DE19827948A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen Wandlers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen WandlersInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen Wandlers und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß wird ein Phasenmeßsignal (S¶phi¶) zwischen einem ermittelten Polaritätssignal (S¶IVZ¶) eines Primärstromes (i¶p¶) des Wandlers und einem aus einem erzeugten Frequenzsignal (f) generierten, frequenzproportionalen Rechtecksignal (S¶UVZ¶) synchron zur Grundschwingungsperiode dieses Rechtecksignals (S¶UVZ¶) ermittelt, wobei aus diesem ermittelten Phasenmeßsignal (S¶phi¶) derart ein Frequenzssignal (f) generiert wird, daß das Phasenmeßsignal (S¶phi¶) im Übertragungsminimum zu Null wird. Somit kann mittels einer Phasenregelung im Übertragungsminimum die Betriebsfrequenz bei Lastschwankungen schnell nachgeführt werden, ohne daß der Phasenregelkreis außer Tritt fällt, wobei sich die Stabilität der Regelschleife deutlich erhöht.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Frequenzre
gelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen Wandlers
und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Elektronische Baugruppen, die gegenüber Erde auf hohem und
sich schnell ändernden elektrischen Potential betrieben wer
den, wie z. B. Ansteuerschaltungen für elektrische Leistungs
halbleiter oder Strommeßeinrichtungen, stellen an ihre Ener
gieversorgung extreme Anforderungen. Die für den Betrieb der
Baugruppe benötigte elektrische Energie muß potentialfrei auf
das hohe Spannungsniveau übertragen werden, ohne daß ein
elektrischer Überschlag und damit eine Gefährdung von Perso
nen auftreten kann. Zur Vermeidung von kapazitiven Ableit
strömen und den damit verbundenen Potentialschwankungen auf
der Baugruppe darf nur eine sehr geringe kapazitive Verkopp
lung mit der speisenden Energieversorgung vorhanden sein. Des
weiteren lassen sich die immer strengeren Vorschriften zur
elektromagnetischen Verträglichkeit mit den herkömmlichen
Schaltnetzteilen nur schwer erfüllen.
Die potentialgetrennte Übertragung elektrischer Energie er
folgt fast ausschließlich mit magnetischen Transformatoren.
Der Isolationsaufwand wächst jedoch stark mit dem zu über
brückenden Potentialunterschied. Insbesondere die begrenzte
Teilentladungsfestigkeit der eingesetzten Isolierstoffe und
Vergußmaterialien bereiten dabei Probleme. Die Koppelkapazi
tät zwischen Primär- und Sekundärseite ist nicht vernachläs
sigbar.
Die potentialgetrennte Übertragung der Energie kann aber auch
auf akustischem Wege erfolgen. Dabei wird ausgenutzt, daß
sich Schall in Festkörpern verlustarm ausbreitet. Die Schall
wellen werden auf der Primärseite durch Anlegen einer elek
trischen Wechselspannung an den Elektroden einer piezoelek
trischen Keramik über den inversen Piezoeffekt erzeugt. Sie
breiten sich über einen als akustischen Wellenleiter dienen
den Festkörper aus und werden auf der Sekundärseite über den
Piezoeffekt wieder in eine elektrische Wechselspannung umge
wandelt.
Die Übertragungscharakteristik eines solchen Piezotransforma
tors weist ebenso wie seine Eingangsimpedanz eine starke Fre
quenzabhängigkeit auf. Die Übertragungsmaxima sind verhält
nismäßig schmalbandig. Die Resonanzfrequenzen verschieben
sich mit der Last, unterliegen einer Temperaturdrift und
streuen fertigungsbedingt. Da der Wirkungsgrad und damit die
übertragbare Leistung in der Nähe der mechanischen Resonanzen
maximal wird, ist eine exakte Nachführung der Betriebsfre
quenz notwendig. Dies stellt eines der größten Probleme beim
Einsatz der Piezotransformatoren dar.
Aus dem Lehrbuch "Piezoxide (PXE) - Eigenschaften und Anwen
dungen" von J. Koch, 1988, insbesondere den Seiten 29 und 30,
ist ein piezoelektrischer Wandler bekannt, der mit einer In
duktivität abgestimmt ist. Diese Abstimmung ist sowohl durch
eine Parallel- als auch durch eine Serieninduktivität mög
lich. Durch die Vorschaltung einer Drossel auf der Primärsei
te des Piezotransformators wird ein weiterer Energiespeicher
hinzugefügt. Die Drossel und die Metallisierungskapazität des
Piezotransformators bilden zusammen mit dem mechanischen Sy
stem zwei gekoppelte Schwingkreise. Werden die beiden Reso
nanzfrequenzen aufeinander abgestimmt, so erhält man die von
gekoppelten Schwingkreisen bekannte Durchlaßkurve, die bei
mittlerer Kopplung und nicht so starker Dämpfung zwei neben
einander liegende Maxima aufweist. Die Eingangsimpedanz eines
derartigen serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers er
hält deshalb zum einen eine zusätzliche Nullstelle und zum
anderen bewirkt die Erhöhung der Bandbreite, daß die Pol- und
Nullstellen erheblich weiter auseinander liegen (Fig. 3). Wie
die Signalverläufe dieser beiden Fig. 3 und 4 zeigen, be
steht jetzt bei einem Lastwechsel nicht mehr die Gefahr, daß
die Frequenzen so weit verschoben werden können, daß sich der
Regelsinn umkehrt. Da jetzt allerdings drei Phasennulldurch
gänge vorhanden sind (Fig. 4), müssen Vorkehrungen getroffen
werden, die den richtigen Betriebspunkt sicherstellen. In den
Diagrammen gemäß der Fig. 3 und 4 sind jeweils drei Betriebs
zustände dargestellt. Die durchgehende Linie zeigt einen Be
lastungsfall, die Strich-Punkt-Linie den Kurzschlußfall und
die unterbrochene Linie den Leerlauffall.
Zur Nachführung von Betriebsfrequenzen werden vor allem Nach
laufsynchronisationen, auch als Phasenregelkreise bzw. PLLs
bezeichnet, eingesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, die Fre
quenz eines Oszillators so einzustellen, daß sie mit der Fre
quenz eines Bezugsoszillators übereinstimmt, und zwar so ge
nau, daß die Phasenverschiebung nicht wegläuft. Eine derarti
ge Nachlaufsynchronisation ist aus dem Lehrbuch "Halbleiter-
Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, insbesondere
dem Kapitel 26.4, Seiten 817 bis 829, 1983, bekannt.
Aus der EP 0 788 218 A2 ist ein DC-DC-Wandler mit piezoelek
trischem Wandler bekannt, der zur potentialfreien Energiever
sorgung einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiter
schalters einer Stromrichterschaltung aus deren Gleichspan
nungs-Zwischenkreis verwendet wird. Dieser DC-DC-Wandler
weist einen modifizierten Wechselrichter-Brückenzweig auf,
der eingangsseitig über einen Eingangsfilter mit dem Gleich
spannungs-Zwischenkreis und ausgangsseitig über einen eine
Induktivität und einen piezoelektrischen Übertrager aufwei
senden Schwingkreis und eine sekundärseitige Gleichrichter
schaltung mit der Ansteuerschaltung elektrisch leitend ver
bunden ist, wobei diesem modifizierten Wechselrichter-
Brückenzweig ein Taktgenerator mit einer Energieversorgung
zugeordnet ist, die eingangsseitig am Gleichspannungs-
Zwischenkreis und ausgangsseitig mit dem Taktgenerator ver
bunden ist. Außerdem ist ein Rückkopplungsnetzwerk vorgese
hen, das zwei Kondensatoren und eine Zenerdiode aufweist.
Eingangsseitig ist dieses Rückkopplungsnetzwerk mit dem
Schwingkreis und ausgangsseitig mit dem Taktgenerator gekop
pelt. Die über den einen Kondensator ausgekoppelte Piezospan
nung wird mittels der Zener-Diode amplitudenbegrenzt. Mittels
des Rückkopplungsnetzwerkes wird eine zusätzliche Ladung in
Abhängigkeit der Phasenlage der Piezospannung in die Kapazi
tät des zeitbestimmenden Gliedes des Taktoszillators einge
speist. Befindet sich die Frequenz des Taktoszillators ober
halb der Frequenz, bei der maximale Leistungsübertragung ein
tritt (Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Übertragers),
so wirkt der Strom des Rückkopplungsnetzwerkes dem eingepräg
ten Strom entgegen, so daß die Frequenz des Taktoszillators
herabgesetzt wird. Ändert sich die Resonanzfrequenz des pie
zoelektrischen Übertragers aufgrund geänderter sekundärer Be
lastung, und somit die Phasenlage der Piezospannung in bezug
auf den durch die Induktivität vorgegebenen Piezostrom, so
wird der Taktoszillator mitgezogen.
Die Anforderungen an den Taktoszillator bezüglich der Fre
quenz- und Temperaturstabilität sind hoch, da der Ziehbereich
des Oszillators beschränkt ist. Ferner muß das Einrasten des
durch das Rückkopplungsnetzwerk mitgezogenen Oszillators si
chergestellt werden. Bauelemente mit definierten Temperatur
koeffizienten sind im Bereich des Oszillators zwingend erfor
derlich. Die mögliche Bautoleranz der die Frequenz bestimmen
den Elemente sollte 1% nicht überschreiten. Ein Einzelab
gleich kann, je nach Anforderung an den DC-DC-Wandler, not
wendig sein.
Aus der EP 0 758 159 A2 ist ein Verfahren zur Frequenzrege
lung eines piezoelektrischen Wandlers bekannt, wobei die Fre
quenznachführung durch ein pulsweitenmoduliertes Signal er
folgt. Dieser Piezotransformator wird bei Personalcomputern
zur Versorgung einer Lichtquelle verwendet, die ein von hin
ten einfallendes Licht für einen Flüssigkristallbildschirm
generiert. Als Lichtquelle wird eine Kaltkathodenlampe ver
wendet, die einen sehr hohen Widerstand von beispielsweise
mehreren hundert Kiloohm vor dem Einschalten und einen klei
nen Widerstand nach dem Einschalten aufweist. Der piezoelek
trische Wandler weist eine plattenförmige Piezokeramik und
eine hart schaltende Spannungsquelle auf. Die plattenförmige
Piezokeramik ist auf der einen Hälfte oben und unten metalli
siert und auf der anderen Hälfte an der Stirnseite metalli
siert. Primär- und Sekundärseite sind dadurch galvanisch mit
einander verbunden. Als hart schaltende Spannungsquelle sind
zwei elektrisch in Reihe geschaltete Schalter, die elektrisch
parallel zu einer Gleichspannungsquelle geschaltet sind, vor
gesehen. Da die Primär- und Sekundärseite dieses piezoelek
trischen Wandlers galvanisch gekoppelt sind, kann die Nach
führung der Betriebsfrequenz in Abhängigkeit der Ausgangs
spannung des Wandlers erfolgen.
Da die Piezokeramik aufgrund der Metallisierungskapazität
primärseitig im wesentlichen ein kapazitives Verhalten zeigt,
kann diese Piezokeramik nicht direkt aus einer hart schalten
den Spannungsquelle gespeist werden. Deshalb weist der piezo
elektrische Wandler gemäß der Entgegenhaltung EP 0 758 159 A2
ein Beschaltungsnetzwerk aus Drosseln und Kondensatoren auf,
das eine optimale Energieübertragung sicherstellen soll.
Nachteilig ist dabei, daß die Schaltung durch die hinzugefüg
ten Schwingkreise recht empfindlich auf Bauteiletoleranzen
reagiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Frequenzregelung eines serienabge
stimmten piezoelektrischen Wandlers anzugeben, das gegenüber
Bauteiletoleranzen unempfindlich ist, das leerlauf- und kurz
schlußfest ist und das weder bei Lastschwankungen noch bei
hoher Belastung außer Tritt fällt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 bzw. 9.
Durch die Verwendung der Phasenlage des primärseitigen Stro
mes des serienabgestimmten Wandlers als Regelgröße kann mit
tels einer Phasenregelung im Übertragungsminimum die Be
triebsfrequenz bei Lastschwankungen schnell nachgeführt wer
den, ohne daß das Regelverfahren außer Tritt fällt. Da außer
dem die Phasenmessung zur Periodendauer der Betriebsfrequenz
synchronisiert und über eine Periode integrierend gemessen
wird, verbessert sich deutlich die Stabilität der Regel
schleife, da auf eine Tiefpaß-Glättung bei der Phasenmessung
verzichtet werden kann. Trotz I-Anteil im Phasenregelkreis
wird dadurch ein stabiler Betrieb ohne Schwingneigung vom
Leerlauf bis zum Kurzschluß erreicht. Die integrierende Meß
werterfassung hat zudem den Vorteil, daß kurzzeitige Fehler
im Stromvorzeichensignal, wie sie bei Umschaltvorgängen ent
stehen können, praktisch keinen Einfluß auf das Meßergebnis
haben. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Frequenzregelung
ein serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler im Punkt des
maximalen Wirkungsgrades vom Leerlauf bis zum Kurzschluß be
trieben werden.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Frequenzregelung wird
durch ein Suchverfahren der Regelbereich ausgehend von einer
Startfrequenz ermittelt, indem über die Phasenlage des pri
märseitigen Stromes die optimale Betriebsfrequenz eingestellt
werden kann. Die in den Unteransprüchen 2 und 3 angegebenen
Suchverfahren unterscheiden sich von der Lage der Startfre
quenz bezüglich des Regelbereichs.
Liegt die Startfrequenz außerhalb eines vorbestimmten Regel
bereichs, wird die Betriebsfrequenz so lange erhöht oder er
niedrigt, bis ein Phasennulldurchgang überschritten worden
ist. Diese Phasennulldurchgänge liegen bei den beiden Über
tragungsmaxima, wobei der Phasennulldurchgang des Regelbe
reichs beim Übertragungsminimum liegt, wobei das Übertra
gungsminimum mittig zwischen den beiden Übertragungsmaxima
liegt. Ist beim Suchverfahren ein Phasennullpunkt überschrit
ten, wird in den geregelten Betrieb umgeschaltet. Bei der
Festlegung der Startfrequenz müssen alle Toleranzen derart
berücksichtigt werden, daß die Startfrequenz immer außerhalb
eines vorbestimmten Regelbereiches liegt.
Das Suchverfahren gemäß Anspruch 3 ist unabhängig von der
Startfrequenz. Immer dann, wenn entweder ein vorbestimmter
oberer oder unterer Frequenzgrenzwert über- oder unterschrit
ten wird, wird von der Frequenzregelung in eine Frequenz
steuerung umgeschaltet, wobei in umgekehrter Suchrichtung die
Betriebsfrequenz so lange gesteuert erniedrigt oder erhöht
wird, bis ein Phasennulldurchgang überschritten worden ist.
Sobald dies zutrifft, wird wieder in die Frequenzregelung um
geschaltet. Da bei diesem Suchverfahren die obigen Annahmen
bezüglich der Toleranzen nicht gemacht werden müssen und die
Startfrequenz in den meisten Fällen bereits innerhalb eines
vorbestimmten Regelbereichs liegt, ist dieses Suchverfahren
bevorzugt zu verwenden. Außerdem weist dieses suchverfahren
den größten Frequenzsuchbereich auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser beiden vorteil
haften Verfahren zur Frequenzregelung sind den Unteransprü
chen 4 bis 6 zu entnehmen.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren zur Frequenzrege
lung wird in Abhängigkeit von unterschiedlichen Versorgungs
spannungen der Aussteuergrad der Ansteuersignale derart ver
ändert, daß diese unterschiedlichen Versorgungsspannungen
kompensiert werden. Dadurch wird ein weiter Versorgungsspan
nungsbereich bei annähernd gleichbleibender Ausgangsspannung
des Wandlers erzielt, ohne daß die Ausgangsspannung auf die
Primärseite des Wandlers rückgekoppelt werden muß.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer Vor
richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten piezoelektri
schen Wandlers schematisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Energieübertra
gungssystems, in
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs
form einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens dargestellt, in der
Fig. 3 ist in einem Diagramm über der Frequenz f die Ein
gangsimpedanz des serienabgestimmten piezoelektri
schen Wandlers dargestellt, wobei die
Fig. 4 in einem Diagramm über der Frequenz f den zugehöri
gen Phasenfrequenzgang zeigt, die
Fig. 5-7 zeigen jeweils weitere Ausführungsformen der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des er
findungsgemäßen Verfahrens, die
Fig. 8 zeigt in einem Diagramm über der Zeit t die An
steuerspannung des serienabgestimmten Wandlers, in
der
Fig. 9 ist eine vorteilhafte Realisierung der Vorrichtung
gemäß Fig. 6 veranschaulicht, und die
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der
Phasenmeßeinrichtung der Vorrichtung zur Durchfüh
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in der
Fig. 11 die zugehörigen Signalverläufe der Ausführungsform
gemäß Fig. 10 dargestellt sind.
In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Energieübertra
gungssystems dargestellt, mit dem man beispielsweise elektro
nische Baugruppen, die gegenüber Erde auf hohem und sich
schnell ändernden elektrischen Potential betrieben werden,
wie z. B. Ansteuerschaltungen für elektrische Leistungshalb
leiter oder Strommeßeinrichtungen, mit elektrischer Energie
versorgen kann, wobei diese potentialfrei auf das hohe Span
nungsniveau übertragen werden muß. Dieses Energieübertra
gungssystem besteht aus einer piezoelektrischen Keramik 2,
einem Leistungsteil 4, einem Regelungsteil 6, einer Gleich
richter- und Filterschaltung 8 und einer Last 10. Der Lei
stungsteil 4 weist ein Stellglied, eine Anpassungsdrossel und
eine Einrichtung zur Erfassung der Polarität eines Primär
stromes ip auf. Dieses ermittelte Polaritätssignal SIVZ wird
dem Regelungsteil 6 zugeführt. Eine erste Ausführungsform
dieses Regelungsteils 6 ist in der Fig. 2 näher dargestellt
und generiert Ansteuersignale St für das Stellglied des Lei
stungsteils 4. Außerdem wird dem Regelungsteil 6 ein Span
nungswert USL der Spannungsversorgung des Leistungsteils 4
zugeführt. Wird der Leistungsteil 4 und der Regelungsteil 6
aus derselben Spannungsversorgung gespeist, so entfällt die
Zuführung des Spannungswertes USL.
Durch die Vorschaltung einer Anpassungsdrossel auf der Pri
märseite der piezoelektrischen Keramik 2 wird ein weiterer
Energiespeicher hinzugefügt. Die Anpassungsdrossel und die
Metallisierungskapazität bilden zusammen mit dem mechanischen
System zwei gekoppelte Schwingkreise. Werden die beiden Reso
nanzfrequenzen aufeinander abgestimmt, so erhält man die von
gekoppelten Schwingkreisen bekannte Durchlaßkurve, die bei
mittlerer Kopplung und nicht so starker Dämpfung zwei neben
einander liegende Maxima aufweist. Die Eingangsimpedanz Z,
die im Diagramm über der Frequenz f gemäß Fig. 3 näher darge
stellt ist, erhält deshalb zum einen eine zusätzliche Null
stelle und zum anderen bewirkt die Erhöhung der Bandbreite,
daß die Pol- und Nullstellen erheblich weiter auseinander
liegen. Bei einem Lastwechsel besteht jetzt nicht mehr die
Gefahr, daß die Frequenz so weit verschoben werden kann, daß
sich der Regelsinn umkehrt. Der zur Durchlaßkurve zugehörige
Phasenfrequenzgang des Primärstromes iP ist im Diagramm über
der Frequenz f gemäß Fig. 4 näher dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs
form einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur
Frequenzregelung gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung weist
eine Phasenmeßeinrichtung 12, einen I-Regler 14, einen Fre
quenzgenerator 16 und eine Einrichtung 18 zur Generierung von
Ansteuersignalen St auf. Die Phasenmeßeinrichtung 12, von der
eine vorteilhafte Ausführungsform in der Fig. 10 näher darge
stellt ist, ist ausgangsseitig mit dem Eingang des I-Reglers 14
verbunden, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Fre
quenzgenerators 16 verknüpft ist. Ausgangsseitig ist dieser
Frequenzgenerator 16 einerseits mit einem Eingang der Ein
richtung 18 zur Generierung von Ansteuersignalen St und ande
rerseits mit einem Signal-Eingang 20 der Phasenmeßeinrichtung
12 verbunden. Am zweiten Signal-Eingang 22 steht das ermit
telte Polaritätssignal SIVZ an. Außerdem ist ein Trigger-
Ausgang des Frequenzgenerators 16 mit einem Trigger-Eingang
24 der Phasenmeßeinrichtung 12 verbunden. Mittels dieser Ver
bindung gelangt ein vom Frequenzgenerator 16 generiertes
Trigger-Signal STr zur Phasenmeßeinrichtung 12. Am Ausgang 26
der Phasenmeßeinrichtung 12 steht ein Phasenmeßsignal Sϕ zur
Verfügung, das die Phasendifferenz der beiden Eingangssignale
SIVZ und SUVZ anzeigt. Mittels des I-Reglers 14 wird ein Fre
quenzsignal f erzeugt, das dafür sorgt, daß das Phasenmeßsig
nal Sϕ zu Null wird. Am Ausgang des Frequenzgenerators 16
steht ein frequenzproportionales Rechtecksignal SUVZ an. Aus
diesem frequenzproportionalen Rechtecksignal SUVZ werden mit
tels der Einrichtung 18 Ansteuersignale St generiert. Wie
diese Ansteuersignale St generiert werden, hängt von der Aus
gestaltung des Stellgliedes des Leistungsteils 4 ab. Wird als
Stellglied eine schaltende Spannungsquelle verwendet, so er
hält man als Ansteuerspannung uq eine rechteckförmige Span
nung gemäß Fig. 8.
In der Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darge
stellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der er
sten Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, daß eine Suchschal
tung 28, mit der ein Frequenzbereich eines stabilen Regelbe
reiches gesucht wird, und eine Einrichtung 30 zur Einstellung
eines Aussteuergrades vorgesehen sind. Die Suchschaltung 28
weist eine Ablaufsteuereinrichtung 32, eine Einrichtung 34
zur Generierung eines Phasensuchwertes SϕK, einen Glättungs
filter 36 und einen Umschalter 38 auf. Die Ablaufsteuerein
richtung 32 ist eingangsseitig einerseits mit dem Ausgang des
I-Reglers 14 und andererseits mit dem Ausgang des Glättungs
filters 36 und ausgangsseitig jeweils mit einem Steuereingang
der Einrichtung 34 und des Umschalters 38 verknüpft. Aus
gangsseitig ist dieser Umschalter 38 mit dem Eingang des
I-Reglers 14 und eingangsseitig einerseits mit dem Ausgang der
Einrichtung 34 und andererseits mit dem Ausgang 26 der Pha
senmeßeinrichtung 12 verbunden. Das Glättungsfilter 36, das
beispielsweise ein Verzögerungsglied erster Ordnung ist, ist
eingangsseitig ebenfalls mit dem Ausgang 26 der Phasenmeßein
richtung 12 verknüpft. Die Ablaufsteuereinrichtung 32 weist
zwei weitere Eingänge 40 und 42 auf, an denen ein oberer und
unterer Stellfrequenz-Grenzwert fmax und fmin anstehen. Die
Einrichtung 30 zur Einstellung eines Aussteuergrades ist mit
der Einrichtung 18 zur Generierung von Ansteuersignalen St
verbunden.
Anhand dieser Ausführungsform und des Phasenfrequenzganges
gemäß Fig. 4 soll im folgenden das Verfahren zur Frequenzrege
lung näher erläutert werden:
Das ermittelte Polaritätssignal SIVZ wird zusammen mit einem frequenzproportionalen Rechtecksignal S'UVZ bzw. SUVZ gemäß Fig. 2 der Phasenmeßeinrichtung 12 zugeführt. Das frequenzpro portionale Rechtecksignal S'UVZ ist um 90° versetzt zum fre quenzproportionalen Rechtecksignal SUVZ. Dieses um 90° ver setzte Rechtecksignal S'UVZ wird benötigt, um die Phasenmeß einrichtung 12 besonders einfach aufbauen zu können (Fig. 10). Ansonsten wird das Rechtecksignal Surz gemäß Fig. 2 verwendet. Am Ausgang der Phasenmeßeinrichtung 12 steht ein Phasenmeßsi gnal Sϕ an, aus dem mittels des I-Reglers 14 ein Frequenzsi gnal f erzeugt wird. Dieses Frequenzsignal f wird in ein fre quenzproportionales Rechtecksignal SUVZ und ein dazu um 90° versetztes Rechtecksignal S'UVZ umgesetzt. Das Frequenzsig nal f ist derart generiert, daß das Phasenmeßsignal Sϕ zu Null wird.
Das ermittelte Polaritätssignal SIVZ wird zusammen mit einem frequenzproportionalen Rechtecksignal S'UVZ bzw. SUVZ gemäß Fig. 2 der Phasenmeßeinrichtung 12 zugeführt. Das frequenzpro portionale Rechtecksignal S'UVZ ist um 90° versetzt zum fre quenzproportionalen Rechtecksignal SUVZ. Dieses um 90° ver setzte Rechtecksignal S'UVZ wird benötigt, um die Phasenmeß einrichtung 12 besonders einfach aufbauen zu können (Fig. 10). Ansonsten wird das Rechtecksignal Surz gemäß Fig. 2 verwendet. Am Ausgang der Phasenmeßeinrichtung 12 steht ein Phasenmeßsi gnal Sϕ an, aus dem mittels des I-Reglers 14 ein Frequenzsi gnal f erzeugt wird. Dieses Frequenzsignal f wird in ein fre quenzproportionales Rechtecksignal SUVZ und ein dazu um 90° versetztes Rechtecksignal S'UVZ umgesetzt. Das Frequenzsig nal f ist derart generiert, daß das Phasenmeßsignal Sϕ zu Null wird.
Wird angenommen, daß die Startfrequenz fSt zwischen den bei
den Übertragungsmaxima, das sind die Nullstellen der Ein
gangsimpedanz Z (Fig. 3), liegt und einen Wert von beispiels
weise 45 kHz hat, kann über das Polaritätssignal SIVZ des Pri
märstromes ip des serienabgestimmten piezoelektrischen Wand
lers die optimale Betriebsfrequenz f gemäß Fig. 4 von etwa
47 kHz (Phasennulldurchgang) eingestellt werden. Auch ausge
hend von einer Startfrequenz fSt = 49 kHz würde sich die op
timale Betriebsfrequenz beispielsweise auf f ≈ 47 kHz mittels
des Polaritätssignals SIVZ des Primärstromes ip einstellen.
Da es aufgrund von Toleranzen auch vorkommen kann, daß die
Startfrequenz fSt nicht zwischen den beiden Übertragungsmaxi
ma liegt, muß möglichst automatisch der stabile Regelungsbe
reich für die Betriebsfrequenz gefunden werden. Für diesen
Suchvorgang ist die Suchschaltung 28 vorgesehen. Damit der
Suchvorgang automatisch ablaufen kann, wird bei einer ersten
Ausführungsform des Suchverfahrens angenommen, daß beim Start
der Frequenzregelung die Startfrequenz fSt immer außerhalb
des stabilen Regelungsbereiches für die Betriebsfrequenz
liegt.
Die Startfrequenz fSt weist den oberen oder unteren Frequenz
grenzwert fmax oder fmin also beispielsweise einen Wert von
42 kHz oder 52 kHz auf. Beim Starten verbindet der Umschalter
38 die Einrichtung 34 zur Generierung eines Phasensuchwertes
SϕK mit dem I-Regler 14. Da der Ablaufsteuereinrichtung 32
bekannt ist, ob von einer niedrigen oder hohen Frequenz ge
startet wird, wird der Phasensuchwert SϕK so vorgegeben, daß
entweder die Frequenz erhöht oder erniedrigt wird. Während
dieses Suchvorgangs überwacht die Ablaufsteuereinrichtung 32
das geglättete Phasenmeßsignal Sϕ und das Frequenzsignal f.
Sobald das geglättete Phasenmeßsignal Sϕ zum erstenmal Null
wird, befindet man sich mit der Betriebsfrequenz wieder in
dem Frequenzbereich, bei dem der Regelsinn der Vorrichtung
korrekt ist. Nachdem der Phasennulldurchgang überschritten
ist, steuert die Ablaufsteuereinrichtung 32 den Umschalter 38
derart, daß der Ausgang 26 der Meßeinrichtung 12 mit dem Ein
gang des I-Reglers 14 verbunden ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Suchverfahrens kann die
Startfrequenz fSt sowohl innerhalb als auch außerhalb des
stabilen Regelbereichs liegen. Beim Starten beginnt dieses
Suchverfahren im geregelten Betrieb, d. h. der Umschalter 38
verbindet den I-Regler 14 mit dem Ausgang der Phasenmeßein
richtung 12, an dem das Phasenmeßsignal Sϕ ansteht. Wenn die
Startfrequenz fSt im stabilen Regelbereich liegt, stellt der
I-Regler 14 anhand des zugeführten Phasenmeßsignals Sϕ wie
oben beschrieben die optimale Betriebsfrequenz ein. Wenn die
Startfrequenz fSt nicht innerhalb des stabilen Regelbereichs
liegt, also beispielsweise bei etwa 51 kHz oder bei etwa 43 kHz
(Fig. 4), wird durch die Frequenzregelung die Betriebsfre
quenz in Richtung des oberen bzw. unteren Stellfrequenz-
Grenzwertes fmax bzw. fmin des Frequenzgenerators 16 erhöht
bzw. erniedrigt.
Diese Frequenzwerte fmax und fmin sind der Ablaufsteuereinrich
tung 32 zugeführt. Sobald die Ablaufsteuereinrichtung 32
feststellt, daß das Frequenzsignal f den oberen oder unteren
Stellfrequenz-Grenzwert, beispielsweise fmax = 52 kHz oder
fmin = 42 kHz (Fig. 4), erreicht hat, wird ein Steuersignal SSU
von der Ablaufsteuereinrichtung 32 generiert, mit dem der Um
schalter 38 derart betätigt wird, daß die Einrichtung 34 aus
gangsseitig mit dem I-Regler 14 verbunden ist. Außerdem wird
mittels des Steuersignals SSP die Suchrichtung vorgegeben.
D.h., ausgehend von einer oberen oder unteren Stellfrequenz
grenze des Frequenzgenerators 16 wird die Frequenz so lange
erniedrigt oder erhöht, bis ein Phasennulldurchgang über
schritten wird. Nachdem der Phasennulldurchgang überschritten
ist, befindet man sich wieder im stabilen Regelungsbereich
für die Betriebsfrequenz, so daß wieder die Phasenregelung
zugeschaltet werden kann.
Bei den beiden oben beschriebenen Ausführungsformen des Such
verfahrens wird zum schnelleren Auffinden der optimalen Be
triebsfrequenz jeweils der äußere Frequenzbereich des stabilen
Regelbereichs nicht gesteuert durchlaufen. D.h., es wird
nicht sofort nach dem gesteuerten Durchlaufen des Phasennull
durchganges in den geregelten Betrieb umgeschaltet, sondern
erst dann, wenn sich die Betriebsfrequenz in unmittelbarer
Nähe der optimalen Betriebsfrequenz befindet. Dazu wird das
geglättete Phasenmeßsignal Sϕ derart mit dem abgespeicherten
charakteristischen Phasenfrequenzgang verglichen, da erst
dann in den geregelten Betrieb umgeschaltet wird, wenn der
Betrag des geglätteten Phasenmeßsignals Sϕ nach dem Null
durchgang wieder unter eine vorgegebene Schwelle, die bei
spielsweise 30° betragen kann, fällt. Generell kann zum
schnelleren Auffinden der optimalen Betriebsfrequenz immer
dann, wenn der Betrag des geglätteten Phasenmeßsignals Sϕ,
beispielsweise nach einem Lastwechsel über dem vorgegebenen
Phasenschwellwert liegt, die Betriebsfrequenz entsprechend
gesteuert vorgegeben werden.
Damit beim Suchvorgang alle Resonanzfrequenzen gefahrlos,
d. h. ohne das Auftreten von unzulässig hohen Strom- oder
Spannungswerten und den damit verbunden unzulässig hohen me
chanischen Belastungen der Keramik, durchlaufen werden kön
nen, wird mittels der Einrichtung 30 zur Einstellung des Aus
steuergrades die Einrichtung 18 zur Generierung von Ansteuer
signalen St so gesteuert, daß die Ansteuerspannung uq einen
kleinen Aussteuerungsgrad aufweist. Erst nach einer vorgege
benen Verzögerungszeit nach der sichergestellt ist, daß die
optimale Betriebsfrequenz gefunden worden ist, wird der Aus
steuerungsgrad der Ansteuerspannung auf einen vorgegebenen
Wert erhöht.
Dadurch, daß man für die Frequenzregelung eines serienabge
stimmten piezoelektrischen Wandlers das Polaritätssignal SIVZ
des Primärstromes ip dieses Wandlers verwendet und die Be
triebsfrequenz dieses Wandlers auf das Übertragungsminimum
(Maximum der Eingangsimpedanz Z) geregelt wird, erhält man
eine Regelung, die weder bei Belastungsänderung noch bei zu
hoher Belastung außer Tritt fällt und deren Frequenznachfüh
rung unempfindlich gegenüber Streuungen der Anpassungsdrossel
ist, so daß das Energieversorgungssystem gemäß Fig. 1 leer
lauf- und kurzschlußfest ist.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung
zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten piezoelektri
schen Wandlers, die sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 5
dadurch unterscheidet, daß eine Einrichtung 46 zur Versor
gungsspannungskompensation vorgesehen ist. Zu diesem Zweck
wird auch die Einrichtung 30 zur Einstellung des Aussteuer
grades durch die im Funktionsumfang erweiterte Einrichtung 49
ersetzt. Dem Eingang der Einrichtung 46 wird ein dem Span
nungswert USL der Spannungsversorgung des Leistungsteils 4
proportionales Signal U'SL zugeführt. Da die Einrichtung 46
erst nach der abgeschlossenen Frequenz suche direkt für die
Einstellung des Aussteuergrades verwendet wird, ist noch ein
Umschalter 48 vorgesehen. Dieser Umschalter 48 ist eingangs
seitig entweder mit einem Signalausgang 47 der Einrichtung 49
oder mit dem Ausgang der Einrichtung 46 verbunden. Ausgangs
seitig ist der Umschalter 48 mit einem Steuereingang der Ein
richtung 18 verbunden. Die Einrichtung 49 hat einen Eingang,
der mit dem Ausgang der Einrichtung 46 verbunden ist, und ge
neriert zusätzlich das Steuersignal SSH, das am Steuerausgang
51 der Einrichtung 49 ansteht und mit dem der Umschalter 48
betätigt wird. Während der vorgegebenen Verzögerungszeit, al
so solange der Frequenzsuchvorgang noch aktiv sein könnte,
wird der Schalter 48 so angesteuert, daß die Einrichtung 18
zur Generierung der Ansteuerimpulse mit dem Ausgang 47 der
Einrichtung 49 verbunden ist. Damit beim Suchvorgang wieder
alle Resonanzfrequenzen gefahrlos durchlaufen werden können,
wird auch mittels der Einrichtung 49 wie bereits zuvor mit
tels der Einrichtung 30 die Einrichtung 18 zur Generierung
von Ansteuersignalen St so gesteuert, daß die Ansteuerspan
nung uq einen kleinen Aussteuerungsgrad aufweist. Im Unter
schied zur Einrichtung 30 wird der Aussteuergrad nach einer
vorgegebenen Verzögerungszeit bei der Einrichtung 49 nicht
auf einen vorgegebenen Wert, sondern auf den am Eingang der
Einrichtung 49 anliegenden Wert erhöht. Sobald dieser Wert
erreicht worden ist, wird der Schalter 48 umgeschaltet, so
daß die Einrichtung 46 direkt mit der Einrichtung 18 verbun
den ist. Mittels dieser Einrichtung 46 werden Schwankungen im
Spannungswert USL der Spannungsversorgung des Leistungsteils
4 ausgeglichen. Dazu weist diese Einrichtung 46 einen Kennli
niengeber auf, der ein Ausgangssignal SUSL in Abhängigkeit vom
Eingangssignal U'SL generiert. Mittels diesem Steuersignal
SUSL wird die Pulsbreite derart verändert, daß der Schwankung
des Spannungswertes USL der Spannungsversorgung des Lei
stungsteils 4 entgegengewirkt wird. Gemäß Fig. 8 wird die
Pulsbreite stets symmetrisch im Schaltintervall tSchalt ver
stellt und nicht asynchron wie bei dem Verfahren zur Fre
quenzregelung gemäß der eingangs genannten EP 0 758 159 A2.
Durch diese symmetrische Verstellung der Pulsweite entstehen
keine Phasensprünge wie bei der Asynchronverstellung der
EP 0 759 159 A2. Bei dieser Kompensation von unterschiedlichen
Spannungswerten USL der Spannungsversorgung des Leistungs
teils 4 wird auch keine Rückführung der Ausgangsspannung von
der Sekundärseite des Wandlers durchgeführt, wie bei der ein
gangs genannten EP 0 758 159 A2. Eine derartige Rückkopplung
wäre auch bei einem Energieübertragungssystem für die Verwen
dung im Hochspannungsbereich sehr aufwendig. Mittels dieser
Einrichtung 46 wird trotz eines weiten Spannungsbereiches der
Spannungsversorgung des Leistungsteils 4 eine gleichbleibende
Ausgangsspannung des Wandlers erzielt, ohne die Frequenznach
führung zu beeinträchtigen.
In der Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung
zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten piezoelektri
schen Wandlers dargestellt, der sich von der Ausführungsform
gemäß der Fig. 6 dadurch unterscheidet, daß statt der Einrich
tung 46 zur Versorgungsspannungskompesation eine Ausgangs
spannungs-Regeleinrichtung 50 vorgesehen ist, die ausgangs
seitig mittels des Umschalters 48 mit der Einrichtung 18 zur
Generierung von Ansteuersignalen St verbindbar ist. Diese
Ausgangsspannungs-Regeleinrichtung 50 weist einen Vergleicher
52 mit nachgeschaltetem Spannungsregler 54 auf. Am invertie
renden Eingang des Vergleichers 52 steht ein Ausgangsspan
nungs-Istwertsignal UIST und an seinem nichtinvertierenden
Eingang ein Ausgangsspannungs-Sollwertsignal USOLL an. Auch
das vom Spannungsregler 54 erzeugte Steuersignal SUA wird da
zu verwendet, die Pulsbreite derart zu verändern, daß das
Ausgangsspannungs-Istwertsignal UIST dem Ausgangsspannungs-
Sollwertsignal USOLL nachgeführt wird. Als Spannungsregler 54
kann jeder bekannte Reglertyp verwendet werden. Wird ein
schaltender Regler verwendet, ist jedoch darauf zu achten,
daß nicht zwischen Aussteuerungsgrad Null und dem maximalen
Aussteuerungsgrad umgeschaltet werden darf, sondern nur zwi
schen einem Minimalwert, der im wesentlichen die Leerlaufver
luste deckt, und einem Maximalwert.
In der Fig. 9 ist eine vorteilhafte Realisierung der Vorrich
tung gemäß Fig. 6 näher dargestellt. Diese Vorrichtung ist
vollständig digital ausgeführt, wobei ein kundenspezifischer
integrierter Baustein, auch als ASIC bezeichnet, oder ein
programmierbarer Logikbaustein 56 verwendet wird. In diesem
Logikbaustein 56 ist die Vorrichtung gemäß Fig. 6 unterge
bracht. Je nach Ausführung dieses programmierbaren Logikbau
steins 56 wird ein zusätzlicher Festwertspeicher 58, auch als
ROM (Read-Only Memory) bezeichnet, benötigt. Aus diesem Grund
ist dieser Festwertspeicher 58 mittels einer unterbrochenen
Linie dargestellt. Zusätzlich ist ein Analog-Digital-Wandler
59 vorgesehen, der aus dem Spannungswert USL der Spannungs
versorgung des Leistungsteils 4 ein dazu proportionales digi
tales Signal U'SL erzeugt. Außerdem ist ein Taktgenerator 60
vorgesehen, der bei digitalen Ausführungsformen eine Selbst
verständlichkeit ist. Ferner ist ein sogenannter Reset-
Generator 62 vorgesehen, dem der Spannungswert USL der Span
nungsversorgung des Leistungsteils 4 und der Spannungswert USR
der Spannungsversorgung des Regelungsteils 6 zugeführt
ist. Dieser Reset-Generator 62 überwacht die Spannungsversor
gungen des Leistungsteils 4 und des Regelungsteils 6. Die
Vorrichtung zur Frequenzregelung wird mittels eines erzeugten
Reset-Signals SR erst dann freigegeben, wenn beide Versor
gungsspannungen USL und USR aufgebaut sind.
Die Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer besonders vorteil
haften digitalen Ausführungsform der Phasenmeßeinrichtung 12.
Diese Phasenmeßeinrichtung 12 weist ein EXOR-Gatter 64, einen
n-Bit Auf-/Abwärtszähler 66 und ein Register 68 auf. Die Ein
gänge des EXOR-Gatters 64 sind mit den Signal-Eingängen 20
und 22 der Phasenmeßeinrichtung 12 verbunden, wobei sein Aus
gang mit einem Vorwärts-Rückwärts-Umschalteingang 70 des
Auf-/Abwärtszählers 66 verknüpft ist. Ausgangsseitig ist dieser
Auf-/Abwärtszähler 66 mit einem Daten-Eingang 72 des Regi
sters 68 verbunden, dessen Ausgang mit dem Ausgang 26 der
Phasenmeßeinrichtung 12 verknüpft ist. Der Trigger-Eingang 24
der Phasenmeßeinrichtung 12 ist einerseits mit einem Clear-
Eingang 74 des Auf-/Abwärtszählers 66 und andererseits mit
einem Trigger-Eingang 76 des Registers 68 verbunden. Außerdem
sind der Clock-Eingang 78 des Auf-/Abwärtszählers 66 und der
Clock-Eingang 80 des Registers 68 mit einem Takteingang 82
Phasenmeßeinrichtung 12 verknüpft. Die zugehörigen Signalver
läufe SEO, SZ, STr, SIVZ, S'UVZ, Sϕ und SUVZ sind in der Fig. 11 je
weils über der Zeit t dargestellt.
Bedingt durch die Verwendung eines EXOR-Gatters 64 werden
nicht das Polaritätssignal SIVZ des Primärstromes ip des Wand
lers mit dem vom Frequenzgenerator 16 erzeugten frequenzpro
portionalen Rechtecksignals SUVZ, sondern mit dem um 90° ver
setzten frequenzproportionalen Rechtecksignals S'UVZ vergli
chen. D.h., wenn diese beiden Signale SIVZ und S'UVZ eine Pha
senverschiebung von 90° aufweisen, hat das rechteckförmige
Ausgangssignal SEO des EXOR-Gatters 64 ein Tastverhältnis von
1 : 1 innerhalb einer halben Abtastperiode, die durch das
Trigger-Signal STr bestimmt ist, wodurch der nachfolgende
Auf-/Abwärtszähler 66 am Ende der Abtastperiode einen Zähler
stand von 0 aufweist. Der Zählerstand wird jeweils synchron
zum Trigger-Signal STr abgespeichert und gleichzeitig der
Zähler 66 zurückgesetzt. Bevor ein neuer Zählerstand, der
proportional der Phasendifferenz des Polaritätssignals SIVZ
des Primärstromes ip des Wandlers und der um 90° versetzten
frequenzproportionalen Rechteckspannung S'UVZ des Frequenzge
nerators 16 ist, in das Register 68 geladen wird, wird der
vorherige abgespeicherte Wert ausgelesen.
Dadurch, daß die Phasenmessung zur Periodendauer der Be
triebsfrequenz synchronisiert und über eine Periode integrie
rend gemessen wird, kann auf die sonst bei Phasenregelkreisen
notwendigen Glättungsfilter verzichtet werden. Die Stabilität
der Regelschleife ist deshalb gegenüber einer analogen Erfas
sung mit einem Glättungsfilter deutlich verbessert. Trotz ei
nes I-Reglers 14 im Phasenregelkreis wird dadurch ein stabi
ler Betrieb ohne Schwingneigung vom Leerlauf bis zum Kurz
schluß erreicht. Die integrierende Meßwerterfassung hat zudem
den Vorteil, daß kurzzeitige Fehler im Polaritätssignal SIVZ
des Primärstromes ip des serienabgestimmten piezoelektrischen
Wandlers, wie sie bei Umschaltvorgängen entstehen können,
praktisch keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.
Claims (18)
1. Verfahren zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten,
piezoelektrischen Wandlers, wobei ein Phasenmeßsignal (Sϕ)
zwischen einem ermittelten Polaritätssignal (SIVZ) eines Pri
märstromes (ip) des serienabgestimmten, piezoelektrischen
Wandlers und einem aus einem erzeugten Frequenzsignal (f) ge
nerierten, frequenzproportionalen Rechtecksignal (SUVZ, S'UVZ)
synchron zur Grundschwingungsperiode dieses generierten, fre
quenzproportionalen Rechtsignals (SUVZ, S'UVZ) ermittelt wird,
wobei aus diesem ermittelten Phasenmeßsignal (Sϕ) derart ein
Frequenzsignal (f) generiert wird, daß das Phasenmeßsignal
(Sϕ) im Übertragungsminimum zu Null wird, und wobei aus dem
erzeugten, frequenzproportionalen Rechtecksignal (SUVZ, S'UVZ)
Ansteuersignale (St) für den serienabgestimmten, piezoelek
trischen Wandler erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ausgehend von einer vor
bestimmten außerhalb eines vorbestimmten Regelbereiches lie
genden Startfrequenz (fSt) das erzeugte Frequenzsignal (f) so
lange gesteuert erhöht oder erniedrigt wird, bis das Phasen
meßsignal (Sϕ) zu Null wird, und wobei nach diesem Frequenz
signal (f) vom gesteuerten in einen geregelten Betrieb umge
schaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ausgehend von einer be
liebigen Startfrequenz (fSt) vom geregelten Betrieb in einen
gesteuerten umgeschaltet wird, sobald das erzeugte Frequenz
signal (f) eine vorbestimmte oberen oder unteren Stellfre
quenzgrenze (fmax, fmin) erreicht hat, wobei im gesteuerten Be
trieb dieses Frequenzsignal (f) so lange gesteuert erniedrigt
oder erhöht wird, bis das ermittelte Phasenmeßsignal (Sϕ) zu
Null wird, und wobei anschließend vom gesteuerten in den ge
regelten Betrieb umgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3,
wobei im gesteuerten Betrieb das ermittelte Phasenmeßsignal
(Sϕ) derart mit einem charakteristischen Phasenfrequenzgang
verglichen wird, daß erst dann in den geregelten Betrieb um
geschaltet wird, wenn das ermittelte Phasenmeßsignal (Sϕ) mit
ansteigendem oder fallendem Frequenzmeßsignal (f) wieder
kleiner wird und einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das ermittelte Phasenmeß
signal (Sϕ) im gesteuerten Betrieb geglättet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5,
wobei nach Ablauf einer vom Startaugenblick an zählenden vor
bestimmten Zeitspanne auf einen vorgegebenen Wert erhöht
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aus
steuerungsgrad in Abhängigkeit von unterschiedlichen Versor
gungsspannungen derart verändert wird, daß diese unterschied
lichen Versorgungsspannungen kompensiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Aus
steuerungsgrad in Abhängigkeit einer Ausgangsspannungsrege
lung verändert wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Frequenz
regelung eines serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers
nach Anspruch 1, wobei diese Vorrichtung eine Phasenmeßein
richtung (12), einen I-Regler (14), einen Frequenzgenerator
(16) und eine Einrichtung (18) zur Generierung von Ansteuer
signalen (St) aufweist, wobei der I-Regler (14) eingangssei
tig mit einem Ausgang (26) der Phasenmeßeinrichtung (12) und
ausgangsseitig mit einem Eingang des Frequenzgenerators (16)
verknüpft ist, der ausgangsseitig mit einem Eingang der Ein
richtung (18) zur Generierung von Ansteuersignalen (St) und
mit einem Signal-Eingang (20) der Phasenmeßeinrichtung (12)
verbunden ist, an deren zweiten Signal-Eingang (22) ein er
mitteltes Polaritätssignal (SIVZ) eines Primärstromes (ip) des
serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers ansteht, und
wobei ein Trigger-Ausgang des Frequenzgenerators (16) mit ei
nem Trigger-Eingang (24) der Phasenmeßeinrichtung (12) ver
knüpft ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine Ablaufsteuerein
richtung (32), eine Einrichtung (34) zur Generierung eines
Phasensuchwertes (SϕK), ein Glättungsfilter (36) und ein Um
schalter (38) vorgesehen ist, wobei die Ablaufsteuereinrich
tung (32) eingangsseitig einerseits mit dem Ausgang des I-
Reglers (14) und andererseits mit dem Ausgang des Glättungs
filters (36) und ausgangsseitig jeweils mit einem Steuerein
gang der Einrichtung (34) zur Generierung eines Phasensuch
wertes (SϕK) und des Umschalters (38) verknüpft ist, der aus
gangsseitig mit dem Eingang des I-Reglers (14) und eingangs
seitig einerseits mit dem Ausgang der Einrichtung (34) zur
Generierung eines Phasensuchwertes (SϕK) und andererseits mit
dem Ausgang (26) der Phasenmeßeinrichtung (12) verbunden ist,
wobei das Glättungsfilter (36) eingangsseitig mit dem Ausgang
(26) der Phasenmeßeinrichtung (12) verknüpft ist und wobei an
zwei weiteren Eingängen (40, 42) der Ablaufsteuereinrichtung
(32) ein oberer und unterer Frequenzgrenzwert (fmax, fmin) an
stehen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Einrich
tung (30) zur Einstellung eines Aussteuerungsgrades vorgese
hen ist, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Ein
richtung (18) zur Generierung von Ansteuersignalen (St) ver
bunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Einrich
tung (46) zur Versorgungsspannungskompensation, eine Einrich
tung (49) zur Einstellung eines Aussteuerungsgrades und ein
Umschalter (48) vorgesehen sind, wobei der Umschalter (48)
eingangsseitig einerseits mit einem Ausgang der Einrichtung
(46) zur Versorgungsspannungskompensation und andererseits
mit einem Ausgang (47) der Einrichtung (49) zur Einstellung
eines Aussteuerungsgrades und ausgangsseitig mit einem Steu
ereingang der Einrichtung (18) zur Generierung von Ansteuer
signalen (St) verbunden ist, wobei ein Steuerausgang (51) der
Einrichtung (49) zur Erstellung eines Aussteuerungsgrades mit
einem Steuereingang des Umschalters (48) verknüpft ist, und
wobei die Einrichtung (49) zur Einstellung eines Aussteue
rungsgrades eingangsseitig mit dem Ausgang der Einrichtung
(46) zur Versorgungsspannungskompensation verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Ausgangs
spannungs-Regeleinrichtung (50), eine Einrichtung (49) zur
Einstellung eines Aussteuerungsgrades und ein Umschalter (48)
vorgesehen sind, wobei der Umschalter (48) eingangsseitig ei
nerseits mit einem Ausgang der Ausgangsspanungs-Regeleinrich
tung (50) und andererseits mit einem Ausgang (27) der Ein
richtung (49) zur Einstellung eines Aussteuerungsgrades und
ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Einrichtung (81)
zur Generierung von Ansteuersignalen (St) verbunden ist, wo
bei ein Steuerausgang (51) der Einrichtung (49) zur Erstel
lung eines Aussteuerungsgrades mit einem Steuereingang des
Umschalters (48) verknüpft ist, und wobei die Einrichtung
(49) zur Einstellung eines Aussteuerungsgrades eingangsseitig
mit dem Ausgang der Ausgangsspannungs-Regeleinrichtung (50)
verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die
Phasenmeßeinrichtung (12) ein EXOR-Gatter (64), einen n-Bit
Auf-/Abwärtszähler (66) und ein Register (68) aufweist, wobei
der Auf-/Abwärtszähler (66) mit seinem Vorwärts-Rückwärts-
Umschalteingang (70) mit einem Ausgang des EXOR-Gatters (64)
und mit seinem Ausgang mit einem Daten-Eingang (72) des Regi
sters (68) verbunden ist, wobei die beiden Eingänge des EXOR-
Gatters (64) mit den beiden Signal-Eingängen (20, 22) und der
Ausgang des Registers (68) mit dem Ausgang (26) der Phasen
meßeinrichtung (12) verknüpft sind, wobei der Trigger-Eingang
(24) der Phasenmeßeinrichtung (12) mit einem Clear-Eingang (74)
des Auf-/Abwärtszählers (66) und mit einem Trigger-Ein
gang (76) des Registers (68) verbunden ist, und wobei jeweils
ein Clock-Eingang (78, 80) des Auf-/Abwärtszählers (66) und
des Registers (68) mit einem Takt-Eingang (82) der Phasen
meßeinrichtung (12) verknüpft ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die
Vorrichtung als programmierbarer Logikbaustein (56) ausge
führt ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der programmierbare
Logikbaustein (56) mit einem Festwertspeicher (58) versehen
ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die
Vorrichtung als kundenspezifischer Schaltkreis ausgeführt
ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei ein Reset-Generator
(62) vorgesehen ist, der eingangsseitig mit den Spannungsver
sorgungseinrichtungen für den serienabgestimmten piezoelek
trischen Wandler und ausgangsseitig mit einem Starteingang
des programmierbaren Logikbausteins (56) verbunden ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19827948A DE19827948A1 (de) | 1998-06-23 | 1998-06-23 | Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen Wandlers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19827948A DE19827948A1 (de) | 1998-06-23 | 1998-06-23 | Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen Wandlers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19827948A1 true DE19827948A1 (de) | 2000-01-05 |
Family
ID=7871749
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19827948A Withdrawn DE19827948A1 (de) | 1998-06-23 | 1998-06-23 | Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzregelung eines serienabgestimmten, piezoelektrischen Wandlers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19827948A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10240087A1 (de) * | 2002-08-30 | 2004-03-11 | Austriamicrosystems Ag | Vibrationskreisel |
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