DE2919786A1 - Pulsbreiten-mehrfachmultiplizierer - Google Patents

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen: Berlin und München VPA 79 P 3 O 7 * BRD

Pulsbreiten-Mehrfachmultiplizierer

Die Erfindung betrifft einen Pulsbreitenmultiplxzierer, bei dem eine dem ersten Faktor eines Produktes entsprechende Eingangsspannung mittels eines Schalters und eines Invertierers mit alternierendem Vorzeichen auf ein Glättungsglied aufschaltbar ist. Der Schalter wird mittels den zweiten Faktor des Produktes darstellenden breitenmodulierten Impulsen betätigt.

Ein derartiger Multiplizierer zur Bildung einer Ausgangsgröße U= ~p · ζ aus den Eingangsspannungen x, y, ζ ist handelsüblich (Time-Division-Multiplizierer, Typ EL 1/299.02 der Siemens AG, Preisliste RE 1, Mai 1972, Seite 6/33 bis 36). Bei diesem Baustein wird die Eingangsspannung ζ über einen ersten Umschalter abwechselnd direkt (Schaltdauer t..) und über einen Invertierer mit umgekehrtem Vorzeichen (Schaltdauer tp) an den Eingang eines Glättungsgliedes gelegt. Der Schalter wird mittels Impulsen, die aus den Eingangsspannungen χ und y gebildet werden,

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so betätigt, daß Ct₁ - tg)/(t,, + t₂) = x/y ist, so daß am Ausgang des Glättwngsgliedes eine Ausgangsspannung

U_ » ζ · x/y ansteht (Prinzip der Impulsbreitenmultiplikaa

tion). Zur Bildung der Schaltimpulse ist ein Sägezahngenerator, ein Zweipunktglied (Grenzwertmelder) und ein weiterer Umschalter vorgesehen, der die Eingangsspannung y abwechselnd direkt und über einen weiteren Invertierer weiterleitet und simultan mit den Schaltimpulsen für den ersten Umschalter umgeschaltet wird. Zur Erzeugung der Sägezähne ist an den invertierenden Eingang eines I-Gliedes die Eingangsspannung χ und das Ausgangssignal y¹ des zweiten Umschalters gelegt. An das Zweipunktglied wird als Grenzwert ebenfalls die Umschalter-Ausgangsspannung y» a i y angelegt, und mit dem Ausgangssignal des Zweipunkt gliedes wird der zweite Umschalter betätigt, sobald die vom I-Glied gelieferte Hilfsspannung den Grenzwert y erreicht. Nach Umschalten des zweiten Umschalters in die Stellung y¹ = +y steigt somit die HilfsSpannungskurve durch Integration der Eingangsgrößen ,x + y) linear an, bis es nach der Zeit t^ den Grenzwert +y erreicht. Sodann wird der Umschalter in die Stellung y¹ « -y umgelegt und die Hilfsepannungskurve sinkt während der Schaltdauer tg linear, entsprechend den Eingangsgrößen·(x - y) des I-Gliedes. Für die Schaltdauer t^ und tp der beiden Umschalter wird dadurch die Bedingung x/y = (t^-tpVit-j+tp) erreicht. Dieser bekannte Multiplizierer enthält 6 Potentiometer zum Abgleich und zur Noriaierung.

Derartige Pulsbreitenmultiplizierer zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus. Jedoch wächst der Aufwand an Schaltelementen und Abgleichsarbeit, sobald für bestimmte Anwendungsgebiete, z.B. bei Steuerungen, mehrere derartige Multiplikationen erforderlich sind. Ferner sind derartige Pulsbreitenmultiplizierer für Multiplikation konstanter Eingangsgröße bestimmt. Bei veränderlichen Eingangsgrößen können durch das Glättungsglied zeitliche Verzerrungen

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entstehen. Dies tritt z.B. auf, wenn Maschinen in Abhängigkeit von den Positionen umlaufender Maschinenteile gesteuert und zur Analog-Steuerung die den Maschinenpositionen entsprechenden zeitlich veränderlichen Eingangsgrößen miteinander multipliziert und addiert werden müssen, wobei die einzelnen Faktoren der zu addierenden Produkte in gemeinsamer Weise zeitabhängig sind. Würde in diesen Fällen zu jeder Produktbildung ein derartiger Pulsbreitenmultiplizierer verwendet, so entstehen durch die Addition der Ausgangssignale der einzelnen Glättungsglieder Überlagerungen und Schwebungen, die nur vermieden werden können, wenn die einzelnen Glättungsglieder in ihrem Zeitverhalten sorgfältig aufeinander abgestimmt wären. Da jedoch die für die Glättungsglieder nötigen Kondensatoren nur mit diskreten Kapazitätswerten und erheblichen Fertigungstoleranzen zur Verfügung stehen, sind übliche Pulsbreitenmultiplizierer für solche Zwecke ungeeignet. So sind z.B. nach der DE-PS 19 41 312 zur Multiplikation bei einer Steuerung einer Asynchronmaschine Kennlinienmultiplizierer vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine analoge Rechenschaltung zur Berechnung einer Summe a^Zj^* ο^ aus Produkten der Eingangsspannungen b. und c· anzugeben, die mit einem möglichst geringen Aufwand an Bauelementen und Abgleichsarbeit auskommt, für die Verarbeitung zeitlich veränderlicher Größen ausgelegt ist und nach dem Prinzip der Pulsbreitenmultiplikation arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch einen Multiplizierer der eingangs angegebenen Art gelöst, bei dem für alle Produktbildungen ein gemeinsames Glättungsglied mit einer vorgelagerten Verknüpfungsstelle vorgesehen ist. Die jeweils dem ersten Faktor eines Produkts entsprechenden Eingangsspannungen aller Produkte sind an einen gemeinsamen Invertierer angeschlossen. Die Invertiererausgangsspannung wird der Verknüpfungsstelle aufgeschaltet. Gleichzeitig sind die je-

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wells dem Erstfaktor eines Produktes entsprechenden Eingangsspannungen über getrennte, mittels die zweiten Faktoren jedes Produktes darstellenden Schaltimpulsen betätigbare Schalter über ein Proportionalglied ebenfalls der Verknüpfungsstelle aufgeschaltet. Die zu berechnende Summe ist am Ausgang des Glättungsgliedes abgegriffen. Wird zur Glättung ein Operationsverstärker verwendet, so wird das Proportionalglied von entsprechenden Widerständen in den Zuleitungen zu dem Verstärkereingang (Verknüpfungsstelle) gebildet.

Da gemäß der Erfindung für die Glättung aller Produkte ein einziges Glättungsglied verwendet wird, können zeitlich veränderbare Eingangsspannungen verarbeitet werden, ohne daß Verzerrungen zu befürchten sind, die durch die Überlagerung von Signalen mehrerer, nur schwer aufeinander abstimmbarer Glättungsglieder entstehen könnten. Voraussetzung hierbei ist lediglich, wie allgemein bei der Verwendung von Pulsbreitenmultiplizierer, daß die Rechenfrequenz, d.h. die Frequenz der entsprechenden Schalter, wesentlich über der Frequenz der zeitlich veränderlichen Eingangsspannungen liegt. Ferner kann die zur Addition der einzelnen Produkte nötige Verknüpfungsstelle am Eingang eines als Glättungsglied beschalteten Operationsverstärkers liegen, wodurch ein eigener Additions-Operationsverstärker sowie ein nachgeschalteter Invertierer entfallen kann, der häufig bei einem derartigen Additionsverstärker zur Herstellung der richtigen Polarität des Ausgangssignalε benötigt wird. Außerdem reduziert sich der schaltungstechnische Aufwand auch dadurch, daß der beim Stand der Technik für jede Produktbildung nötige Umschalt-Invertierer durch einen gemeinsamen Invertierer ersetzt wird.

In manchen Anwendungsfällen, insbesondere bei der Steuerung von umlaufenden Maschinen, ist die simultane Bildung zweier Summen a.. = b«c+d*e und a₂ = b«f+d«g nötig. Die

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Erfindung ermöglicht hierbei diese simultane Summenbildung ohne erheblichen Aufwand, vielmehr sind lediglich ein weiteres Glättungsglied mit vorgeschalteter Verknüpfungsstelle und Proportionalglied sowie zwei weitere Schalter für die zweite Summenbildung nötig. Die Ausgangs spannung des für die erste Produktbildung nötigen Invertierers wird über ein weiteres Proportionalglied an die Verknüpfungsstelle des weiteren Invertierers gelegt. Ferner sind die den Jeweiligen ersten Paktoren b bzw. d entsprechenden Eingangsspannungen über je einen weiteren Schalter, der entsprechend den weiteren Faktoren f und g betätigt wird, ebenfalls der Verknüpfungssteile aufgeschaltet. An den Ausgängen der beiden Glättungεglieder liegen die beiden zu berechnenden Summen als Ausgangsspannungen an.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei der Fall f = -e, g = c. Stehen nämlich die Größen c und e für cos φ und sin^ eines Winkels vj>, so ermöglicht es die Rechenschaltung, einen Vektor a, der bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems durch die Koordinaten b und d gegeben ist, entsprechend den Gleichungen

a., = b · cos if + d · sin φ
a₂ = -b · Sinti + d · cos φ ^K '

nunmehr durch die Koordinaten a^ und ap in einem gegenüber dem ursprünglichen Koordinatensystem um den Winkel gedrehten Koordinatensystem darzustellen. Dadurch kann z.B. bei einer umlaufenden Maschine ein Vektor, dessen Koordinaten im raumfesten Koordinatensystem durch entsprechende Meßwerte festgelegt werden, auf ein mit der Maschine umlaufendes Koordinatensystem transformiert werden. Auch die umgekehrte Transformation

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a^ = b · cos»!¹ - d · sini^
&P s= b · sintf + d · cos<|>

von einem umlaufenden Koordinatensystem auf ein raumfestes Koordinatensystem ist leicht möglich.

Für die Koordinatentransformationen kann die angegebene Schaltung mit zwei Glättungsgliedern verwendet werden, wobei die zur Darstellung von cos ^ bei den Produkten b · cosu) und d · cosip nötigen Schalter mit den gleichen Schaltimpulsen betätigt werden« Zur Darstellung von -sinγ bei dem Produkt -b · sinf können die bereits zur Bildung von d · sin^> benötigten Schaltimpulse verwendet werden, wobei lediglich das Öffnen mit dem Schließen des Schalters vertauscht werden muß, was z»'B. durch ein NOR-Glied in der entsprechenden Schaltimpulsleitung möglich ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Lage und/oder der Betrag eines umlaufenden Vektors, z.B. des Magnetflußvektors bei einer Drehfeldmaschine , bezüglich eines anderen, z.B. eines raumfesten, Koordinatensystems ermittelt werden soll. Als Eingangsgrößen werden dabei der Schaltung die Koordinatenwerte des Vektors im raumfesten System vorgegeben, die z.B. aus Messungen am Ständer der Maschine gewonnen werden können. Eine derartige Anwendung ist in den Ausführungsbeispielen näher erläutert«,

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Anhand eines Anwendungsbeispieles, eines Ausführungsbeispieles und vier Figuren wird die Erfindung gegenüber dem Stand der Tecfcnik näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 die Lage eines Vektors in zwei gegeneinander

verdrehten Koordinatensystemen,

Figur 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Umrechnung; der Koordinaten des Vektors von einem Koordinatensystem ins andere Koordinatensystem,

Figur 3 eino schaltungstechnische Realisierung des Blockschaltbildes nach Figur 2 mit Elementen aus dem Stand der Technik,

Figur 4 eino schaltungstechnische Realisierung des Block-Schaltbildes nach Figur 2 unter Verwendung der Erfindung.

Das Anwendung3beispiel betrifft eine feldorientierte Regelung einer Asynchronmaschine. Die in den Ständerwicklungen fließenden Ströme können zu einem Ständerstromvektor I₁ zusammengesetzt werden, dessen Koordinaten in einem ständerbezogenen Koordinatensystem aus entsprechenden Messungen gegeben sind. Ebenso können aus Ständergrößen (Ströme und Spannungen) die Koordinaten des Magnetflußvektors IJ? be-

stimmt werden.

Nach der DE-PS 19 41 312 kann die Asynchronmaschine gesteuert oder geregelt werden, indem der Ständerstrom in Abhängigkeit von zwei elektrischen Größen gebracht wird, die feldachsenbezogene Größen sind. Dazu wird der Ständerstromvektor in eine zum Magnetflußvektor parallele und in eine dazu senkrechte Komponente aufgespalten, d.h. der Ständerstrom wird in einem kartesischen, sich mit dem Magnetflußvektor drehenden System dargestellt. Die feldparallele Stromkomponente bestimmt dabei den Feldbetrag, die

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feldsenkrechte Komponente das Moment der Maschine. In Figur 1 ist mit s,^ und su das ständerbezogene Koordinatensystem, mit ^₁ und j£₂ das feldorientierte Koordinatensystem bezeichnet. i_s1 und i_s2 sind die ständerbezogenen, i ^ α und i φ ₂ ^^e feldbezogenen Komponenten des Stromvektorso (p ist der Winkel zwischen dem Feldvektor j£ bzw. dem dazugehörigen Einheitsvektor w ^ und dem Vektor s^.

Es stellt sich also die Aufgabe, die zu einem Bezugsvektor parallele und die senkrechte Komponente eines Vektors zu berechnen, wobei der Vektor und der Bezugsvektor jeweils durch seine Koordinaten in einem kartesisehen Koordinatensystem vorgegeben ist. Da der Bezugsvektor umläuft und der Vektor seine Lage zum Bezugsvektor ändert, sind die in die Rechenschaltung einzugebenden Eingangsgrößen zeitlich veränderlich, wobei diese Veränderung jedoch langsam gegenüber der Arbeitsfrequenz der Rechenschaltung ist.

Zunächst müssen aus den ständerbezogenen Koordinaten des Magnetflußvektors die entsprechenden Koordinaten des Einheitsvektors ermittelt werden, um die »,age des neuen Koordinatensystems, d.h. den Winkel ψ , ζ α ermitteln. Hierzu dient entsprechend Figur 2 ein Vektoranalysator, wie er z.B. in der US-PS 3 671 731 beschrieben ist. Dabei werden die Eingangsgrößen ψ * und ^₂ jeweils zunächst in Dividierern 2 und 3 durch den Betrag ψ des Vektors dividiert und anschließend werden die Dividiererausgangsgrößen in Multiplizierern 4 und 5 mit den Eingangsgrößen f * und ψ _S2 multipliziert, so daß an einer additiven Verknüpfungsstelle 6 die Größe φ^ /γ+«p^ /y anliegt. Diese Größe ψ , die am Verknüpfungsglied 6 abgegriffen werden kann, wird dabei den Divisoreingängen der Dividierer 2 und 3 zugeführt.

Am Ausgang des Dividierers 2 liegt son.it die Größe a cos ψ an, die über einen Ausgang 8 abgegriffen werden kann. An einem entsprechenden Ausgang 7 wird die Größe

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^vom Ausgang des Multiplizierers 3 herausgeführt.

Nach dieser Analyse des Bezugsvektors v^ erfolgt nun die Transformation des Vektors i. in einem Vektordreher 10, wie er z.B. in Figur 6 der erwähnten DE-PS 19 41 312 dargestellt ist. Diese Koordinatentransformation erfolgt nach den bekannten Formeln (1)%

i . i COSCf₃ + i_s2 sinf_a

(3)

^ 81 ^sinVPs ^{+ i}s2

Da eine Pulsbreitenmultiplikation mit großer Genauigkeit durchführbar ist, wäre es wünschenswert, das in Figur 2 gezeigte Blockschaltbild mit Pulsbreitenmultiplikatoren zu verwirklichen.

In Figur 3 ist mit 20 der bereits eingangs erwähnte bekannte Pulsbreitenmultiplikator dargestellt. An dem einen Eingang eines I-Gliedes 21 sind der x-Eingang und der Ausgang eines ersten Umschalters 22 gelegt. Der I-Glied-Ausgang ist auf einen Grenzwertmelder 23 gelegt, der ein binäres Ausgangssignal abgibt und sein Signal ändert, sobald die vom I-Glied zugeführte Spannung gleich der vom Ausgang des Umschalters 22 rückgeführten Spannung y^f = -y ist. Mit dem Signal des Grenzwertmelders wird der Umschalter 22 betätigt, der zwischen der am y-Eingang angelegten Spannung und einer gleichen Spannung umgekehrter Polarität umschaltet, wozu ein Invertierer 24 vorgesehen ist. Die Spannung am z-Eingang wird ebenfalls über eine von einem Invertierer 25 und einem zweiten Umschalter 26 gebildete Umschalteinrichtung auf ein Glättungsglied 27 im Takt des Grenzwertmelders 23 umgeschaltet. Während der Zeit t₁ wird die Spannung ζ direkt, während der Zeit t₂ mit umgekehrtem Vorzeichen über den Schalter weitergegeben, so daß das

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daran angeschlossene Glättungsglied 27 einen Mittelwert Ua = (z»t₁-z«t₂)/(t₁+t₂) bildet. Da für die Zeiten t₁ und t₂ jedoch gilt (t>₎-t₂)/(t₁+t₂) = x/y, steht am Ausgang 28 des Pulsbreiten-Multiplizierers 20 die Spannung z«x/y an. Im gegebenen Anwendungsfall wird y =y und χ = ζ = ψ * eingegeben, wobei für die einzelnen Bestimmungr.grö3en der Vektoren und für die dazugehörigen Spannungen die gleichen Symbole gewählt sind.

Der Pulsbreitenmultiplizierer 20 entspricht also der Kombination des Dividierers 2 und des Multiplizierers 4 in

Figur 2 zur Bildung der Größe ^ _οΛ/ψ . Zur Bildung von vj; _7u> wird ein vollkommen gleich aufgebauter Pulsbreitenmultiplizierer 30 verwendet. Die Ausgangssignale beider Pulsbreitenmultiplizierer werden nun in einer Additionsstufe 31 mit nachgeschaltetem Invertierer 32 addiert, um

ρ ρ

eine Gleichspannung ψ = ( γ ^ + ψ _s2)/ψ zu erhalten, die an die y~Eingänge der beiden Pulsbreitenmultiplizierer gelegt wird und außerdem an einem Ausgang 33 abgegriffen werden kann. Die Größen cos tp_s = ψ_Β^/ψ und sin(f_g= ψ_ίΖ /ψ werden dabei nicht als Gleichspannungen gebildet, sondern als eine Impulsfolge (Rechteckkurve), z.B. aus "High"-und "Low"-Signalen, über die Leitungen 34, 35 aus dem Vektoranalysator geführt.

Diese Impulsfolgen können nun zur Impulsbreitenmultiplikation im Vektordreher 40 verwendet werden. Zur Bildung von I.. = i_S"|^#C0S(f_s ⁺ igp ^siⁿf _s wird ein Doppelmultiplizierer 41 verwendet. Dem Eingang 42 wird die Spannung i zugeführt, die in analoger Weise mittels eines Invertierers 43 und eines Umschalters 44 mit alternierendem Vorzeichen an ein Glättungsglied 45 gelegt wird. Der Umschalter 44 wird mit der die Größe cos vp darstellenden Impulsfolge über die Leitung 34 betätigt. Im Glättungsglied 45 wird demnach durch Mittelung über die entsprechend den Schaltimpulsdauern t₁ und t₂ gewichteten Spannungen +i^

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und-i. das erste Produkt gebildet.

Das zweite Produkt wird aus der am Eingang 46 anstehenden Eingangsspannung i - mittels eines weiteren Invertierers 47, Umschalters 48 (der über die Leitung 35 mit den die Größe sin ψ_a darstellenden Schaltimpulsen betätigt wird) und Glättungsgliedes 49 gebildet. Beide Produkte werden anschließend adciert. Da Glättungsglieder und Addierer vorteilhaft mit Operationsverstärkern aufgebaut werden, ist ein nachfolgender Invertierer zur Herstellung des richtigen Vorzeichens nötig.

Auf vollkommen analoge Weise kann ein zweiter Doppelmultiplizierer 50 :iur Bildung von i^₂ = - i_ß1 siny_s + i_S2^C0Stf_s aufgebaut sein, dessen Eingänge für i^ und i_g2 bzw. sin γ _s und cos φ ebenfalls an die Leitungen 42, 46 bzw. 34, 35 angeschlossen sind. Dabei ist lediglich zur Darstellung des negativen Vorzeichens ein zusätzlicher Invertierer 51 nötig.

Ein derartiger Aufbau ermöglicht die Berechnung der Produktsummen mit hoher Genauigkeit. Man kommt dabei mit zwei Schaltimpulsgeneratoren aus. Ein solcher Schaltimpulsgenerator enthält, wie beschrieben, einen Grenzwertmelder 23 mit einem binären Ausgangssignal, dem eine Sägezahn-Spannungskurve und eine Hilfsspannung (in diesem Falle y'=-v) vorgegeben ist und der jeweils beim Schnittpunkt der Sägezahn-Spannungskurve mit der Hilfsspannung sein Ausgangssignal ändert.

Die Eingangsgrößen Vp₁ und Ψ_p bzw. i_g1 und ig sind entsprechend der Frequenz der Drehfeldmaschine zeitabhängig. Diese Zeitabhängigkeiten heben sich jedoch bei der Produktsummen-Bildung weitgehend auf und die resultierenden Größen γ bzw. L₁ und i - sind in weit geringerem Maße zeltabhängig. Werden nun die jeweils für eine Summenbil-

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dung "benötigten Glättungsglieder (z.B. 43 und 47) nicht sorgfältig aufeinander abgestimmt, so können bei der Addition am Eingang der anschließenden Additionsverstärker Schwebungen auftreten, die eine falsche Zeitabhängigkeit vorspiegeln. Weitere Überlagerungen können dadurch entstehen, daß zwei mit unterschiedlichen Frequenzen arbeitende Sägezahngeneratoren verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird nun die Produktsummenbildung in einer Rechenschaltung 60 (Figur 4) vorgenommen, die die Bauteile 25, 26, 27, 25', 26', 27', 31 und 32 ersetzt. Zur Bildung der Summe HVl^cosfs. ⁺ y_S2^ain% wird nur ein einziges Glättungsglied 51 benutzt, vorteilhaft ein Operationsverstärker 61, dessen Rückführung aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes einer Kapazität besteht. Der Eingang 62 dieses Operationsverstärkers ist dann eine Verknüpfungsstelle, die eine Addition der dem Operationsverstärker aufgeschalteten Eingangsspannungen bewirkt. Die der Rechenschaltung zuzuführenden ersten Faktoren ψ * und ψ 2 werden dieser Verknüpfungsstelle über einen gemeinsamen Invertierer 63 und einen Widerstand 64 zugeführt. Ferner werden diese Faktoren j swells über Schalter 65 und 66 und entsprechende Widerstände 67 und 68 dieser Verknüpfungsstelle aufgeschaltet, wobei die Widerstände 67 und 68 jeweils den halben Widerstandswert des Widerstandes 64 aufweisen und somit als ein Proportionalglied mit der Verstärkung 2 wirken. Durch Schließen der Schalter

65 und 66 werden also die Spannungen γ ^ und <p_s2 mit doppeltem Wert zu den vom Invertierer 63 gelieferten, invertlerten Spannungen addiert, so daß während der Schließzeit der Schalter (t^) die Eingangsspannungen mit ihrem ursprünglichen Vorzeichen, während der Öffnungszeit t₂ mit umgekehrtem Vorzeichen anliegen. Die Schalter 65 und

66 werden analog den Schaltern 26, 26· in Figur 3 von

Schaltimpulsen betätigt, die die Pulsbreitenmultiplikation mit den Faktoren cos <a und sin ui bewirken.

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Der schaltungstechnische Aufwand für diese Rechenschaltung 50 ist vergleichsweise gering. Insbesondere ist vorteilhaft, daß die Glättung der gepulsten Spannungen erst nach ihrer Addition in einem gemeinsamen Glättungsglied erfolgt und sich das Zeitverhalten des Glättungsgliedes daher in gleicher Weise für beide Summanden auswirkt. Es entstehen keine störenden Überlagerungen.

Die Bildung der Schaltimpulse für die Schalter 65 und 66 kann im Prinzip wie in Figur 3 erfolgen. Jedoch kann vorteilhaft eine Anordnung nach Figur 4 verwendet werden, die nur mit einem einzigen Sägezahngenerator konstanter Frequenz auskommt. Mit 70 ist ein derartiger Sägezahngenerator bezeichnet, wie er z.B. in der deutschen Patentanmeldung P 29 08 942.7 beschrieben ist. Dieser Generator besteht aus einem Frequenzgeber 71, der über den Schalter 72 einer Umschalteinrichtung eine am Eingang 73 anliegende Eingangsspannung mit alternierendem Vorzeichen an einen Integrator 74 legt. Das Integratorausgangssignal ist eine Dreieckskurve und wird über eine Rückführungsleitung einer Verknüpfungsstelle 75 am Eingang der Umschalteinrichtung über einen Gleichrichter, z.B. einen Vollwellengleichrichter 76, ein Glättungsglied 77, ein Proportionalglied 78 und einen PI-Regler 79 zugeführt. Bei Vollwellengleichrichtung entspricht das Ausgangssignal des Glättungsgliedes 77 der halben Amplitude der Dreiecksspannung. Wird daher dieses Signal im Proportionalglied 78 verdoppelt und am Eingang des PI-Reglers mit dem am Eingang 73 anliegenden Spannungssignal verglichen, so wird dadurch erreicht, daß die Amplitude der Sägezahnspannung genau proportional der Eingangsspannung an der Klemme 73 ist. Im vorliegenden Fall wird der Klemme 73 die Ausgangsspannung y der Rechenschaltung 60 zugeführt.

Die auf diese Weise erzeugte Sägezahn-Referenzspannungskurve wird zwei Grenzwertmeldern 80 und 81 zugeführt,

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denen als Grenzwerte die Spannungen Vf₁ und γ ~ aufgeschaltet sind. Diese Grenzwertmelder erzeugen je ein binäres Signal, das sich jeweils beim Schnittpunkt der Referenzspannungskurve mit den ausgeschalteten Grenzwerten ändert. Diese Signalfolgen (Rechteckspannungskurven) können nun als Schaltsignale zur Darstellung der Größen cos tf a ¹PsI^ "¹^ ^sinif₅~ fs2^ dienen. Dabei ist auch die Darstellung der Größen -cost^ und -sin^ möglich, indem nur die Rolle der Impulse beim Schließen und öffnen der zugehörigen Schalter vertauscht wird. Dies kann dadurch geschehen, daß den Grenzwertgebern je ein Negationsglied 82, 83 (NOR-Glied) nachgeschaltet ist, das den Wert des binären Ausgangssignals der Grenzwertgeber invertiert. Da die Schalter 65 und 66 der Rechenschaltung 60 nur dann Eingangsspannungen mit ihrem ursprünglichen Vorzeichen an das Glättungsglied 61 legen, wenn die Grenzwertmelder 80 und 81 ansprechen, d.h. die Referenz-Sägezahnkurve über den Grenzwerten y * und ψ r, liegen, und da das Glättungsglied den negativen Mittelwert der gepulsten Eingangsspannungen liefern, werden die Schaltimpulse für die Schalter 65 und 66 am Ausgang der NOR-Glieder 82 und 83 abgegriffen.

Zur Berechnung der Größen i ^ ^ und i«« nach Formel (3) werden die Rechteckkurven für cos ^f und sintp im Vektordreher 90 mit den Eingangsspannungen i , und i « multipliziert. Auch ein derartiger Vektordreher kann vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Rechenschaltung aufgebaut werden. Zunächst wird die Summe a^ = b»c+d»e gebildet, wobei den Eingängen für b und d die Größen i^ und i ₂, den Eingängen für c und e die Größen sin^ und cosu aufgeschaltet wird. Hierzu werden, analog zur Rechenschaltung 60, die Spannungen b und d am Eingang eines Invertierers 91 summiert. Das Invertiererausgangssignal wird über einen Widerstand 92 einem Glättungsglied 93 zugeführt. Ferner werden die Spannungen b und d über die Schalter 94 und 95 und entsprechende Widerstände 96 ebenfalls dem Eingang des Glättungsglie-

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des 93 zugeführt. Da die Widerstände 96 jeweils den halben Widerstandswert des Widerstandes 92 aufweisen, wirken sie als Proportionalglied zur Verdoppelung der von den Schaltern 94 und 95 kommenden Spannungen, die am Eingang 93 mit der vom Invertierer 91 kommenden Spannung additiv verknüpft werden. Am Ausgang des Glättungsglledes 93 kann die Größe al = i^ abgegriffen werden.

Zur Darstellung der Größe i^p ^muß simultan eine Summe a₂ = b*f+d*g gebildet werden. Dies geschieht dadurch, daß das Ausgangssignal des Invertierers 91 über einen weiteren Widerstand 87 an das Glättungsglied 98 gelegt wird. Ferner werden die Spannungen b und d über weitere Schalter 100 und 101 und Widerstände 102 am Eingang des Glättungsgliedes 98 zur Invertiererausgangsspannung addiert.

Da die Widerstände 102 wiederum nur den halben Widerstandswert des Widerstandes 97 besitzen, stellen sie ein Proportionalglied zur Verdoppelung der anliegenden Spannung dar. Am Ausgang a2 wird die Summe abgegriffen.

Zur Realisierung der Formel (3) werden die Schalter 94 und 95 von den Ausgangsimpulsen der NOR-Glieder 82 und 83 betätigt. Da in diesem Falle f = -e und g = c zu setzen ist, wird der zur Spannung b gehörende weitere Schalter 100 von den Komplementärsignal des zum Schalter 95 gehörenden Schaltsignals betätigt, d.h. die nötige Vorzeichenumkehr wird durch eine logische Vertauschung aus dem gleichen Ausgangssignal des Grenzwertmelders 81 abgeleitet. Die Schalter 101 und 94, die zur Darstellung des gleichen Faktors costf benötigt werden, werden mit dem gleichen Ausgangssignal des Grenzwertmelders 80 betätigt.

Auch für den Vektordreher 90 gilt, daß durch die Verwendung gemeinsamer Glättungsglieder für jede Summenbildung das Auftreten störender zeitlicher Verzerrungen weitgehend vermieden wird, da alle Faktoren jeder Summe vom gleichen

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Zeitverhalten des zugehörenden Glättungsgliedes beeinflußt werden. Zeitraubende Abgleicharbeiten sind hierbei vollkommen entfallen. Ferner wird bei diesem Vektordreher noch deutlicher, daß durch die Erfindung der schaltungstechnisehe Aufwand erheblich vermindert wird.

Die Vorteile der Rechenschaltung nach der Erfindung werden schon bei einem Vektoranalysator oder einem Vektordreher allein und in verstärktem Maß bei einer aus beiden Bausteinen zusammengesetzten Schaltung und auch bei anderen Schaltungen erhalten, bei denen eine Summe aus mehreren Produkten von je zwei Faktoren gebildet werden müssen. Ebenso können Summen aus drei oder mehr Produkten auf diese Weise einfach gebildet werden. Für die in Figur 4 dargestellte Anordnung ist es unwesentlich, ob im Vektoranalysator für die Bildung von cos^₆ und sin<p_s der Ausgang ψ der Schaltung in den zur Bildung der Schaltimpulse nötigen Sägezahngenerator zurückgeführt wird oder auf andere Weise ermittelt wird. Ferner kann auch der Vektordreher 80 zur Realisierung der Formel (2) verwendet werden, um beispielsweise einen im feldorientierten System gegebenen Vektor auf das ständerorientierte System zurüDkzutransformieren. In diesem Falle, in dem nur die Vorzeichen der Winkelfunktionen vertauscht werden müssen, müssen lediglich die entsprechenden Schaltimpulse negiert werden.

6 Patentansprüche
4 Figuren

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Zusammenfassung

Zur Bildung von ^E. b.c. werden die Eingangs spannungen b., am Eingang ei:ies Invertierers (63) summiert. Ferner werden die Spannungen b, über je einen Schalter und ein Proportionalglied am Eingang eines Glättungsgliedes (61) mit dem Invertierer-Ausgangssignal summiert. Die Schalter werden rait entsprechend den Paktoren c^ breitenmodulierten Schaltimpulsen betätigt. Die zu berechnende Summe liegt am Ausgang des Glättungsgliedes an. Derart aufgebaute Vektoranalysatoren und Vektordreher ermöglichen die feldoriertierte Regelung von Drehfeldmaschinen mit hoher Genauigkeit.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Pulsbreitenraultiplizierer, bei dem eine dem ersten Faktor eines Produktes entsprechende Eingangsspannung mittels eines Schalters und eines Invertierers mit alternierendem Vorzeichen auf ein Glättungsglied aufschaltbar ist und der Schalter mittels den zweiten Faktor des Produktes darstellenden breitenmodulierten Impulsen betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berech- nung einer Summe (Tb. c.) aus Produkten je zweier Faktoren (b.^, C₁) für alle Produktbildungen innerhalb der zu berechnenden Summe (Σ ^, Q₁) ein gemeinsames Glättungsglied (61) mit einer vorgelagerten Verknüpfungsstelle (62) vorgesehen ist, daß die jeweils dem ersten Faktor (^i= *P_S-| >^_S2^ eines Produktes entsprechenden Eingangsspannungen an einen gemeinsamen Invertierer (63) angeschlossen sind, daß die Invertiererausgangsspannung der Verknüpfungsstelle aufgeschaltet sind, daß die den ersten Faktoren (^j_-= ^ g-j > ψ ^) entsprechenden Eingangsspannungen ferner über getrennte, mittels die zweiten Faktoren Cc₁= cos *f_s, sin <p_g) jedes Produktes darstellenden Schaltimpulsen betätigbare Schalter (65, 66) und ein nachgeschaltetes Proportionalglied (67, 68, 64) ebenfalls der Verknüpfungsstelle aufgeschaltet sind, und daß die zu berechnende Summe (^g-jcos^g + ^f^/ _S2^sin<P_s) ^am Ausgang des Glättungsgliedes (si) abgegriffen ist.
2. 2. Multiplizierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Darstellung der zweiten Faktoren jedes Produktes je ein Grenzwertmelder mit einem binären Ausgangssignal (80, 81) vorgesehen ist, dem eine Sägezahn-Spannungskurve und eine dem Faktor entsprechende Spannung vorgegeben ist, und daß der Grenzwertmelder jeweils beim Schnittpunkt der Sägezahn-Spannungskurve mit der Hilfsspannung sein Ausgangssignal ändert.

   030048/U1B1

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3. 3. Multiplizierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß für alle Produkte als Sägezahnspannungskurve eine gemeinsame Dre..eckskurve konstanter Amplitude und konstanter Frequenz erzeugt wird und daß die Hilfsspannungen als den zweiten Faktoren der Produkte proportionale Bruchteile der Dreiecksaiaplitude vorgegeben sind.
4. 4. Multiplizierer nach einem der Ansprache 1 bis 3> d a durch gekennzeichnet, daß zur simultanen Bildung zweier Summen a>, = b«c+d*e und a2=b.f+d«g jeweils die den ersten Faktoren entsprechenden Eingangsspannungen (b = i ., d = igp) über je einen weiteren, entsprechend den zweiten Faktoren (f= -sin<p , g= cos if ) betätigbaren Schalter (100, 101) und ein weiteres Proportionalglied (92, 96) und die Invertierer-(91)Ausgangsspannung einer einem weiteren Glättungsglied (98) vorgelagerten weiteren Verknüpfungsstelle aufgeschaltet sind, und daß die zu berechnende zweite Summe (^^φ?^ ^am ^-^usg^ang des weiteren Glättungsgliedes (98) abgegriffen ist.
5. 5. Multiplizierer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß für den Fall f = -e und g = c die zur Darstellung dieser Faktoren f. und g nötiger Schaltimpulse der weiteren Umschalter (IOO, 101) von den zur Darstellung der Faktoren e und c verwendeten Schaltimpulsen abgegriffen und das negative Vorzeichen durch ein Inversionsglied (83) erhalten ist.
6. 6. Anwendung des Multiplizierers nach eine/n der Ansprüche 1 bis 5 bei einem Vektoranalysator und/oder einem Vektordreher für die feldorientierte Regelung von Drehfeldmaschinen.

   030048/0161