalinen jännitelähtö on ±12,8 V, jolloin virransyöttökyky on ±24 mA.

Virta- tai jännitelähdön todellista arvoa mitataan ja se saatetaan keksinnön mukaisen digitaalisen takaisinkytkennän avulla halutulle tasolle ja 5 pidetään jatkuvalla mittauksella siinä. Esimerkkipiirissä mittauksen resoluutio on ±15 bittiä, mikä maksimaalisella lähdöllä merkitsee 64 mA / 215 = 1,95 μΑ ja 12,8 V / 215 = 0,39 mV. Nämä arvot ovat tyypillisesti kertaluokkaa paremmat kuin nykytekniikan mukaisissa ratkaisuissa on mahdollista saavuttaa.

Esimerkkisuoritusmuodon analogialähtökytkentä on toteutettu siten 10 valituilla komponenteilla, että kokonaiskustannukset minimoituvat, mutta läh-tösignaalien tarkkuus ja stabiilisuus ovat mahdollisimman hyvät. Galvaanisesti erottavina komponentteina on käytetty tyyppejä, joihin on integroitu muitakin funktioita kuin pelkkä erotus.

Moduulin 30 ohjaussignaalit Enable ja Direction on kytketty kaksi-15 kanavaiselle digitaalierottimelle 200, joka erottaa moduulin 20 digitaalisen l/O-osan 20A moduulin 20 analogisesta osasta 20B. Esimerkkisuoritusmuodossa digitaalierotin 200 on toteutettu integroidun DC/DC-muuntimen sisältävällä integroidulla piirillä, kuten ADuM5240, jota valmistaa Analog Devices Inc. Sisäänrakennettu DC/DC-muunnin saattaa lisäksi antaa ja stabiloida sen osan 20 +5 voltin apujännitteestä, joka ei ole saatavissa vastuksen R7 kautta apujänni- telähteestä 207.

Galvaanisesti erotetut ohjaussignaalit Enable ja Direction viedään erottimelta 200 integrointiasteelle, jonka muodostavat analoginen kytkin 202 sekä integraattori 204. Esimerkissä analogisen kytkimen 202 muodostaa integ-25 roitu kytkinpiiri, kuten MAX4564. Analoginen kytkin 202 on vaihtokytkin, jonka toinen kytkentänapa (1) on kytketty positiiviseen käyttöjännitteeseen +5V, ja toinen kytkentänapa (4) on kytketty napaisuudeltaan vastakkaiseen käyttöjännitteeseen -5V. Analogisen kytkimen 202 yhteinen napa (8) on muodostaa ulostulon, joka kytketään sisääntuloksi integraattorille 204. Erotuspiirin 200 30 Enable-ulostulo 21A on kytketty analogisen kytkimen 202 Enable-sisääntuloon (7). Kun Enable-signaali 21A on loogisessa tilassa ”1”, analogiakytkimen 202 ulostulo 23 on suuri-impedanssisessa tilassa eli integraattoriin 204 ei syötetä signaalia. Erotuspiirin 200 Direction-signaali 22A on kytketty analogisen kytkimen 202 kytkentäsuunnan ohjaussisääntuloon (3). Kun Direction-signaalin 22A 35 looginen tila on ”0” ja Enable-signaalin 21A tila on ”0”, analogiakytkimen 202 ulostuloon on kytketty jännite +5V. Jos Direction-signaalin 22A tila on ”1” ja 6

Enable-signaalin 21A tila on ”0”, analogiakytkimen 22 ulostuloon 23 on kytketty jännite -5V.

Integraattorin 204 muodostavat operaatiovahvistin A1, vastukset R4 ja R5 sekä kondensaattori C1. Analogisen kytkimen 202 ulostulon 23 jännit-5 teestä (+5 V, -5 V) riippuen vastuksen R4 läpi kulkeva virta joko lataa tai purkaa kondensaattorin C1 varausta ja sitä kautta nostaa tai laskee jännitetasoa integraattorin 204 ulostulossa 24. Jos analogisen kytkimen 202 ulostulo 23 on suuri-impedanssisessa tilassa (ohjaussignaalin Enable-tila on ”1”), vastuksen R4 läpi ei kulje virtaa, joka muuttaisi kondensaattorin C1 varausta ja ulostulon 10 24 jännitetasoa.

Integraattorin 204 ulostulo 24 syötetään puskuriasteen 205 sisääntuloon ja puskuriasteen 205 ulostulo on kytketty vastuksen R6 kautta moduulin 20 analogisen signaaliulostulon positiiviseen (+) liitinnapaan 26A. Puskuriaste 205 on kuvion 1 esimerkissä muodostettu kolmella operaatiovahvistimella A2, 15 A3 ja A4, mutta puskuriaste 205 voidaan toteuttaa myös vähemmällä tai suuremmalla määrällä operaatiovahvistimia. Operaatiovahvistimina A1-A4 voidaan käyttää esimerkiksi integroidun vahvistinpiirin TL074 operaatiovahvistimia.

On huomattava, että analoginen kytkin 202, integraattori 204 ja puskuriaste 205 voidaan toteuttaa monilla eri tavoin, kuten diskreettejä transistori-20 komponentteja sisältävinä transistoriasteina, integroitujen piirien ja diskreettien transistoriasteiden yhdistelminä tai yhtenä integroituna piirinä, kuten alan am-mattimiehille on esitetyn esimerkin perusteella ilmeistä. On myös ymmärrettävä, että erotuspiirin 200, analogiakytkimen 202, integraattorin 204 ja puskurin 205 aikaansaama analogisen ulostulon synnyttäminen digitaalisesta sisääntu-25 losta voidaan toteuttaa myös muunlaisilla piiriratkaisuilla poikkeamatta esillä olevan keksinnön perusperiaatteesta.

Kuten aikaisemmin on todettu, kuvion 1 esimerkkirakenne voi tuottaa analogisen virtaulostulon tai analogisen jänniteulostulon riippuen siitä, miten oikosulkuiinko X1 ja X2 kytketään moduulissa 20. Kun halutaan analoginen 30 virtalähtö kytketään pystyasentoiset oikosulkuiinko X1 ja X2 kuviossa 1 esitetyllä tavalla. Tällöin analogisen lähdön negatiivinen (-) liitinnapa 26B on kytketty yhteiseen potentiaaliin (esim. nollapotentiaali) sekä vastuksen R1 että vastuksen R3 kautta. Jos signaalijännite (+)-liitinnavassa 26A on nolla, virtasilmu-kan 27 ja vastuksen R1 läpi ei kulje virtaa. Kun (+)-liitinnavan 26A jännite nou-35 see, (-)-liitinnavan 26B jännite riippuu vastuksen R1 kautta kulkevasta virrasta, joka on samalla virtasilmukan 27 virta. Vastuksen R3 arvo on hyvin suuri suh- 7 teessä vastuksen R1 arvoon eikä vastuksen R3 kautta kulkevan virran vaikutusta tarvitse ottaa huomioon jännitehäviönä. Toinen oikosuikulinkki X1 moduulin 20 osassa 20A kytkee signaalin TYPE maahan, mikä antaa signaalin TYPE tilaksi ”0”. Tämä kertoo moduulille 30, että moduuli 20 on kytketty toimi-5 maan virtalähtonä.

Kun moduulin 20 halutaan tuottavan jännitelähdön, vaakasuuntaiset oikosulkuiinko X2 kytketään kuviossa 1 esitetyllä tavalla. Oikosulkulinkkejä X1 ei kytketä. Tällöin moduuliosan 20A lähtösignaali TYPE on kytketty vastuksen R9 kautta käyttöjännitteeseen +5 V, jolloin signaalin TYPE tila on ”1”. Tämä 10 kertoo moduulille 30, että moduuli 20 on kytketty toimimaan jännitelähtönä. Nyt analogisen lähdön (+)-liitinnapa 26A on kytketty vastuksien R2 ja R3 kautta ja (-)-liitinnapa 26B on kytketty suoraan maahan (nollapotentiaali).

Moduulin 20 toimiessa jännitelähtömoodissa vastuksien R2 ja R3 lii-täntäsolmun 28 jännite on verrannollinen ulostulojännitteeseen liitinnapojen 15 26A ja 26B välillä. Virtalähtömoodissa solmu 28 on kytketty suoraan (-)-liitinna- paan 26B, jolloin solmun 28 jännite on sama kuin vastuksen R1 vaikuttava jännite ja siten verrannollinen virtasilmukan 27 virtaan. Kuvion 1 esimerkkisuo-ritusmuodossa solmun 28 jännitettä tarkkaillaan jännitteenmittaus- ja digitoin-tiyksiköllä 206. Yksikkö 206 voidaan toteuttaa millä tahansa järjestelyllä, jolla 20 mitataan analoginen jännite solmussa 28 ja digitoidaan mittaustulos syötettäväksi digitaalisena datana DATA moduulille 30. Edullisesti digitointiin voidaan käyttää Σ/Δ-modulaattoria, jonka absoluuttinen tarkkuus ja stabiilisuus ovat erinomaisia mutta joka on kuitenkin hinnaltaan edullinen. Σ/Δ-modulaattori on lisäksi toimintatapansa vuoksi erityisen vastustuskykyinen erilaisille häiriöpii-25 keille. Kuviossa 1 esitetyssä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa mittaus-ja digitointiyksikkö 206 on toteutettu integroidulla Σ/Δ-modulaattoripiirillä AD7401, jota valmistaa Analog Devices. AD7401 on toisen asteen Σ/Δ-modulaattori, joka muuntaa analogisen sisääntulosignaalin suurinopeuksiseksi, 1-bittiseksi datavirraksi ja käsittää lisäksi integroidun piirisirun sisällä toteutetun 30 digitaalisen erotuksen. Tätä erotusta on havainnollistettu katkoviivalla yksikön 206 sisällä kuviossa 1. Tämän ansiosta mittaus- ja digitointiyksikkö 206 toimii myös galvaanisesti erottavana rajapintana moduulin 20 analogisen osan 20B ja digitaalisen osan 20A välillä. Vaihtoehtoisesti, jos mittaus- ja digitointiyksik-könä 206 käytetään esimerkiksi AD-muunninta, jossa ei ole sisäistä galvaanis-35 ta erotusta, galvaaninen erotus voidaan toteuttaa erillisellä erotinpiirillä, kuten erotinpiirinä 200 käytetty ADuM5240. Integroidun piirin AD7401 analoginen 8 modulaattori ottaa jatkuvasti näytteitä analogisesta sisääntulosta, ts. solmusta 28, jolloin ei tarvita ulkoista näytteenotto- ja pitopiiristöä. Joidenkin AD-muunninpiirien yhteydessä voidaan ulkoinen näytteenotto- ja pitopiiri tai muu vastaava mittauskytkentä kuitenkin tarvita. Mittaus- ja digitointiyksikön 206 5 tuottama 1-bittinen datavirta DATA syötetään ohjausmoduulille 30, jossa sille voidaan suorittaa digitaalinen suodatus ja desimointi monibittisen mittausinformaation tuottamiseksi. Esimerkiksi Sinc3-suodatin on edullinen, koska se on yhtä astetta korkeampi kuin toisen asteen modulaattori AD7401. Jos lisäksi käytetään desimointisuhdetta 256, saadaan tuloksena 16-bittinen sana nopeu-10 della 62,5 kHz, kun yksikölle 206 syötetty ulkoinen kellosignaali CLOCK on 16 MHz. Kun 1 bitti käytetään etumerkkiin, saadaan ±15-bitin tarkkuus. Digitaalinen suodatus ja modulointi 300 voidaan toteuttaa integroidulla piirillä tai signaaliprosessorilla. Kuvion 1 esimerkissä digitaalinen suodatus ja desimointi on sijoitettu eri käsittely/logiikkayksikölle 30, kuten sähkömoottorikäyttöön, koska 15 se tarjoaa monia etuja. Analogisen lähtösignaalin tuottava moduuli voidaan toteuttaa pienempikokoisena. Moduulin 20 ja käsittely/logiikkayksikön välille tarvitaan vähemmän signaalijohtimia, koska mittausdata siirretään 1-bittisenä. Digitaalinen suodatus ja desimointi 300 voidaan haluttaessa toteuttaa ohjelmana prosessointi/logiikkayksikön 30 prosessorissa.

20 Kuvion 1 esimerkkisuoritusmuoto käsittää lisäksi aputeholähteen 207, jossa on muuntaja T1 diodit D1-D4, kondensaattorit C2 ja C3, vastukset R7 ja R8, sekä zener-diodi D5. Muuntajan T1 ensiöpuolelle syötetään vaihtojännite, kuten suorakaideaaltojännite, jollainen on yleensä helposti saatavilla esimerkiksi käsittely/logiikkayksiköltä 30. Muuntajan T1 ensiö- ja toisiopuoli 25 ovat luonnollisesti galvaanisesti erotettuja toisistaan, minkä seurauksena myös moduulin 20 analoginen osa 20B on galvaanisesti erotettu tehonsyötön ensiö-puolesta 20C ja sitä syöttävästä jännitelähteestä. Täten moduulin 20 analogisen osan 20B maapotentiaali ja kaikki käyttöjännitepotentiaalit ovat täysin kelluvia suhteessa ympäröiviin laitteisiin.

30 Seuraavassa selitetään kuvion 1 toimintaa virtalähtömoodissa, ts.

kun oikosulkulinkit X1 ovat kuvion 1 mukaisissa pystyasennoissa. Oletetaan lähtötilanteeksi, että muuntajan T1 ensiöpuolelle ei syötetä suorakaideaaltoa eikä apujännitelähde 207 tuota apujännitteitä ±5 V. Tällöin moduulin 20 analoginen osa 20B on kytketty pois toiminnasta. Kun apujännitelähteen 207 en-35 siökäämille syötetään suorakaideaalto, moduulin 20 analogiaosalle 20B saadaan apujännitteet ±5V. Hetkellä, jolla analogiselle osalle 20B kytketään käyt- 9 töjännitteet, integraattorin 204 kondensaattorissa C1 ei ole varausta ja integ-raattorin 204 lähtöjännite solmussa 24 on 0. Moduulin 30 syöttämä ohjaussignaali Enable 21/21A on tilassa ”1”, joten analogiakytkimen 202 ulostulo 23 on suuri-impedanssisessa tilassa eikä vastuksen R4 läpi kulje varausvirtaa kon-5 densaattorille C1. Tämän vuoksi solmun 24 jännite pysyy arvossa 0, kun moduulin 20 analogiaosalle 20B kytketään käyttöjännitteet. Puskuriaste 205 välittää integraattorin ulostulon 24 nollajännitteen lähtöliittimen (+)-napaan 26A. Koska lähtöliittimen (-)-napa 26B on kytketty vastuksen R1 kautta noliapotenti-aaliin, lähtöliittimen navat 26A ja 26B ovat samassa potentiaalissa eikä vir-10 tasilmukan 27 kautta voi kulkea virtaa. Lähtöliittimen (-)-napa 26B on oikosulkuiinkin X1 kautta kytketty myös solmuun 28, jonka jännitettä mitataan Σ/Δ-modulaattorilla 206. Kuten aikaisemmin todettiin solmun 28 jännite riippuu vastuksen R1 kautta kulkevasta virrasta, joka vastaa silmukan 27 virtaa. Σ/Δ-modulaattori 206 mittaa solmussa 28 olevan nollajännitteen ja tuottaa vastaa-15 van 1-bittisen informaation DATA-moduulille 30. Moduulissa 30 1-bittiselle datalle suoritetaan digitaalinen suodatus ja desimointi 300 ja tuotetaan ±15-bittinen binääritieto, joka tarkasti kertoo solmun 28 jännitteen ja sitä kautta sil-mukkavirran. Signaalin TYPE tila ”0” kertoo moduulille 30, että moduuli 20 on virtalähtömoodissa ja mitattu jännite edustaa silmukkavirtaa. Moduulin 30 kä-20 sittely/logiikkayksikkö vertaa mitattua silmukkavirta-arvoa haluttuun silmukka-virta-arvoon eli ohjearvoon ja tuottaa erotiedon, joka on jollakin tavoin verrannollinen mitatun virran poikkeamaan ohjearvosta, kuten on havainnollistettu lohkossa 302. Käsittely/logiikkayksikön säätölohko 304 päättelee mitatun arvon ja ohjearvon perusteella, kuten eroinformaation e perusteella, kumpaan suun-25 taan silmukkavirtaa on muutettava ja asentaa analogiakytkintä 202 ohjaavan Direction-signaalin oikeaan tilaan. Oletetaan, että Direction-signaali asetetaan tilaan ”1”, joka ohjaa analogiakytkimen 202 asentoon +5 V. Sitten säätöyksikkö 304 tuottaa ohjauslinjalle Enable ”0”-tasoisen ohjauspulssin, jonka pituus on määritelty eroinformaation e perusteella. Analogisen kytkimen 202 ulostulo 30 vaihtuu Enable-signaalin ”0”-pulssin ajaksi suuri-impedanssisesta tilasta jännitteeseen +5 V, jolloin vastuksen R4 läpi kulkee virta, joka varaa kondensaattoria C1 ja nostaa jännitettä integraattorin 204 ulostulosolmussa 24. Integraattorin lähtöjännite muuttuu esimerkkitapauksessa suurin piirtein nopeudella (5V/10k Ω)/100 nF = 5 V/ms. Tämän seurauksena virtaluupin 27 ja vastuksen 35 R 1 kautta alkaa kulkea silmukkavirta, jolloin solmun 28 jännite nousee ja Σ/Δ-modulaattori 206 ja digitaalinen suodatus ja desimointi 300 tuottavat kasvanut- 10 ta silmukkavirta-arvoa edustavan mittausarvon vertailulohkolle 302. Tämän perusteella muodostetaan uusi eroinformaatio e, jonka avulla säätölohko 304 määrittää uuden Enable-pulssin pituuden sekä integrointisuunnan. Jos integ-raattorin 204 ulostulojännitettä halutaan laskea Direction-signaali asetetaan ti-5 laan ”0”, jolloin analogiakytkimen 202 ulostulo kytkeytyy jännitteeseen -5 V ja virta kondensaattorin C1 ja vastuksen R4 kulkee vastakkaiseen suuntaan purkaen kondensaattorin C1 varausta. Näin silmukkavirtaa 27 säädetään mittauksen ja takaisinkytkennän avulla jatkuvasti pyrkien pitämään silmukkavirta ohjearvossaan.

10 Tarkastellaan kuvion 1 suoritusmuodon tarkkuutta ja suorituskykyä.

On huomattava, että lähtösignaalin absoluuttinen tarkkuus ja stabiilisuus riippuvat ainoastaan digitoinnin suorittavasta Σ/Δ-modulaattorista sekä vastuksista R1, R2 ja R3. Esimerkiksi, kun Σ/Δ-modulaattorin nimellinen sisääntulojännit-teen alue on ±200 mV ja lineaarinen ylialue ulottuu aina ±320 mV saakka, an-15 taa esimerkkikytkennässä käytetty vastus R1=5 Ω koko mittausalueeksi ylialu-eineen ±64 mA, joten se kattaa kaikki nykyisin käytössä olevat virtasilmukka-tyypit. Σ/Δ-modulaattorin resoluutio on esimerkiksi mainittu 1/±15 bittiä, mikä merkitsee tässä esimerkissä resoluutiota 64 mA/215 = 1,95 μΑ. Tämä erotuskyky riittää useimpiin sovelluksiin. Ajatellaan, että virtasilmukan 27 resistanssi 20 on 0 Ω ja analogiakytkintä 202 ohjataan 100 ns pituisella Enable-pulssilla. Tällöin integraattorin 204 ja samalla puskuriasteen 205 ulostulojännite muuttuu 5 V/ms * 100 ns = 0,5 mV. Tämä jännitemuutos vaikuttaa vastusten R6 ja R1 sarjakytkentään (38 Ω), joten virtasilmukan 27 virta muuttuu 0,5 mV/38 Ω = 13,2 μΑ. Jos Enable-pulssin minimipituus voi käytännössä olla 15 ns, tulee in-25 tegraattorin 204 lähtöjännitemuutoksen pienimmäksi askeleeksi 1,97 pA, mikä on suurin piirtein sama kuin virtamittauksen resoluutio. Tarkastellaan edelleen tilannetta, jos virtasilmukan 27 resistanssi on suurin mahdollinen standardin mukainen arvo eli 10 V/50 mA = 200 Ω. Tällöin edellä mainittu 100 ns pituinen Enable-pulssi aiheuttaakin vain 0,5 mV/238 Ω = 2,1 pA virtamuutoksen, joten 30 virtasilmukan 27 resistanssi vaikuttaa virran muutosnopeuteen. Suurimmalla virtasilmukan 27 resistanssilla ja jatkuvalla ohjauksella virran muutosnopeus on enintään (5 V/ms)/238 Ω = 21 mA/ms, mutta jos virtasilmukan 27 resistanssi on 0, muutosnopeus on 132 mA/ms.

Tarkastellaan seuraavaksi kuvion 1 laitteen toimintaa jännitelähtö-35 moodissa, ts. kun oikosulkuiinko X2 ovat kuvion 1 mukaisissa vaaka-asennoissa. Tällöin lähtöliittimen (+)-napa 26A on kytketty vastusten R2 ja R3 sarjaan- 11 kytkennän kautta yhteiseen potentiaaliin (nollapotentiaali). Vastaavasti (-)-lii-tinnapa 26B on kytketty suoraan yhteiseen potentiaaliin (nollapotentiaali). Sig-naalilinja TYPE on kytketty vastuksen R9 kautta jännitteeseen +5 V, jolloin signaalin TYPE tila Ί” kertoo moduulille 30, että moduuli 20 on jännitelähtö-5 moodissa. Oletetaan, samalla tavoin kuin virtalähtömoodissa, että moduulin 20 analogiaosalle 20B kytketään apujännitteet ±5 V, kun Enable-signaali on tilassa Ί”. Tällöin kytkettäessä analoginen moduuliosa 20B päälle, analogisen kytkimen 202 ulostulo 23 on suuri-impedanssisessa tilassa, integraattorin 204 läh-töjännite on 0 ja vastaavasti lähtöliittimen (+)-navan 26A jännite on 0. Liitinna-10 van 26A jännite mitataan vastusten R2 ja R3 muodostaman jännitteenjakajan solmupisteessä 28 Σ/Δ-modulaattorilla 206. Σ/Δ-modulaattorin 206 tuottama 1-bittinen signaali DATA suodatetaan digitaalisesti ja desimoidaan moduulin 30 lohkossa 300, niin että tuotetaan ±15-bittinen binääritieto, joka ilmaisee tarkasti liitinnavan 26A lähtöjännitteen. Signaalin ΤΥΡΕ Ί” perusteella moduuli 30 tie-15 tää, että moduuli 20 on jännitelähtömoodissa. Lohko 302 muodostaa eroinfor-maation e, joka on verrannollinen lähtöjännitteen mitatun arvon poikkeamaan lähtöjännitteen halutusta arvosta eli ohjearvosta. Eroinformaation perusteella säätölohko 304 määrittää suunnan, johon integraattorin 204 ulostulojännitettä tulisi muuttaa sekä 0-tasoisen Enable-pulssin pituuden. Oletetaan, että lähtö-20 jännitettä halutaan kasvattaa positiiviseen suuntaan. Tällöin säätöyksikkö 304 asettaa Direction-signaalin tilaan ”1” ja syöttää 0-tasoisen Enable-pulssin, jolla on eroinformaation e perusteella määritelty pituus. Tällöin analoginen kytkin 202 kytkee ulostuloon 23 jännitteen +5 V Enable-pulssin ajan. Vastuksen R4 läpikulkeva virta lataa kondensaattoria C1 ja nostaa integraattorin 204 lähtö-25 jännitettä ja sitä kautta lähtöliittimen 26A jännitettä. Solmun 28 jännite kasvaa samassa suhteessa kuin Σ/Δ-modulaattori ja digitaalinen suodatus- ja desi-mointilohko 300 tuottavat kasvanutta jännitettä vastaavan digitaalisen mittaus-arvon. Lähtöjännitteen uuden mittausarvon ja ohjearvon perusteella muodostetaan uusi eroinformaatio ja säätölohko 304 ohjaa Enable- ja Direction-signaa-30 lien avulla integraattoria 204 muuttamaan lähtöjännitettään sellaiseen suuntaan, että ero e pienenee. Tällä tavoin jatkuvasti säätämällä saadaan analoginen lähtöjännite asettumaan ohjearvoonsa ja pysymään siinä.

Tarkastellaan seuraavaksi kuvion 1 laitteen tarkkuutta ja suorituskykyä jännitelähtömoodissa. Oletetaan, että Σ/Δ-modulaattorin 206 nimellinen si-35 sääntulojännitealue on ±200 mV ja lineaarinen ylialue ulottuu aina +320 mV saakka, jolloin kuvion 1 mukainen jännitteenjako R2-R3 antaa koko mittaus- 12 alueeksi ylialueineen ±12,8 V. Tämä mittausalue kattaa suurimman osan nykyisin käytössä olevista ohjearvoketjuista. Σ/Δ-modulaattorin resoluution ollessa mainittu 1 /±15 bittiä, mikä tarkoittaa jänniteresoluutiota 12,8 V/215 = 0,39 mV. Tämä erotuskyky on riittävä useimpiin sovellutuksiin. Integraatio ro in 204 5 lähtöjännite muuttuu suurin piirtein nopeudella (5 V/10 k Ω)/100 nF = 5 V/ms. Oletetaan esimerkkinä, että lähtöliittimeen 26A-26B kytketyn kuorman resistanssi on pienin sallittu eli 10 V/50 mA = 200 Ω ja integraationa 204 ohjataan 100 ns pituisella Enable-pulssilla. Integraation n 204 ja samalla puskuriasteen 205 lähtöjännite muuttuu 5 V/ms * 100 ns = 0,5 mV. Tämä jännitemuutos nä-10 kyy lähdössä vastuksen R6 resistanssin aiheuttaman jännitteenalennuksen vaikutuksesta 200 Ω/233 Ω * 0,5 mV = 0,43 mV. Jos Enable-pulssin minimipi-tuus on käytännössä 15 ns, tulee lähtöjännitemuutoksen pienemmäksi askeleeksi 0,064 mV, mikä on jo paljon pienempi kuin jännitemittauksen resoluutio. Pienimmällä sallitulla lähdön kuormaresistanssilla ja jatkuvalla ohjauksella läh-15 töjännitteen muutosnopeus on enintään 5 V/ms * (200 Ω/233 Ω) = 4,29 V/ms.

Esillä olevaa keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa yllä esitettyihin komponentteihin, komponenttiarvoihin tai piiriratkaisuihin, vaan on selvää, että komponenttiarvoja, komponentteja ja piiriratkaisuja muuttamalla voidaan muuttaa laitteen ominaisuuksia poikkeamatta esillä olevan keksinnön perusperiaat-20 teista.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa kuvion 1 moduuli 20 on toteutettu pienenä piirilevymoduulina, joka voi sisältää halutun määrän analogisia signaalilähtöjä. Moduulin piirilevy 20 on varustettu sopivalla liittimellä, jolla moduulipiirilevy 20 voidaan sijoittaa emolevyllä olevaan vastaavaan liittimeen. 25 Edullisesti emolevy sisältää myös moduulin 30 toiminnot. Emolevy voi olla esimerkiksi taajuusmuuttajan sisältävä piirilevy. Tällä rakenteella saavutetaan monia etuja perinteisiin ratkaisuihin nähden, joissa analogiset signaalilähdöt on tyypillisesti sijoitettu osaksi esimerkiksi taajuusmuuttajakorttia, joka usein sijaitsee lähellä taajuusmuuttajan tehoastetta tai joka jopa on rakennettu sen osak-30 si. Tästä on syntynyt lukuisia haittoja. Taajuusmuuttajakortti, kuten moottorin-säätökortti, on sen monimutkaisuuden takia yleensä vähintään kuusikerroksinen, jolloin yksinkertaisten l/O-funktioiden sijoittaminen emokortille merkitsee kalliin pinta-alan haaskaamista. Jos analoginen lähtö tehtäisiin käytön asennusvaiheessa suoraan emokortille, olisi asennuksessa käytettävien mekaanis-35 ten voimien aiheuttaman taivutuksen takia vaarana, että emokortilla olevat lukuisat ja osin suurikokoiset pintaliitoskomponentit vahingoittuvat, mikä paljas- 13 tuu vasta käyttöönottovaiheessa. Huolto on kallista ja saattaa aiheuttaa myöhästymisiä. Kaikille l/O-kaapeleille on varattava luonnollinen kulkureitti, mikä usein on erittäin vaikeaa taajuusmuuttajakortin tai moottorinsäätökortin ahtaan sijoituspaikan takia ja johtaa ratkaisuihin, joissa huoltotoimenpiteet vaikeutuvat 5 oleellisesti eikä saavutettava sähkömagneettisen häiriön (EMC) tasokaan ole riittävä. Lisäksi on usein edullista sijoittaa kaapelointi-, kytkentä- ja huoltomie-lessä usean käyttöryhmän l/O-liitännät kootusti yhteen ainoaan paikkaan, täysin erilleen moottorin säädöstä, mutta sitä ei voida tehdä, koska l/O-funktiot on sijoitettu suoraan emokortille. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen 10 moduulikortin 20 avulla, joka sijoitetaan liittimellä emokortille, voidaan välttää edellä mainittuja tekniikan tason ongelmia ja saavuttaa edellä kuvattuja haluttuja etuja.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-15 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (15)

1. Laite, erityisesti mitta- tai ohjaussignaalilähetin, analogisen virta-tai jännitesignaalin tuottamiseksi, joka laite käsittää ensimmäiset välineet analogisen virta- tai jännitelähtösignaalin syn-5 nyttämiseksi vasteena digitaaliselle ohjaussignaalille, tunnettu siitä, että laite lisäksi käsittää toiset välineet analogisen lähtösignaalin todellisen virta- tai jännite-arvon mittaamiseksi ja digitoimiseksi, kolmannet välineet mainitun digitoidun todellisen virta- tai jännitear- 10 von ja analogisen lähtösignaalin halutun virta- tai jännitearvon arvon välisen eron määrittämiseksi ja ensimmäisten välineiden ohjaamiseksi digitaalisen ohjaussignaalin avulla siten, että mainittu ero pienenee.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite käsittää galvaanisen erotuksen analogisen lähdön ja kolmansien välineiden 15 välillä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut toiset välineet käsittävät analogia-digitaalimuuntimen.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut toiset välineet käsittävät integroidun analogia-digitaalimuunnin- 20 piirin, jossa on integroituna galvaaninen erotus sisääntulon ja lähdön välillä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut toiset välineet käsittävät sigma-delta-modulaattorin.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite lisäksi käsittää digitaaliset välineet sigma-delta modulaattorin tuottaman digi- 25 toidun 1-bittisen signaalin suodattamiseksi ja desimoimiseksi, niin että saadaan monibittinen, digitoitu, todellinen virta- tai jännitearvo mainittuja kolmansia välineitä varten.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäiset välineet käsittävät analogisen integraattoriasteen 30 ja puskuriasteen sekä viidennet välineet tasajännitteen syöttämiseksi integraat-toriasteelle mainitun digitaalisen ohjaussignaalin mukaan, jolloin mainittu integraation on sovitettu integroimaan mainitun tasajännitteen ja syöttämään integroidun jännitteen puskuriasteen kautta laitteen lähtöön muodostamaan mainittu analoginen lähtösignaali.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut viidennet välineet käsittävät analogiakytkimen, joka on sovitettu ohjat- tavaksi galvaanisen erotuksen kautta mainitulla digitaalisella ohjaussignaalilla, ainakin yhden tasajännitteen kytkemiseksi integraattoriasteelle.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että analogiakytkimelle on kytketty galvaanisen erotuksen kautta suuntasignaali, 5 jolla on ensimmäinen ja toinen tila, ja että mainittu analogiakytkin on sovitettu kytkemään integraattoriasteelle ensimmäinen tasajännite mainitun digitaalisen ohjaussignaalin mukaan, kun mainittu suuntasignaali on ensimmäisessä tilassa, ja kytkemään integraattoriasteelle toinen, napaisuudeltaan vastakkainen tasajännite mainitun digitaalisen ohjaussignaalin mukaan, kun mainittu suunta- 10 signaali on toisessa tilassa.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu digitaalinen ohjaussignaali on ohjauspulssi.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen laite, tunnettu siitä, että ensimmäisten välineiden galvaaninen erotus on toteutettu integroi- 15 dulla DC-DC-muuttajalla.

12. Sähkömoottorikäyttölaitteisto, joka käsittää ainakin yhden patenttivaatimuksen 1-11 mukaisen laitteen.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen laitteisto, jossa mainitut kolmannet välineet käsittävät sähkömoottorikäytön ohjausprosessorin tai -logii- 20 kan.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen laitteisto, jossa mainitut ensimmäiset ja toiset välineet on sijoitettu erilliselle piirikortille, joka asennetaan moottorikäytön pääpiirikortilla olevaan korttiliittimeen, ja että mainitut kolmannet välineet on sijoitettu pääpiirikortille.

15. Patenttivaatimuksen 12, 13 tai 14 mukainen laitteisto, jossa on ensimmäisten ja toisten välineiden analogiaosien virtalähde on galvaanisesti erotettu sähkömoottorikäytön muista käyttöjännitteistä.