WO2013092130A2 - Steuerung für einen wandler, wandler und steuerungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Eine Steuerung (18) für einen Wandler (14) ist dazu vorbereitet, von einer Messvorrichtung (34) Messsignale (SM) von einer Ausgangsleitung (35) des Wandlers (14) zu empfangen und die Messsignale (SM) auszuwerten, um ein Schaltsignal (SS) zu erzeugen, das eine Schaltfrequenz (fSW) aufweist, wobei die Steuerung (18) einen Abtaster (36) zum Erzeugen (120) eines Abtastsignals (SSAMPLE) mittels eines Abtastens (120) empfangener Messsignale (SM) umfasst. Der Abtaster (36) ist dazu vorbereitet, das Abtasten (120) mit einer Abtastfrequenz (fSAMPLE) durchzuführen, die unterhalb dem Dreifachen der Schaltfrequenz (fSW) liegt. Ein Wandler (14) umfasst eine erfindungsgemäße Steuerung (18).

Description

Steuerung für einen Wandler, Wandler und Steuerungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Wandler, wobei die Steuerung dazu vorbereitet ist, von einer Messvorrichtung Messsignale einer Ausgangsleitung des Wandlers zu empfangen und die Messsignale auszuwerten, um ein Schaltsignal zu erzeugen, das eine Schaltfrequenz aufweist, wobei die Steuerung einen Abtaster zum Erzeugen eines Abtastsignals mittels eines Abtastens empfangener Messsignale umfasst. Wenn der Wandler ein Mehrphasenumrichter ist, ist die Ausgangsleitung typischerweise eine Phasenleitung, deren Ausgangsstrom zu einem gesamten Laststrom beiträgt, der sich mittels Aufsummieren der Ströme mehrerer Phasenleitungen ergibt. Die Schaltfrequenz ist typischerweise eine Grundfrequenz (vorzugsweise die niedrigste Grundfrequenz) des Schaltzyklus der Schalter des Wandlers.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Wandler.
Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Steuerungsverfahren zum Betrieb eines Wandlers, wobei das Steuerungsverfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen von Messsignalen unter Berücksichtigung eines elektrischen Zustands einer Ausgangsleitung; Erzeugen eines Abtastsignals mittels eines Abtastens der empfangenen Messsignale mit einer Abtastfrequenz; Auswerten des Abtastsignals; und Erzeugen eines Schaltsignals mit einer Schaltfrequenz.
Die DE 10 2009 027 307 A1 beschreibt einen Vielphasen-DC/DC-Wandler. Für jede Phase ist ein eigener Stromsensor vorgesehen, der Stromwerte an ein Wandler-Steuerglied liefert. Das Stromsteuerglied erzeugt unter Berücksichtigung eines Referenzstromes und empfangener Stromwerte Gate-Treibersignale zum Schalten der Phasen. Eine alternative Anordnung sieht vor, dass nur ein Stromsensor vorgesehen ist, der den gesamten Laststrom misst und somit ein Strominformationssignal für den Laststrom erzeugt, der sich aus dem aufsummierten Laststrom einer Vielzahl von Phasen ergibt.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Steuerung für einen Wandler bereitzustellen, die kostengünstiger herstellbar ist als die bekannte Steuerung. Darüberhinaus ist es eine Aufgabe, einen Wandler und ein Steuerungsverfahren bereitzustellen, dessen Betrieb mit einer kostengünstig herstellbaren Steuerung durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird mit den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist die bekannte Steuerung dadurch weitergebildet, dass der Abtaster dazu vorbereitet ist, das Abtasten mit einer Abtastfrequenz durchzuführen, die unterhalb dem Dreifachen der Schaltfrequenz liegt. Hierdurch wird für die nachfolgende Signalauswertung eine exemplarische Periode aus Messwerten mehrerer (direkt oder mittelbar aufeinanderfolgender) Perioden zusammengesetzt. Durch die Unterabtastung ist die obere Grenzfrequenz und Bandbreite des Signals, das nach der Abtastung auszuwerten ist, kleiner als bei der bekannten Steuerung. Infolge der Unterabtastung und der kleineren Bandbreite sind Geschwindigkeitsanforderungen an die Auswertung der abgetasteten Signals geringer, und die Steuerung ist kostengünstiger herstellbar. Die Abtastfrequenz kann eine mittlere Abtastfrequenz sein. Sie kann dann definiert sein als das Inverse eines Mittelwerts der Zeitabstände aufeinanderfolgender zeitlich direkt benachbarter Triggersignale zum Öffnen des Tors des Abtasters zwecks Festlegung von Entnahmezeitpunkten für Messwerte aus dem Messsignal.
Der Abtaster kann dazu vorbereitet sein, das Abtasten bei einer Schaltfrequenz mit einer mittleren Abtastfrequenz durchzuführen, wobei weder der Quotient aus der mittleren Abtastfrequenz geteilt durch die Schaltfrequenz eine ganze Zahl ist noch der Quotient aus der Schaltfrequenz geteilt durch die mittlere Abtastfrequenz eine ganze Zahl ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird erreicht, dass mittels des Abtastens von mehreren Perioden eines periodischen Signalverlaufs mehrere Stützpunkte erfasst werden und dadurch das hochfrequente Signal mit einem Zeitmaßstab, der dem Verhältnis zwischen der Schaltfrequenz und der Differenz zwischen Schaltfrequenz und Abtastfrequenz entspricht, in ein niederfrequentes Signal abgebildet werden kann. Wenn die Abtastfrequenz höher ist als die Abtastfrequenz, ist die Differenz und somit der Zeitmaßstab negativ. Dies bedeutet, dass die Abbildung des hochfrequenten Signals dann zeitlich gespiegelt erfolgt. Die zeitliche Spiegelung kann bei der Auswertung des niederfrequenten Signals mittels Vertauschen von Stützwerten wieder rückgängig gemacht werden.
Der Schaltsignalerzeuger kann dazu vorbereitet sein, das Schaltsignal mit einer Schaltfrequenz zu erzeugen, die mindestens um den Faktor n größer ist als die Abtastfrequenz, wobei n gleich 5/6, 21/20, 11/10 , 6/5, 2, 4, 8, 16, 32, 64 oder eine andere Zweierpotenz ist. Durch Auswahl des Faktors n wird bestimmt, wie schnell und genau das Originalsignal nachgebildet werden kann. Der Faktor bestimmt auch, wie leistungsfähig die Steuerung sein muss. Zum Verständnis sei angemerkt, dass eine Abtastfrequenz, die mehr als doppelt so hoch ist wie die Schaltfrequenz in der Regel noch lange nicht das Nyquist-Kriterium erfüllt. Denn das Lastsignal enthält in der Regel nicht nur die Grundfrequenz des Schaltvorgangs sondern deutlich höhere Frequenzanteile, deren Informationsgehalt bis zum nachfolgenden Auswer- ten erhalten bleiben sollte. Dies ermöglicht beispielsweise, im auszuwertenden Signal relative Längen der Flanken und der Totzeit zu erkennen und auszuwerten.
Der Abtaster kann dazu vorbereitet sein, das Abtasten mit aufeinanderfolgenden Triggersignalen durchzuführen, wobei eine Verteilungsdichtefunktion für zeitliche Abstände aufeinanderfolgender zeitlich direkt benachbarter Triggersignale einen einzigen oder mehrere Diracstöße und/oder eine kontinuierliche Verteilungsdichtefunktion umfasst. Mittels Abtasten mit unterschiedlichen Zeitabständen zwischen zeitlich direkt benachbarten Triggersignalen (Torsignalen) kann ein Störspektrum der Steuerung verbessert werden,
Die Steuerung kann dazu vorbereitet sein, aus dem Abtastsignal mindestens eine erste Art von statistischen Werten zu ermitteln. Durch Reduktion der Messdaten auf wenige aussagefähige, aggregierte Werte sind nachfolgende Auswertungsschritte und die Erzeugung des Schaltsignals übersichtlich und kostengünstig realisierbar.
Die mindestens eine erste Art von statistischen Werten kann Maximalwerte, Minimalwerte, Effektivwerte, arithmetische Mittelwerte und/oder Medianwerte umfassen.
Die Steuerung kann mindestens einen ersten Vergleicher umfassen, um einen ersten Sollwert mit einem ersten Istwert zu vergleichen, der aus dem Abtastsignal ermittelbar ist, und um aus dem Ergebnis des Vergleichs eine erste Stellgröße zu ermitteln. Beispielsweise können der erste Sollwert und der erste Istwert ein Ausgangsstrom, eine Ausgangsspannung oder ein Spektralmerkmal einer oder mehrerer dieser Größen sein.
Die Steuerung kann mindestens einen zweiten Vergleicher umfassen, um einen zweiten Sollwert mit einem zweiten Istwert zu vergleichen, der aus dem Abtastsignal ermittelbar ist, und um aus dem Ergebnis des Vergleichs eine zweite Stellgröße zu ermitteln. Auch der zweite Sollwert und der zweite Istwert können beispielsweise ein Ausgangsstrom, eine Ausgangsspannung oder ein Spektralmerkmal dieser Größen sein.
Das Auswerten der Abtastsignale kann hinsichtlich eines Ausgangsstroms, einer Ausgangsspannung und/oder eines Spektralmerkmals einer oder mehrerer dieser Größen auf der Ausgangsleitung erfolgen.
Die Steuerung kann dazu vorbereitet sein, einen minimalen Ausgangsstrom für eine abfallende Flanke eines Ausgangsstroms zu steuern. Der Ausgangsstrom ist typischerweise der Strom auf einer Ausgangsleitung einer Phase.
Die Steuerung kann dazu vorbereitet sein, einen Spitzenstrom, einen Effektivstrom, einen mittleren Strom oder eine andere Charakteristik des Ausgangsstroms für eine ansteigende Flanke eine Ausgangsstroms zu steuern. Auch hier ist der Ausgangsstrom typischerweise der Strom auf einer Ausgangsleitung einer Phase.
Die Steuerung kann dazu vorbereitet sein, Messsignale von mindestens zwei phasenspezifischen Ausgangsleitungen zu empfangen, die empfangenen Messsignale abzutasten, die Abtastsignale zu erzeugen, und die Schaltsignale zu erzeugen. Dadurch ist die Steuerung für zwei oder mehrere Phasen gleichzeitig verwendbar. Außerdem ist innerhalb der Steuerung eine phasenübergreifende Koordination zwischen den Phasen möglich, beispielsweise zum koordinierten Durchführen eines Startzyklus, zum koordinierten Abschalten im Fehlerfall oder zum Verteilen von Last oder Strom im Normalbetrieb.
Der bekannte Wandler ist dadurch weitergebildet, dass er mindestens eine erfindungsgemäße Steuerung umfasst. Hierdurch werden die vorgenannten Vorteile für Wandler nutzbar.
Der Wandler kann einen Laststromverteiler zum Verteilen eines Laststroms auf mehrere Phasen umfassen. Hierdurch kann (unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve) eine maximale Leistungsfähigkeit der Schaltwege einzelner Phase ausgeschöpft werden und eine aufwändige Überdimensionierung der Schaltwege einzelner Phasen vermieden werden.
Das bekannte Steuerungsverfahren zum Betrieb eines Wandlers ist dadurch weitergebildet, dass das Dreifache der Schaltfrequenz höher ist als die Abtastfrequenz. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden eingangs erläutert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den schematischen Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltkreises mit einer elektrischen
Energiequelle, einer Ausführungsform eines Wandlers und einer elektrischen Last;
Fig. 2 ein schematisches Zeitablaufdiagramm mit einem Beispiel von Schaltsignalen der Wandlersteuerung, von einem Verlauf des Ausgangsstroms des Wandlers und von einem Verlauf des Strommesssignals nach dem Abtasten;
Fig. 3 ein Beispiel für eine Ausführungsform mit einer schematisch dargestellten Verteilungsdichtefunktion für Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden zeitlich direkt benachbarten Triggersignalen des Abtasters; Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Laststromverteilers; und
Fig. 5 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Steuerungsverfahrens zum Betrieb eines Wandlers.
In den Figuren werden für entsprechende Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Bezugszeichenbezogene Erläuterungen gelten daher figurenübergreifend, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 mit einer Spannungsquelle 12 als elektrische Energiequelle, einem Wandler 14 und einer elektrischen Last 16. Der Wandler kann ein Einzel- oder Mehrfachphasenwandler, galvanisch getrennt oder nicht getrennt sein, unidirektio- nal oder bidirektional sein. Die elektrische Energiequelle 12 kann eine Gleichspannungsquelle, eine Wechselspannungsquelle, eine Gleichstromquelle oder eine Wechselstromquelle sein. Die elektrische Last 16 kann neben Wirkwiderstandsanteilen Blindwiderstandsanteile umfassen. Der Wandler 14 umfasst für eine erste Phase einen ersten Schalter S|, einen zweiten Schalter Sn, eine Induktivität L und eine Wandlersteuerung 18. Beide Schalter S|, SM sind einpolig. Der erste Schalter Si ist typischerweise ein Halbleiterschalter, beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode). Der zweite Schalter Sn ist typischerweise vom selben Halbleitertyp oder eine Freilaufdiode. Ein erster Anschluss 21 des ersten Schalters Si ist mit der Spannungsquelle 12 verbunden; und ein zweiter Anschluss 22 des ersten Schalters Si ist mit der Induktivität L verbunden. In der Figur ist angedeutet, dass der Wandler 14 für eine oder mehrere weitere Phasen zwischen Wandlereingang 14a und Wandlerausgang 14b mehrere gleich aufgebaute Schaltkreise
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umfassen kann. Deren Betrieb erfolgt dann typischerweise mit Schaltzyklen D, F, B, im lü- ckendem Betreib und D, F in nichtlückendem Betrieb (siehe Fig. 2a) die zueinander einen unterschiedlichen Zeitversatz aufweisen. Soweit nicht anders beschrieben erläutert die folgende Beschreibung die Wandlersteuerung 18 für die erste Phase. Die beschriebenen Konzepte können auf weitere Phasen angewendet werden.
Ein Schaltsignalerzeuger 24 (Modulator) erzeugt erste Schaltsignale SS, zum Betätigen des ersten Schalters S|. Die ersten Schaltsignale SSi werden über eine erste Steuerverbindung SV| zu dem ersten Schalter S| übermittelt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt der Schaltsignalerzeuger 24 auch zweite Schaltsignale SSn zum Betätigen des zweiten Schalters Sn- Die zweiten Schaltsignale SSn werden über eine zweite Steuerverbindung Sn zu dem zweiten Schalter Sn übermittelt. Der Wandler 14 kann abwechselnd folgende drei Betriebs- zustände D, F, B annehmen: einen Durchschaltzustand D, einen Freilaufzustand F und einen Bereitschaftszustand B. Im Bereitschaftszustand B steuert der Schaltsignalerzeuger 24 die beiden Schalter S|, Sn so an, dass der Stromfluss des Ausgangsstroms lL unterbrochen ist. Im Durchschaltzustand D steuert der Schaltsignalerzeuger 24 die Schalter Si, Sn so an, dass ein Ausgangsstrom lL durch den ersten Schalter S| fließen kann, während er für den zweiten Schalter Sn unterbrochen ist. Im Freilaufzustand F steuert der Schaltsignalerzeuger 24 die Schalter Si, SN so an, dass ein Ausgangsstrom lL durch den zweiten Schalter Sn fließen kann, während er für den ersten Schalter Si unterbrochen ist. Während eines Teillastbetriebs wechseln sich die drei Betriebszustände D, F, B mit folgender Reihenfolge periodisch ab: Durchschaltzustand D, Freilaufzustand F, Bereitschaftszustand B. Bei geringer Leistung der Energieübertragung zwischen der elektrischen Energiequelle 12 und der elektrischen Last 16 ist die Durchschalt- phase D, also der Zeitanteil des Durchschaltzustandes D an der Schaltperiode klein. Mit zunehmender Leistung der Energieübertragung zwischen Wandlereingang 14a und Wandlerausgang 14b steigt der Zeitanteil des Durchschaltzustandes D an der Schaltperiode. Dem Fachmann sind viele Ausgestaltungsmöglichkeiten für auch hier anwendbare Schaltschemen von Wandler bekannt; diese Schaltschemata werden im Folgenden nicht erläutert, da diesbezügliche Einzelheiten hier nicht erfindungswesentlich sind.
Die Wandlersteuerung 18 ist Teil einer Regelungsschaltung, die mindestens einen ersten Regelkreis aufweist, der folgende Komponenten umfasst: eine Regelstrecke RS, einen ersten Vergleicher 28a zum Durchführen eines Vergleichs zwischen einer ersten Führungsgröße FGa und einer ersten Regelgröße RGa, einen ersten Regler 30a und ein Stellglied 24, Si, S . In dem Ausführungsbeispiel, das in der Figur dargestellt ist, wird die Regelstrecke RS durch die Energiequelle, das Eingangsfilter (nicht abgebildet) die Schalter, Induktivität L, Ausgangsfilter (nicht abgebildet) und die Last gebildet. Das Stellglied 24, Si, SM wird von dem Schaltsignalerzeuger 24 gemeinsam mit den beiden Schaltern Si, Sn gebildet. Als erste Stellgröße SGa dient der Zeitanteil des Freilaufzustands F an der Gesamtperiode des Schaltzyklus D, F, B. Als erste Regelgröße RGa dient das Minimum min(lL) des von dem Wandler 14 an die elektrische Last 16 abgegebenen Ausgangsstroms lL. Die erste Regelgröße RGa wird mittels eines phasenspezifischen Stromsensors 34 zur Erfassung einer Stärke eines Ausgangsstroms lLi auf einer Ausgangsleitung 35 einer Phase des Wandlers 14, eines Abtasters 36 und einer nachfolgenden Stromsignalauswertung 37 gewonnen. Der Abtaster 36 und die Signalauswertung 37 sind Komponenten der Wandlersteuerung 18. Mittels eines ersten Vergleichs der ersten Führungsgröße FGa mit der ersten Regelgröße RGa ermittelt der erste Vergleicher 28a eine erste Regelabweichung ea. Der erste Regler 30a (beispielsweise ein PID-Regler) ermittelt aus dem zeitlichen Verlauf der ersten Regelabweichung ea die erste Stellgröße SGa.
Das Ausführungsbeispiel zeigt einen zweiten Regelkreis, der teilweise dieselben Komponen- ten 24, 34, 36, 37, L, S|, Sn umfasst wie der erste Regelkreis. Zu dem zweiten Regelkreis gehören folgende Komponenten: die Regelstrecke RS, ein zweiter Vergleicher 28b für einen Vergleich zwischen einer zweiten Führungsgröße FGb und einer zweiten Regelgröße RGb, ein zweiten Regler 30b und das Stellglied 24, Si, Sn. Auch hier bildet die Induktivität L die Regelstrecke RS. Wie in dem ersten Regelkreis wird das Stellglied 24, S|, Sn von dem Schaltsignalerzeuger 24 gemeinsam mit den beiden Schaltern Si, Sn gebildet. Als zweite Stellgröße SGb dient beim zweiten Regelkreis der Zeitanteil des Durchschaltzustands D an der Gesamtperiode des Schaltzyklus D, F, B. Als eine zweite Regelgröße RGb dient ein zweiter charakteristischer Wert der Energieübertragung durch den Wandler 14. Dies kann beispielsweise ein Maximum, ein Mittel oder ein Effektivwert des Ausgangsstroms lL sein, der von dem Wandler 14 an die elektrische Last 16 abgegeben wird. In dem Ausführungsbeispiel wird die zweite Regelgröße RGb mittels desselben Stromsensors 34, desselben Abtasters 36 und derselben Signalauswertung 37 wie die erste Regelgröße RGa gewonnen. Mittels einer Wahlschaltung 33 kann die zweite Regelgröße RGb aus mehreren Alternativen (beispielsweise Arten von Mittelwerten) ausgewählt werden. Mittels eines zweiten Vergleichs der zweiten Führungsgröße FGb mit der zweiten Regelgröße RGb ermittelt der zweite Vergleicher 28b eine zweite Regelabweichung eb. Der zweite Regler 30b (beispielsweise auch ein PID- Regler) ermittelt aus einem zeitlichen Verlauf der zweiten Regelabweichung eb die zweite Stellgröße SGb. Nur der Spitzenstrom wird direkt von der ansteigenden Flanke kontrolliert. Alle anderen berechneten Werte (wie Effektivwerte, Mittelwerte) sind gesamtsignalbezogen, können aber auch mit der steigenden Flanke gestellt werden.
Die Fig. 2a zeigt ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf des ersten Schaltsignals SSi zum Einschalten esi und Ausschalten asn des ersten Schalters S| des Wandlers 14 während des Durchschaltzustands D, während des Freilaufzustands F und während des Bereitschaftszustands B. Die Grenzen der Zeitabschnitte der Betriebszustände D, F, B sind in den Fig. 2a bis 2d mit gestrichelten Linien gezeichnet. Die Fig. 2b zeigt ein Beispiel für einen dazugehörigen zeitlichen Verlauf des zweiten Schaltsignals SSM zum Einschalten esn und Ausschalten asn des zweiten Schalters Sn des Wandlers 14. Die Fig. 2c zeigt ein Beispiel für einen dazugehörigen zeitlichen Verlauf des Ausgangsstroms Li einer Phase des Wandlers 14. Im Durchschaltzustand D steigt die Stärke des Stroms lL durch die Ausgangsleitung 35 an. Damit bildet sich während des Durchschaltzustands D im zeitlichen Verlauf des Ausgangsstroms lL eine ansteigende Flanke 38 aus. Im Freilaufzustand F sinkt die Stärke des Strom lu durch die Ausgangsleitung 35. Damit bildet sich während des Durchschaltzustands F im zeitlichen Verlauf des Ausgangsstroms lL eine fallende Flanke 39 aus. Die Fig. 2d zeigt ein Beispiel für einen dazugehörigen zeitlichen Verlauf eines Abtastsignals SA nach dem Abtasten 120 mittels des Abtasters 36. Die strichpunktierten Linien der Fig. 2c und 2d zeigen ein Beispiel für ein Abtastschema des Ausgangsstroms lL mittels des Abtasters 36. In dem in Fig. 2c, 2d gezeigten Beispiel erfolgt das Abtasten 120 des Ausgangsstroms lL nahezu einmal während jeder Schaltperiode, wobei das Abtasten 120 innerhalb der jeweils direkt nachfolgenden Schaltperiode (relativ zu deren Anfang) etwas später als in der direkt vorausgehenden Schaltperiode (relativ zu deren Anfang) erfolgt. Der Abtastzyklus ist asynchron zu den Schaltperioden der Schaltsignale SSi, SSM. Aufgrund des Schlupfes zwischen dem Abtastzyklus und den Schaltsignalen SS|, SSn wird durch das Abtasten 120 der zeitliche Verlauf der Stärke des Ausgangsstroms lL1 einer Phase in ein Abtastsignal SA mit ähnlichem Verlauf aber größerem Zeitmaßstab, also niedrigerer Frequenz fA abgebildet. In einer (in der Figur nicht explizit dargestellten) Alternative kann die zweite Stellgröße SGb eine voreingestellte Führungsgröße sein (anstelle von dem zweiten Regler 30b bereitgestellt zu werden).
In einer weiteren bevorzugten Alternative kann die zweite Stellgröße SGb von einem Spannungsregler 40 oder von einem Laststromverteiler 42 bereitgestellt werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Ausführungsform mit einer Verteilungsdichtefunktion H(Tdist) für Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden zeitlich direkt benachbarten Triggersignalen des Abtasters 36. Hierbei ist eine mittlere Abtastfrequenz fA definiert als das Inverse eines Mittelwerts der Zeitabstände TdiSt aufeinanderfolgender zeitlich direkt benachbarter Triggersignale TS zum Öffnen des Tors des Abtasters 36 zwecks Festlegung von Entnahmezeitpunkten für Messwerte aus dem Messsignal SM.
Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Laststromverteilerschaltung 43, der für jede Phase eine solche zweite Stellgröße SGb erzeugt. Hierbei wird die Ausgangsspannung U des Wandlers 14 in einem Vergleicher 28b1 mit einer Sollspannung USOLL verglichen und die zweite Stellgröße SGM für die erste Phase mittels eines Spannungsreglers 40i erzeugt.
Für die zweite Phase wird zunächst der Ausgangsstrom lu der ersten Phase mit dem Ausgangsstrom li_2 der zweiten Phase verglichen. Die Stromdifferenz lL2 - Li wiederum wird mit einer als Führungsgröße vorgegebenen Stromdifferenz ΔΙί2 verglichen. Daraus ermittelt ein Vergleicher 28b2 eine Regelabweichung eb2 = li_2- lu - AIL2 unter deren Berücksichtigung ein zweiter Stromregler 412 einen ersten Beitrag für eine zweite Stellgröße SGb2 der zweiten Phase ermittelt. Die zweite Stellgröße SGb2 wird durch Verknüpfung 442 (vorzugsweise Summation) des ersten Beitrags mit der zweiten Stellgröße SGbi der ersten Phase gebildet.
Entsprechend wird für weitere Phasen i (mit i zwischen 3 und n e N) zunächst der Ausgangsstrom lL1 der ersten Phase mit dem Ausgangsstrom \ü der weiteren Phase i verglichen und mittels eines weiteren Stromreglers 411 der weiteren Phase i aus der Stromdifferenz lu - lu (entspricht der Regelabweichung ebi) ein erster Beitrag für eine zweite Stellgröße SG^ der weiteren Phase i erzeugt. Auch die zweite Stellgröße SGbi der weiteren Phase i wird mittels einer Verknüpfung 44, (vorzugsweise mittels Summation) des ersten Beitrags mit der zweiten Stellgröße SGbi der ersten Phase gebildet.
Die Fig. 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Steuerungsverfahrens 100 zum Betrieb eines Wandlers 14. Das Steuerungsverfahren 100 umfasst folgende Schritte 110, 120, 130, 140: Erzeugen 110 von Messsignalen SM unter Berücksichtigung eines elektrischen Zustande lu einer Ausgangsleitung 35 mittels eines Sensors 34; Erzeugen 120 eines Abtastsignals SA mittels eines Abtastens der empfangenen Messsignale SM mittels eines Abtasters 36 mit einer Abtastfrequenz fA; Auswerten 130 des Abtastsignals SA und Erzeugen 140 eines Schaltsignals SS| mit einer Schaltfrequenz fSw, wobei die Schaltfrequenz fSw höher ist als die Abtastfrequenz fA. Die Steuerung 18 für einen Wandler 14 ist dazu vorbereitet, die empfangenen Messsignale SM auszuwerten und für die steigende Flanke 38 Messsignale SM zu erzeugen, die unabhängig sind von Messsignalen SM, die für die fallende 39 Flanke erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Konzept ist auf unterschiedliche Typen von Wandlern anwendbar, insbesondere auch auf Gleichspannungswandler, Wechselrichter und/oder Frequenzumrichter. Die beschriebenen Schaltungsprinzipien können auch mit umgekehrter Polung angewendet werden. Analoge und/oder digitale elektrische Signale, die in den Ausführungsbeispielen in Gestalt von Spannungen dargestellt sind, können alternativ oder zusätzlich auch als (eingeprägte) Ströme dargestellt werden. Mittels Verstärkern oder Wandlern können in der Beschreibung erwähnte Spannungen oder Ströme auf dem Weg von ihrer jeweiligen Quelle zu ihrer jeweiligen Senke umskaliert werden. Analoge oder digitale Signale, die in Gestalt von Spannungen oder Strömen dargestellt sind, können nach einem bekannten oder nach einem heute noch nicht bekannten Verfahren linear oder nichtlinear codiert sein. Beispiele für anwendbare Codierungsverfahren sind Pulsweitenmodulation und Pulscodemodulation. Die analogen und/oder digitalen Signale können elektrisch, optisch oder per Funk übertragen werden. Die analogen und/oder digitalen Signale können im Raummultiplex (also mittels unterschiedlicher Leitungen), im Zeitmultiplex oder im Codemultiplex übertragen werden. Die Übertragung der analogen und digitalen Signale kann über ein oder mehrere Bussysteme erfolgen.
Bezugszeichen:
10 Schaltungsanordnung
12 elektrische Energiequelle
14 Wandler
14a Wandlereingang 14b Wandlerausgang
16 elektrische Last
18 Wandlersteuerung
21 erster Anschluss des ersten Schalters S|
22 zweiter Anschluss des ersten Schalters Sn
24 Schaltsignalerzeuger
28 Vergleicher
30 Regler
33 Wahlschaltung
34 Messvorrichtung; Stromsensor
35 Ausgangsleitung
36 Abtaster
37 Signalauswertung
38 ansteigende Flanke
39 fallende Flanke
40 Spannungsregler
41 Stromregler
42 Laststromverteiler
43 Laststromverteilerschaltung
44 Verknüpfung
100 Steuerungsverfahren
110 Empfangen von Messsignalen
120 Erzeugen eines Abtastsignals mittels Abtastens empfangener Messsignale
130 Auswerten der Abtastsignale
140 Erzeugen eines Schaltsignals
e Regelabweichung
B Bereitschaftszustand
D Durchschaltzustand
F Freilaufzustand
FG Führungsgröße
fA Abtastfrequenz
fsw Schaltfrequenz
H(Tdist) Verteilungsdichtefunktion der Zeitabstände Tdist
lL Ausgangsstrom
L Induktivität
P Phase
PID Proportional-Integral-Differential
RG Regelgröße
RS Regelstrecke S| Schalter
S,i Schalter
SG Stellgröße
SK Schaltkreis
SM Messsignal
SA Abtastsignal
Tdist Zeitabstand aufeinanderfolgender zeitlich direkt benachbarter Triggersignale
TS Triggersignal
USOLL Sollspannung

Claims

Ansprüche
1. Steuerung (18) für einen Wandler (14), wobei die Steuerung (18) dazu vorbereitet ist, von einer Messvorrichtung (34) Messsignale (SM) einer Ausgangsleitung (35) des Wandlers (14) zu empfangen und die Messsignale (SM) auszuwerten, um ein Schaltsignal (SS) zu erzeugen, das eine Schaltfrequenz (fSw) aufweist, wobei die Steuerung (18) einen Abtaster (36) zum Erzeugen (120) eines Abtastsignals (SA) mittels eines Abtastens (120) empfangener Messsignale (SM) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtaster (36) dazu vorbereitet ist, das Abtasten (120) mit einer Abtastfrequenz (fA) durchzuführen, die unterhalb dem Dreifachen der Schaltfrequenz (fSw) liegt.
2. Steuerung (18) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abtaster (36) dazu vorbereitet ist, das Abtasten (120) bei einer Schaltfrequenz (fsw) mit einer mittleren Abtastfrequenz (fA) durchzuführen, wobei weder der Quotient aus der mittleren Abtastfrequenz (fA) geteilt durch die Schaltfrequenz (fSw) eine ganze Zahl ist noch der Quotient aus der Schaltfrequenz (fSw) geteilt durch die mittlere Abtastfrequenz (fA) eine ganze Zahl ist.
3. Steuerung (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltsignalerzeuger (24) dazu vorbereitet ist, das Schaltsignal (SS) mit einer Schaltfrequenz (fsw) zu erzeugen, die mindestens um den Faktor n größer ist als die Abtastfrequenz (fA), wobei n gleich 5/6, 21/20, 11/10 , 6/5, 2, 4, 8, 16, 32, 64 oder eine andere Zweierpotenz ist.
4. Steuerung (18) nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtaster (36) dazu vorbereitet ist, das Abtasten (120) mit aufeinanderfolgenden Triggersignalen (TS) durchzuführen, wobei eine Verteilungsdichtefunktion (H(Tdist)) für zeitliche Abstände (Tdist) aufeinanderfolgender zeitlich direkt benachbarter Triggersignale (TS) einen einzigen oder mehrere Diracstöße und/oder eine kontinuierliche Verteilungsdichtefunktion umfasst.
5. Steuerung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) dazu vorbereitet ist, aus dem Abtastsignal (SA) mindestens eine erste Art von statistischen Werten (RGa) zu ermitteln.
6. Steuerung (18) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Art von statistischen Werten (RGa) Maximalwerte, Minimalwerte, Effektivwerte, arithmetische Mittelwerte und/oder Medianwerte umfasst.
7. Steuerung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) mindestens einen ersten Vergleicher (28a) umfasst, um einen ersten Sollwert (FGa) mit einem ersten Istwert (RGa) zu vergleichen, der aus dem Abtastsignal (SA) ermittelbar ist, und aus dem Ergebnis (ea) des Vergleichs eine erste Stellgröße (SGa) zu ermitteln.
8. Steuerung (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) mindestens einen zweiten Vergleicher (28b) umfasst, um einen zweiten Sollwert (FGb) mit einem zweiten Istwert (RGb) zu vergleichen, der aus dem Abtastsignal (SA) ermittelbar ist, und aus dem Ergebnis (eb) des Vergleichs eine zweite Stellgröße (SGb) zu ermitteln.
9. Steuerung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung dazu vorbereitet ist, das Auswerten (120) der Abtastsignale (SA) hinsichtlich eines Ausgangsstroms (lL), einer Ausgangsspannung (U) und/oder eines Spektralmerkmals einer oder mehrere dieser Größen auf der Ausgangsleitung (35) durchzuführen.
10. Steuerung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) dazu vorbereitet ist, einen minimalen Ausgangsstrom für eine abfallende Flanke (39) eines Ausgangsstroms (lL) zu steuern.
1 1. Steuerung (18) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) dazu vorbereitet ist, einen Spitzenstrom, einen Effektivstrom, einen mittleren Strom oder eine andere Charakteristik des Ausgangsstroms (lL) für eine ansteigende Flanke (38) des Ausgangsstroms (lL) zu steuern.
12. Steuerung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) dazu vorbereitet ist, Messsignale (SM) von mindestens zwei phasenspezifischen Ausgangsleitungen (35) zu empfangen, die empfangenen Messsignale (SM) abzutasten, die Abtastsignale (SA) zu erzeugen, und die Schaltsignale (SS) zu erzeugen (140).
13. Wandler (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (14) mindestens eine Steuerung (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
14. Wandler (14) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (14) einen Laststromverteiler (42) zum Verteilen eines Laststroms (lL) auf mehrere Phasen umfasst.
15. Steuerungsverfahren (100) zum Betrieb eines Wandlers (14), wobei das Steuerungsverfahren (100) folgende Schritte (110, 120, 130, 140) umfasst:
- Erzeugen (110) von Messsignalen (SM) unter Berücksichtigung eines elektrischen Zustands (lLi) einer Ausgangsleitung (35);
- Erzeugen (120) eines Abtastsignals (SA) mittels eines Abtastens der empfangenen Messsignale (SM) mit einer Abtastfrequenz (fA);
- Auswerten (130) der Abtastsignale (SA); und
- Erzeugen (140) eines Schaltsignals (SS) mit einer Schaltfrequenz (fSw), dadurch gekennzeichnet, dass das Dreifache der Schaltfrequenz (fSw) höher ist als die Abtastfrequenz (fA).
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