NL1038228C2

NL1038228C2 - METHOD AND APPARATUS FOR SUPPRESSION OF INTERFERENCE SIGNALS SUPPRESSED ON A PERIODIC CONTROL SIGNAL.

Info

Publication number: NL1038228C2
Application number: NL1038228A
Authority: NL
Inventors: Harm Lok
Original assignee: Harm Lok
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-12
Also published as: EP2614587A1; WO2012033406A1

Description

Werkwijze en inrichting voor het onderdrukken van stoorsignalen gesuperponeerd op een periodiek stuursignaalMethod and device for suppressing interference signals superimposed on a periodic control signal

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het 5 onderdrukken van periodieke stoorsignalen gesuperponeerd op een periodiek stuursignaal.The invention relates to a method for suppressing periodic interference signals superimposed on a periodic control signal.

Periodieke stoorsignalen treden veelvuldig op, bijvoorbeeld bij stuursignalen voor een elektromotor. Het kan hier 10 glitches betreffen, hoge spanningspieken die relatief veel energie bevatten en die een risico vormen voor de elektromotor en voor een aandrijving die de stuursignalen levert, maar ook uitslingerverschijnselen tengevolge van parasitaire zelfinducties en gedistributeerde capaciteiten 15 in de elektromotor, in de bedrading of in schakelelementen die deel uitmaken van de aandrijving. Volgens de stand der techniek worden deze stoorsignalen bestreden met behulp van snubber netwerken en zenerdiodes, wat tot goede resultaten kan leiden maar wat onvermijdelijk aanleiding geeft tot 20 energieverlies.Periodic interference signals occur frequently, for example with control signals for an electric motor. This may concern 10 glitches, high voltage peaks that contain a relatively large amount of energy and that constitute a risk for the electric motor and for a drive that supplies the control signals, but also lags due to parasitic self-inductions and distributed capacities in the electric motor, in the wiring or in switching elements that form part of the drive. According to the state of the art, these interference signals are combated with the aid of snubber networks and zener diodes, which can lead to good results but which inevitably leads to energy loss.

De werkwijze volgens de uitvinding komt aan dit bezwaar tegemoet en heeft als kenmerk, dat het stuursignaal met de daarop gesuperponeerde stoorsignalen wordt gemeten en dat 25 van het verkregen meetsignaal tenminste een schakelsignaal wordt afgeleid voor het in- en uitschakelen van tenminste een capacitieve belasting voor het stuursignaal, zodanig dat de stoorsignalen althans na-genoeg volledig worden onderdrukt. Meer in het bijzonder wordt de energie aanwezig 30 in de stoorsignalen naar tenminste een condensator geleid, zodat deze energie kan worden hergebruikt.The method according to the invention obviates this drawback and is characterized in that the control signal with the interference signals superimposed thereon is measured and that at least one switching signal is derived from the obtained measuring signal for switching on and off at least one capacitive load for the control signal, such that the interference signals are at least virtually completely suppressed. More in particular, the energy present in the interference signals is conducted to at least one capacitor, so that this energy can be reused.

Een gunstige realisatie van de inventieve werkwijze waarmee positieve en negatieve stoorsignalen kunnen worden 35 onderdrukt heeft als kenmerk, dat tenminste twee schakelsignalen worden afgeleid van het meetsignaal voor 1 03 8228 2 het in- en uitschakelen van een capacitieve belasting, tenminste een voor positieve stoorsignalen en tenminste een voor negatieve stoorsignalen.A favorable realization of the inventive method with which positive and negative interference signals can be suppressed is characterized in that at least two switching signals are derived from the measurement signal for switching on and off a capacitive load, at least one for positive interference signals and at least one for negative interference signals.

5 Een verdere zeer gunstige realisatie van de inventieve werkwijze heeft als kenmerk, dat energie aanwezig in de capacitieve belasting wordt teruggevoerd naar een stroombron, zoals een accu.A further very favorable realization of the inventive method has the feature that energy present in the capacitive load is fed back to a power source, such as a battery.

10 De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het onderdrukken van periodieke stoorsignalen, gesuperponeerd op een periodiek stuursignaal. Te denken valt hierbij bijvoorbeeld aan een motorsturing in de vorm van een H-brug met mosfets, waarbij glitches en 15 uitslingerverschijnselen aan de stuuringangen van de mosfets en aan de motor-aansluitingen effectief kunnen worden onderdrukt. Daarbij is het voornaamste doel het rendement van de motorsturing te vergroten, wat vooral van belang is als de motorsturing uit een accu wordt gevoed.The invention also relates to a device for suppressing periodic interference signals superimposed on a periodic control signal. For example, a motor control in the form of an H-bridge with mosfets, whereby glitches and lashing phenomena at the control inputs of the mosfets and at the motor connections can be effectively suppressed. The main objective here is to increase the efficiency of the motor control, which is especially important if the motor control is powered by a battery.

20 Een belangrijk bijkomend voordeel is dat componenten van de motorsturing, zoals de mosfets, beduidend minder warmte zullen ontwikkelen, wat tot een compacte bouwwijze kan leiden en de levensduur belangrijk kan vergroten. Een verder belangrijk bijkomend voordeel is dat het elektro-25 magnetische stoorniveau van de motorsturing doorgaans belangrijk wordt verlaagd.An important additional advantage is that components of the motor control, such as the mosfets, will generate significantly less heat, which can lead to a compact design and significantly increase the service life. A further important additional advantage is that the electromagnetic interference level of the motor control is generally significantly reduced.

De inventieve inrichting heeft daartoe als kenmerk dat ze een meetorgaan omvat voor het meten van het stuursignaal 30 met de daarop gesuperponeerde stoorsignalen, alsmede een processor voor het uit het meetsignaal afleiden van tenminste een schakelsignaal, alsmede tenminste een schakelorgaan voor het in- en uitschakelen van een capacitieve belasting voor het stuursignaal, zodanig dat de stoorsignalen althans 35 nagenoeg volledig worden onderdrukt en de in de stoorsignalen aanwezige energie althans nagenoeg volledig naar i 3 de capacitieve belasting wordt gevoerd.To that end, the inventive device is characterized in that it comprises a measuring device for measuring the control signal 30 with the interference signals superimposed thereon, as well as a processor for deriving at least one switching signal from the measuring signal, and at least one switching device for switching on and off a capacitive load for the control signal, such that the interference signals are at least almost completely suppressed and the energy present in the interference signals is supplied at least almost completely to the capacitive load.

Een zeer gunstige uitvoeringsvorm van de inventieve inrichting heeft als kenmerk, dat de processor is ingericht 5 voor het uit het meetsignaal afleiden van tenminste twee schakelsignalen, voor het bedienen van een eerste en een tweede paar schakelaars, voor het in- en uitschakelen van de capacitieve belasting voor positieve stoorsignalen respectievelijk negatieve stoorsignalen.A very favorable embodiment of the inventive device is characterized in that the processor is adapted to derive at least two switching signals from the measuring signal, to operate a first and a second pair of switches, to switch the capacitive on and off load for positive interference signals or negative interference signals.

1010

Een verdere zeer gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat de inrichting tevens tenminste een omvormer omvat, voor het terugvoeren van in de capacitieve belasting verzamelde energie naar een stroombron voor het 15 stuursignaal.A further very favorable embodiment is characterized in that the device also comprises at least one inverter for returning energy collected in the capacitive load to a current source for the control signal.

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat het meetorgaan een analoog/digitaalomzetter omvat, zodat de verdere verwerking van de gemeten signalen geheel digitaal 20 kan plaatsvinden. Bij voorkeur wordt hiervoor een in het vakgebied bekende flash analoog/digitaalomzetter gebruikt, zodat de processor een schakelsignaal kan afgeven zodra de gemeten spanning boven een eerste drempelwaarde uitkomt of tot onder een tweede drempelwaarde zakt.A further favorable embodiment is characterized in that the measuring device comprises an analog / digital converter, so that the further processing of the measured signals can take place entirely digitally. Preferably, a flash analog / digital converter known in the art is used for this purpose, so that the processor can provide a switching signal as soon as the measured voltage exceeds a first threshold value or falls below a second threshold value.

2525

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat een schakelaar tenminste een mosfet omvat.A further favorable embodiment is characterized in that a switch comprises at least one mosfet.

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat 30 de tenminste een omvormer is ingericht voor het aan een zelfinductie toevoeren van in de capacitieve belasting verzamelde energie en voor het vervolgens aan de stroombron toevoeren van in de zelfinductie opgeslagen energie.A further favorable embodiment is characterized in that the at least one inverter is adapted for supplying energy collected in the capacitive load to a self-induction and for subsequently supplying energy stored in the self-induction to the current source.

35 De uitvinding heeft tevens betrekking op een motorsturing, voorzien van tenminste een inrichting zoals die in de 4 voorgaande paragrafen is omschreven.The invention also relates to a motor control, provided with at least one device as described in the 4 preceding paragraphs.

De uitvinding zal nu verder uiteen worden gezet aan de hand van de volgende figuren, waarbij: 5The invention will now be further explained with reference to the following figures, in which:

Fig. 1 schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een motorsturing volgens de stand der techniek weergeeft;FIG. 1 schematically represents a possible embodiment of a motor control according to the prior art;

Fig. 2 een mogelijke uitvoeringsvorm van een motor-10 sturing volgens de uitvinding weergeeft;FIG. 2 represents a possible embodiment of a motor control according to the invention;

Fig. 3Δ schematisch een stuursignaal met glitches weergeeft, samen met schakelpieken voor de positieve glitches en de negatieve glitches;FIG. 3Δ schematically represents a control signal with glitches, together with switching peaks for the positive glitches and the negative glitches;

Fig. 3B een stuursignaal met uitslingerverschijnselen 15 weergeeft, samen met schakelpieken voor positief- gaande en negatief gaande uitslingeringen op het stuursignaal;FIG. 3B represents a control signal with oscillation phenomena 15, together with switching peaks for positive-going and negative-going oscillations on the control signal;

Fig. 4A schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een schakelgroep weergeeft voor het onderdrukken van 20 positieve en negatieve stoorsignalen op een gate van een mosfet;FIG. 4A schematically represents a possible embodiment of a switching group for suppressing positive and negative interference signals on a gate of a mosfet;

Fig. 4B schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een omvormer weergeeft voor het terugvoeren van energie naar de stroombron.FIG. 4B schematically represents a possible embodiment of an inverter for returning energy to the power source.

2525

Fig. 1 geeft schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een motorsturing volgens de stand der techniek weer, bestaande uit een H-brug met mosfets la,.., ld die worden gestuurd uit een motorsturing 2 met als doel een relatief 30 zware elektromotor 3 die de aandrijving verzorgt voor bijvoorbeeld een boot of voertuig met een regelbaar toerental te doen draaien. Op de stuursignalen van motorsturing 2 zijn vrijwel onvermijdelijk stoorsignalen gesuperponeerd in de vorm van glitches en/of uitslinger-35 verschijnselen. Om deze stoorsignalen te onderdrukken zijn in de verbindingsdraden weerstanden en zenerdiodes 5 opgenomen en zijn de gates beschermd met additionele zenerdiodes. Deze maatregelen zijn effectief, maar ze dissiperen energie, waardoor de motorsturing veel warmte ontwikkelt en er met de lading van een accu, die doorgaans 5 de stroombron vormt, minder lang gevaren of gereden kan worden.FIG. 1 schematically shows a possible embodiment of a motor control according to the prior art, consisting of an H-bridge with mosfets 1a, .., 1d which are controlled from a motor control 2 with the aim of a relatively heavy electric motor 3 which provides the drive for example, to run a boat or vehicle with an adjustable speed. On the control signals from motor control 2, interference signals are almost inevitably superimposed in the form of glitches and / or lurching phenomena. To suppress these interference signals, resistors and zener diodes are included in the connecting wires and the gates are protected with additional zener diodes. These measures are effective, but they dissipate energy, as a result of which the motor control generates a great deal of heat and it is less possible to sail or drive with the charge of a battery, which usually forms the power source.

Fig. 2 geeft een mogelijke uitvoeringsvorm van een motorsturing volgens de uitvinding weer, bestaande uit een 10 H-brug met mosfets la,..,ld die worden gestuurd uit een motorsturing 2 met als doel een relatief zware elektromotor 3, die de aandrijving verzorgt voor bijvoorbeeld een boot of voertuig, met een regelbaar toerental te doen draaien.FIG. 2 shows a possible embodiment of a motor control according to the invention, consisting of an H-bridge with mosfets 1a, .., 1d which are controlled from a motor control 2 with the aim of a relatively heavy electric motor 3, which provides the drive for, for example, to run a boat or vehicle at an adjustable speed.

Op de stuursignalen van motorsturing 2 zijn stoorsignalen 15 gesuperponeerd in de vorm van glitches en/of uitslinger-verschijnselen. Deze stoorsignalen worden toegevoerd aan een meeteenheid 4 die een analoog-digitaalomzetter 5 bevat, voorzien van een analoge multiplexer zodat hij de stuursignalen voor de gates van mosfets la,..,ld 20 beurtelings kan meten. Meeteenheid 4 bevat verder een processor 6 die van het uitgangssignaal van analoog-digitaalomzetter 5 schakelsignalen afleidt op die momenten waarop glitches of uitslingerverschijnselen worden waargenomen. Deze schakelsignalen worden toegevoerd aan een 25 schakeleenheid 7 die een aantal schakelgroepen 8 bevat, alsmede een condensator 9 met een + en een - aansluiting, waarin aan de glitches of uitslingerverschijnselen onttrokken energie tijdelijk wordt opgeslagen. Deze energie wordt vervolgens door een omvormer 10 zodanig omgevormd dat 30 hij kan worden teruggevoerd naar de stroombron.On the control signals of motor control 2, interference signals 15 have been superimposed in the form of glitches and / or lashing phenomena. These interference signals are applied to a measuring unit 4 comprising an analog-to-digital converter 5 provided with an analog multiplexer so that it can alternately measure the control signals for the gates of mosfets 1a, .., 1d. Measuring unit 4 further comprises a processor 6 which derives switching signals from the output signal of analog-to-digital converter 5 at those moments when glitches or lags are observed. These switching signals are applied to a switching unit 7 which comprises a number of switching groups 8, as well as a capacitor 9 with a + and a - connection, in which energy extracted from the glitches or lags is temporarily stored. This energy is then transformed by an inverter 10 so that it can be fed back to the power source.

Fig. 3A geeft schematisch een blokvormig stuursignaal met glitches op een mosfet gate weer. Daaronder zijn door processor 6 gegenereerde schakelpieken A zichtbaar, tijdens 35 welke van condensator 9 de + aansluiting met de gate wordt verbonden en de - aansluiting met de + pool van de 6 stroombron, waardoor condensator 9 wordt opgeladen. Daaronder zijn door processor 6 gegenereerde schakelpieken B zichtbaar, tijdens welke van condensator 9 de -aansluiting met de gate wordt verbonden en de + aansluiting 5 met de - pool van de stroombron, waardoor condensator 9 opnieuw wordt opgeladen.FIG. 3A schematically represents a block-shaped control signal with glitches on a mosfet gate. Below this, switching peaks A generated by processor 6 are visible, during which of the capacitor 9 the + terminal is connected to the gate and the - terminal to the + pole of the 6 current source, whereby capacitor 9 is charged. Below this, switching peaks B generated by processor 6 are visible, during which the terminal of the capacitor 9 is connected to the gate and the + terminal 5 to the - pole of the current source, as a result of which the capacitor 9 is recharged.

Fig. 3B geeft een stuursignaal met uitslingerverschijnselen op een mosfet gate weer. Daaronder zijn door processor 6 10 gegenereerde schakelpieken C zichtbaar, tijdens welke van condensator 9 de + aansluiting met de gate wordt verbonden en de - aansluiting met de + pool van de stroombron, waardoor condensator 9 wordt opgeladen. Daaronder zijn door processor 6 gegenereerde schakelpieken D zichtbaar, tijdens 15 welke van condensator 9 de - aansluiting met de gate wordt verbonden en de + aansluiting met de + pool van de stroombron, waardoor condensator 9 opnieuw wordt opgeladen. Daaronder zijn door processor 6 gegenereerde schakelpieken E zichtbaar, tijdens welke van condensator 9 de -20 aansluiting met de gate wordt verbonden en de + aansluiting met de - pool van de stroombron, waardoor condensator 9 opnieuw wordt opgeladen. Daaronder zijn door processor 6 gegenereerde schakelpieken F zichtbaar, tijdens welke van condensator 9 de + aansluiting met de gate wordt verbonden 25 en de - aansluiting met de - pool van de stroombron, waardoor condensator 9 opnieuw wordt opgeladen.FIG. 3B represents a control signal with littering phenomena on a mosfet gate. Below this, switching peaks C generated by processor 6 are visible, during which of the capacitor 9 the + terminal is connected to the gate and the - terminal to the + pole of the current source, as a result of which capacitor 9 is charged. Below this, switching peaks D generated by processor 6 are visible, during which the connection of the capacitor 9 is connected to the gate and the + connection to the + pole of the current source, as a result of which the capacitor 9 is recharged. Below that, switching peaks E generated by processor 6 are visible, during which the capacitor 9 of the capacitor 9 is connected to the gate and the + terminal to the - pole of the current source, whereby capacitor 9 is recharged. Below that, switching peaks F generated by processor 6 are visible, during which of the capacitor 9 the + terminal is connected to the gate and the - terminal to the - pole of the current source, as a result of which capacitor 9 is recharged.

Fig. 4Ά geeft schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een schakelgroep 8 weer voor het onderdrukken van positieve 30 en negatieve stoorsignalen op een gate van een mosfet 1.FIG. 4Ά schematically shows a possible embodiment of a switching group 8 for suppressing positive and negative interference signals on a gate of a mosfet 1.

Bij een positief stoorsignaal wordt met behulp van een schakellijn 11 de + aansluiting van condensator 9 via een mosfet 12 verbonden met de gate van mosfet 1, terwijl de -aansluiting met behulp van schakellijn 11 via een mosfet 13 35 wordt verbonden met de + aansluiting van de stroombron. Bij een negatief stoorsignaal wordt met behulp van een 7 schakellijn 14 de - aansluiting van condensator 9 via een mosfet 15 verbonden met de gate van mosfet 1, terwijl de + aansluiting via een mosfet 16 wordt verbonden met de + aansluiting van de stroombron. Duidelijk is dat voor een 5 volledige H-brug tenminste vier van deze schakelgroepen vereist zijn. De schakelgroepen kunnen desgewenst in een in het vakgebied bekende mosfet gate array worden ondergebracht.In the event of a positive interference signal, the + connection of capacitor 9 is connected via a mosfet 12 to the gate of mosfet 1 via a switching line 11, while the connection is connected via a switching line 11 via a mosfet 13 to the + connection of the power source. In the event of a negative interference signal, the connection of capacitor 9 is connected via a mosfet 15 to the gate of mosfet 1 via a 7 switching line 14, while the + connection is connected via a mosfet 16 to the + connection of the power source. It is clear that for a full H-bridge at least four of these switching groups are required. The switching groups can, if desired, be accommodated in a mosfet gate array known in the art.

10 Voor een motorsturing die met een herhalingsfrequentie van bijvoorbeeld 15 kilohertz werkt en bijvoorbeeld 50 ampere kan leveren uit een accu van 24 volt zullen de stoor-signalen doorgaans zoveel energie bevatten dat condensator 9 tenminste een waarde van 10 farad dient te hebben. De 15 specificaties van de mosfets die deel uitmaken van de schakelgroep dienen natuurlijk hierop afgestemd te zijn.For a motor control that operates with a repetition frequency of, for example, 15 kilohertz and can supply, for example, 50 amps from a 24-volt battery, the interference signals will generally contain so much energy that capacitor 9 must have at least a value of 10 farad. The 15 specifications of the mosfets that are part of the switch group must of course be tailored to this.

Fig. 4B geeft schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een omvormer weer voor het terugvoeren van energie naar de 20 stroombron. Condensator 9 is via een mosfet 17 verbonden met de + pool van de stroombron en via een verder mosfet 18 met een spoel 19 die is verbonden met de + pool van de stroombron. Als geen van de schakelgroepen actief is dan worden mosfets 17,18 aangestuurd, zodat een lading van 25 condensator 9 kan wegvloeien en een stroom in spoel 19 kan opbouwen. Als een schakelgroep actief wordt, dan worden mosfets 17,18 niet langer aangestuurd en wordt de in spoel 19 aanwezige energie terug geleverd aan de stroombron via een diode 20.FIG. 4B schematically shows a possible embodiment of an inverter for returning energy to the power source. Capacitor 9 is connected via a mosfet 17 to the + pole of the current source and via a further mosfet 18 with a coil 19 which is connected to the + pole of the current source. If none of the switching groups is active, mosfets 17, 18 are driven, so that a charge of capacitor 9 can flow away and a current can build up in coil 19. When a switching group becomes active, mosfets 17,18 are no longer driven and the energy present in coil 19 is supplied back to the current source via a diode 20.

3030

In het hiervoor beschreven voorbeeld is de inventieve inrichting toegepast voor het onderdrukken van storing gesuperponeerd op de gate signalen van vier mosfets die deel uitmaken van een H-brug en voor het hergebruiken van 35 de energie aanwezig in deze stoorsignalen. Op dezelfde wijze kunnen natuurlijk ook de gate signalen van andere 8 typen motorsturingen en de feitelijke stuursignalen voor elektromotor 3 worden gefilterd.In the above-described example, the inventive device is used for suppressing interference superimposed on the gate signals of four mosfets that are part of an H-bridge and for reusing the energy present in these interference signals. In the same way, of course, the gate signals of other 8 types of motor controllers and the actual control signals for electric motor 3 can also be filtered.

1 03 8 2281 03 8 228

Claims

Method for suppressing periodic interference signals superimposed on a periodic control signal, characterized in that the control signal with the interference signals superimposed thereon is measured and that at least one switching signal is derived from the obtained measuring signal for switching on and off at least one capacitive load for the control signal, such that the interference signals are at least substantially completely suppressed.

2. Method as claimed in claim 1, characterized in that at least two switching signals are derived from the measuring signal for switching a capacitive load on and off, at least one for positive interference signals and at least one for negative interference signals.

3. Method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that energy present in the capacitive load is fed back to a power source, such as a battery.

4. Device for suppressing periodic interference signals superimposed on a periodic control signal, characterized in that the device comprises a measuring device for measuring the control signal with the interference signals superimposed thereon, and a processor for deriving at least from the measuring signal a switching signal, as well as at least one switching member for switching on and off a capacitive load for the control signal, such that the interference signals are at least substantially completely suppressed.

5. Device as claimed in claim 4, characterized in that the processor is adapted to derive at least two switching signals from the measuring signal, for operating a first and a second pair of switches, for switching on and off. switching off the capacitive load for positive interference signals or negative interference signals respectively. 5

6. Device as claimed in claim 5, characterized in that the device also comprises at least one inverter for returning energy collected in the capacitive load to a current source for the control signal.

Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the measuring device comprises an analog-to-digital converter. 15 8 ·. Device as claimed in any of the claims 4 to 7, characterized in that a switching member comprises at least one mosfet.

9. Device as claimed in claim 6, characterized in that the at least one inverter is adapted for supplying energy collected in the capacitive load to a self-induction and for subsequently supplying energy stored in the self-induction to the power source.

10. Motor control provided with at least one device as claimed in any of the claims 4 to 9. 1 03 8228