DE2104866A1

DE2104866A1 - Digitales Steuersystem

Info

Publication number: DE2104866A1
Application number: DE19712104866
Authority: DE
Inventors: John Adams Houston Tex Koch Albert Frederick Lanesboro Mass (V St A ) Joslyn
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-02-05
Filing date: 1971-02-03
Publication date: 1971-08-19
Also published as: JPS5228217B1; ES387954A1; AU2430471A; GB1338678A; US3601674A; JPS46818A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Zündverfahren und ein Steuersystem zur Steuerung der Leistungszufuhr aus einer Wechselspannungsquelle zu einem Verbraucher. Insbesondere betrifft die Erfindung ein digitales Steuersystem zur Steuerung des Stromdurchgangs von steuerbaren Gleichrichtern, die zwischen eine Wechselstromquelle und einen Verbraucher eingefügt sind. Die Erfindung betrifft auch

ein System entsprechend der Patentanmeldung ,

welche gleichzeitig hinterlegt wurde.

Motorregelsysteme der oben beschriebenen Art verwenden oft Leistungsverstärker, in denen durch gesteuerte Gleichrichter die Zufuhr elektrischer Energie aus einer Wechsel stromquelle zu einem Antriebsmotor geändert wird. Unter gesteuerten Gleichrichtern ist dabei eine Gruppe von Vorrichtungen

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zu verstehen, welche solange einen relativ großen Sperrwiderstand für den Durchgang des elektrischen Stroms bilden, bis die gesteuerten Gleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt sind und gleichzeitig an einer Gitterelektrode ZUndsignale vorhanden sind. Zu diesem Zeitpunkt bilden die gesteuerten Gleichrichter einen sehr niedrigen Widerstand für den Stromdurchgang und leiten den Strom normalerweise solange, bis sie in Sperrichtung vorgespannt werden und/oder der durchfließende Strom sich auf einen Wert unterhalb des Mindesthaltestroms verringert hat, der für die Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes dieser gesteuerten Gleichrichter erforderlich ist. Gesteuerte Gleichrichter schließen ein die Halbleitervorrichtungen, wie gesteuerte Siliziumgleichrichter und Röhrengleichrichter, Ignitrons und Thyratrons. Die auf den Verbraucher des Systems übertragene Leistung wird dadurch gesteuert, daß die Zeitdauer des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter geändert wird. Die Zeitdauer des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter ist eine Punktion des Zeitpunktes während der Periode der Wechselspannung, in dem sie gezündet werden. Dieser Zeitpunkt wird als Zündwinkel bezeichnet.

Die Regelung des Zündwinkels von steuerbaren Gleichrichtern wird durch eine Schaltung bewerkstelligt, die allgemein als Zündschaltung bezeichnet wird. Eine solche Zündschaltung erzeugt auf ein Eingangssignal hin, welches der gewünschten Leistung entspricht, einen Zündimpuls bei dem richtigen Zündwinkel. Allgemein ist der Zündwinkel direkt proportional dem Eingangssignal.

Bisher bekannte Zündschaltungen waren allgemein analoge Schaltungen. Die Amplitude des Eingangssignals dieser Schaltungen entsprach dem gewünschten Zündwinkel. Solche Zündschaltungen sind geeignet für vorbekannie Systeme, welche hauptsächlich auf der Basis von Analogverfahren arbeiten.

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Mit der Weiterentwicklung von digitalen Methoden und Geräten wird es in immer stärkerem Maße erwünscht, in solchen Steuer- oder Regelsystemen digitale Schaltungen zu verwenden. Dies gilt besonders dann, wenn das System ein hohes Maß von Genauigkeit, Zuverlässigkeit oder eine Arbeitsweise frei von DriftSchwankungen erfordert, wie sie nur mit digitalen Schaltungen erreichbar sind. Man ist daher bestrebt, Elemente eines Analogsystems durch in ihrer Funktion gleichartige digitale Schaltungen zu ersetzen.

Bei Systemen, welche steuerbare Gleichrichter zur Regelung der Leistungszufuhr von einer Wechselstromquelle zu einem Verbraucher verwenden, ist eine digitale Schaltung bisher verwendet worden, um die Sollwertsignale für das Regelsystem zu erzeugen und die notwendigen arithmetischen Rechenoperationen durchzuführen, um das Eingangssignal zur Steuerung des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter abzuleiten. Dieses zunächst in digitaler Form vorliegende Signal wird dann in ein Analogsignal umgewandelt, um konventionellen Analog-Zündschaltungen zugeführt zu werden. Diese Methode führte ,iadoch zu einem inhärenten Verlust der Zuverlässigkeit, welche a-i sich durch ein System mit einer vollständig digital ausgelegten Steuerung oder Regelung erreichbar ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vollständig auf digitaler Basis arbeitendes Regelsystem zu erhalten, welches beständig Signale überwacht, welche den tatsächlichen Xstzustand eines Verbrauchers anzeigen, und gleichzeitig den Durchgang elektrischer Leistung von einer Wechselstromquelle zu einem Verbraucher steuert oder regelt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein vollständig auf digitaler Basis aufgebautes Regelsystem zu schaffen, welches den Stromdurchlaß von steuerbaren Gleichrichtern

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regelt auf der Basis einer kontinuierlichen Überwachung des durch den Stromdurchgang der Gleichrichter erzeugten tatsächlichen Zustandes.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte digitale Zündschaltung für steuerbare Gleichrichter zu schaffen, welche auf der Grundlage des ständig überwachten Betriebszustandes eines Verbrauchers, welcher durch die steuerbaren Gleichrichter versorgt wird, entsprechende Zündsignale für diese Gleichrichter abgibt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung aus einer Wechselstroraquelle an einen Verbraucher anzugeben, welches die Verwendung von auf digitaler Basis beruhenden Regelschaltungen zur kontinuierlichen Überwachung der Istwerte des Verbrauchers für diese Leistung gestattet.

Die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß ein digitales Fehlersignal oder Regelabweichungssignal erzeugt und dazu verwendet wird, den Stromdurchgang durch steuerbare Gleichrichter unmittelbar zu steuern, ohne vorher das Signal in eine Analogspannung umzuwandeln. Eine Phasendetektorlogik bewirkt, daß zu dem frühestmöglichen Zeitpunkt in der Periode der Phase, bei dem die steuerbaren Gleichrichter gezündet werden können, eine vorgegebene positive oder negative Zahl auf einen reversiblen Zähler eingegeben wird. Der reversible Zähler zählt anschließend von dieser vorgegebenen Zahl aus aufwärts oder abwärts auf O. Der Inhalt des umkehrbaren Zählers wird ständig mit dem digitalen Fehlersignal in einem Komparator verglichen. Dieser bewirkt, daß mindestens einem der steuerbaren Gleichrichter ein Zündimpuls zugeführt wird, wenn der sich ändernde Inhalt des umkehrbaren Zählers gleich oder größer als das digitale Fehlersignal wird.

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Ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm und zeigt die zeitliche Beziehung zwischen den drei Phasen des Wechselspannungseingangs und der Arbeitsweise der Phasendetektorlogik der Fig. 1 und 3·

Fig. 3 ist ein ausführliches Blockschaltbild der in Fig. 1 in Form eines einzigen Blockes gezeigten Phasendetektorlogik.

Fig. 4 ist ein ausführliches logisches Schaltbild eines Teils einer Zündschaltung der Fig. 1 einschließlich eines umkehrbaren Zählers.

Fig. 5 ist ein ausführliches logisches Schaltbild für eine der Zählereinheiten der Fig. 4.

Fig. 6 ist ein ausführliches logisches Schaltbild eines anderen Teils einer der Zündschaltungen der Fig. 1 einschließlich eines digitalen !Comparators.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Regel- oder Steuersystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Von einer Wechselspannungsquelle 1, beispielsweise dem Dreiphasentransformator 1, wird elektrische Leistung einem Verbraucher 2, beispielsweise dem Gleichstrommotor 2, zugeführt über eine Vielzahl von Sätzen von entgegengesetzt gepolten steuerbaren Gleichrichtern, beispielsweise die

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Gleichrichter (SCR) 3a, 3b, Jo, fa, 4b, 4c. Die Gleichrichter werden durch Zündschaltungen 5a, 5b und 5c gezündet. Diese erzeugen einen Zündimpuls für den richtigen Gleichrichter zu dem gewünschten Zeitpunkt während der Periode der Wechselspannung.

Das System nach Fig. 1 ist ein digitales Regelsystem und arbeitet mit einem Sollwertsignal in digitaler Form, wie es von einem digitalen Sollwertsignalgenerator 6 erzeugt wird. Für die Anwendung der Erfindung ist die genaue Form des digitalen Sollwertsignals ohne Bedeutung. Es kann beispielsweise eine Impulsfolge aufweisen, deren Folgefrequenz der gewünschten Motorgeschwindigkeit entspricht. Alternativ kann das Sollwertsignal eine digitale Zahl sein, deren Betrag die gewünschte Geschwindigkeit angibt. Weiterhin ist die bestimmte Ausführungsform des digitalen Sollwertgenerators 6 für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung. Er kann beispielsweise einen Impulsfrequenzmultiplikator oder einen anderen Generator für eine variable Frequenz in den Fällen enthalten, wo das Ausgangssignal eine Impulsfolge mit variabler Folgefrequenz ist. In gleicher Weise kann bei einem Ausgangssignal in Form einer digitalen Zahl irgendeine der bekannten Verfahren und Systeme zur Erzeugung eines digitalen Codes mit einer Vielzahl von Bits für den digitalen Sollwertsignalgenerator 6 verwendet werden.

Das Ausgangssignal des digitalen Sollwertsignalgenerators 6 bildet ein erstes Eingangssignal für einen digitalen Fehlersignal- oder Regelabweichungsgenerator 7· Das zweite Eingangssignal für den digitalen Regelabweichungssignalgenerator 7 erhält man aus einer Rückkopplungs- oder Rückmeldevorrichtung 8, welche mit dem Motor 2 gekoppelt ist und durch den Motor angetrieben wird. Die Rückkopplungsvorrichtung 8 kann beispielsweise einen einfachen Impulsgenerator beinhalten, dessen Auagangafrequenz proportional der Geschwindigkeit des geregelten Motors ist. Die Aufgabe des digitalen

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Fehlersignalgenerators 7 besteht darin, das digitale Sollwert signal vom Generator 6 mit dem Ausgangssignal der Rückkopplungsvorrichtung 8 zu vergleichen und ein resultierendes Regelabweichungssignal zur Auslösung des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter zu erzeugen, welche zwischen die Wechselspannungsquelle 1 und den Motor 2 eingefügt sind. Zur Veranschaulichung der vorliegenden Beschreibung ist ein digitaler Fehlersignalgenerator 7 mit einem Ausgangssignal dargestellt, welches in der Beschreibung als Fehlersignal oder Regelabweichungssignal bezeichnet ist. Dieses Ausgangssignal wird vorzugsweise einem digitalen Zähler oder Register in dem Generator 7 entnommen. Die Form und der Code des Regelabweichungssignals sind nur insofern von Bedeutung, daß sie kompatibel mit den digitalen Signalen sein müssen, welche in den nachstehend beschriebenen Zündschaltungen 5a, 5b und 5c verwendet werden.

Diese Zündschaltungen 5 weisen eine digitale Form auf und sind so eingerichtet, daß sie das Ausgangssignal des digitalen Fehlersignalgenerators 7 aufnehmen können und entsprechend dem Betrag und dem Vorzeichen des digitalen Regelabweichungssignals einen Zündimpuls für den richtigen gesteuerten Gleichrichter erzeugen. Es ist notwendig, ein Regelintervall für jeden gesteuerten Gleichrichter festzulegen, so daß der Stromdurchgang durch diesen Gleichrichter mit Hilfe des digitalen Regelabweichungssignals zu einem Zeitpunkt in der Periode der zugeführten Wechselspannung ausgelöst werden kann, an dem ein Stromdurchgang in dem entsprechenden Gleichrichter erwünscht ist. Dieses Zeitintervall wird gesteuert mit Hilfe einer logischen Phasendetektorschal tung 9» deren Eingänge mit den drei Phasen der WechselSpannungsquelle 1 verbunden sind. Wie nachstehend im einzelnen erörtert, bewirkt dieses System während bestimmter Zeitintervalle den Stromdurchgang durch die gesteuerten Gleichrichter, die mit einer bestimmten Phase

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der Wechselspannungsquelle verbunden sind. Die Steuerung dieser Zeitintervalle wird festgelegt durch die Phasendetektorlogik 9» welche an ihren Ausgangsleitungen 10a, 10b und 10c Signale erzeugt zur Auslösung und Beendigung der Steuerintervalle für die richtige Zündschaltung. Auf ihren Ausgängen 11a, 11b und 11c und 12a, 12b und 12c liefert die Phasendetektorlogik 9 außerdem Ausgangssignale, welche die umkehrbaren Zähler in den Zündschaltungen 5^a> 5b und 5^C entweder auf eine positive oder eine negative digitale Zahl einstellen. Die Signale an den Ausgängen 10a, 10b und 10c der Phasendetektorlogik 9 legen auch fest, ob während des Steuerintervalls ein positiv oder negativ gepolter gesteuerter Gleichrichter einer bestimmten Phase gezündet werden soll. Außerdem legen sie die Zählrichtung fest, in der die umkehrbaren Zähler von den voreingestellten digitalen Zahlen aus zählen.

Die Aufgabe der Phasendetektorlogik 9 besteht daher allgemein darin, den frühesten Zeitpunkt während jeder Halbperiode der Eingangswechselspannung zu erfassen, bei dem ein Zündimpuls erzeugt werden kann, und dann ein Steuerintervall festzulegen, in dem ein ständiger Vergleich zwischen dem digitalen Regelabweichungssignal und dem sich ändernden Inhalt des umkehrbaren Zählers durchgeführt wird. Bei der Festlegung des Steuerintervalls wählt die Phasendetektorlogik 9 den gesteuerten Gleichrichter aus, welcher gezündet werden soll und bringt die richtige Zündschaltung in einen solchen Zustand, daß der ausgewählte gesteuerte Gleichrichter linear bezüglich des Betrags und des Vorzeichens des digitalen Regelabweichungssignals gezündet werden kann.

Nachdem entweder eine positive oder negative voreingestellte Zahl in die Zündschaltung übertragen worden ist, ist es erforderlich, diese Zahl so zu verarbeiten, daß ein Zündimpuls zu dem richtigen Zeitpunkt erzeugt wird. Der Zeitpunkt

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für diesen Zündimpuls wird gesteuert durch einen Taktgenerator 13» welcher Signale an die Anschlüsse 13»ι 13b und 13c jeder der Zündschaltungen 5a, 5b und 5c abgibt. In der nachstehend beschriebenen bestimmten Ausführungsform enthält jede der Zündschaltungen einen umkehrbaren Zähler, welcher auf ein Kommando von der Phasendetektorschaltung die voreingestellte Zahl aufnimmt. Der Inhalt des umkehrbaren Zählers wird dann von dieser voreingestellten Zahl aus in eine Richtung gezählt, welche durch die Vorzeicheninformation der Signale an den Ausgangsanschlüssen 10a, 10b und 10c festgelegt ist. Dies geschieht solange bis der Zählinhalt des umkehrbaren Zählers sich soweit ändert, daß er gleich oder größer als das Regelabweichungssignal wird. In jeder Zündschaltung ist ein digitaler Komparator vorgesehen, der diese Änderung erfaßt und zum Zeitpunkt ihres Auftretens ein Zündsignal für den richtigen gesteuerten Gleichrichter liefert. Diese Arbeitsweise wird im einzelnen erläutert im Zusammenhang mit der bestimmten Zündschaltung nach Fig.- 4 und 6.

Die Arbeitsweise des Systems der Fig. 1 kann durch die folgenden Arbeitsschritte beschrieben werden:

1. Das Ausgangssignal des digitalen Sollwertgenerators 6 wird in dem digitalen Regelabweichungsgenerator 7 mit dem Ausgangssignal der Rückkopplungsvorrichtung 8 zur Erzeugung eines digitalen Regelabweichungssignals verglichen.

2. Die Phasendetektorlogik 9 untersucht die drei Wechselspannungsphasen von den Transformatorwicklungen 1a, 1b und 1c, welche ihren Eingangsanschlüssen zugeführt werden, und erzeugt an ihren Ausgängen 10a, 11a, 12a usw. Signale, wenn ein bestimmtes Steuerintervall für eine bestimmte Zündschaltung festgelegt werden soll. Diese

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Ausgangssignale geben einem umkehrbaren Zähler der Zündschaltung eine digitale Zahl vor, steuern die Zählrichtung des Zählers und wählen den bestimmten gesteuerten Siliziumgleichrichter aus, dem ein Zündimpuls zugeführt werden soll.

3. Anschließend werden in dem umkehrbaren Zähler von der vorgegebenen Zahl aus die Ausgangsimpulse des Taktgenerators 13 weitergezählt mit einer Geschwindigkeit, welche durch die Folgefrequenz dieser Impulse festgelegt ist. Eine kontinuierliche Vergleichung des digitalen Regelabweichungssignals mit dem Inhalt des umkehrbaren Zählers wird von einem digitalen Komparator in der Zündschaltung durchgeführt.

4. Wenn der sich ändernde Inhalt des umkehrbaren Zählers gleich oder größer als das digitale Regelabweichungssignal wird, liefert die Zündschaltung an ihrem Ausgang bzw. an ihrem Ausgang 17 einen Ausgangsimpuls, wenn einer der negativ gepolten Gleichrichter 3 bzw. einer der positiv gepolten Gleichrichter k eingeschaltet werden soll. Diese Änderung des Zählerinhalts bezüglich des Regelabweichungssignale kann bequemerweise als Änderung im Vorzeichen der Differenz zwischen diesen digitalen Werten vorliegen, welche durch einen nachstehend beschriebenen Differenzkomparator festgestellt werden kann.

Fig. 2a zeigt in Form einer Rechteckwelle die bekannte Beziehung zwischen den Phasen einer Vechselspannungsquelle, beispielsweise der Quelle der Fig. 1. Aus der Beschreibung der Fig. 1 ist ersichtlich, daß mit jeder Phase der Wechselspannungsquelle 1 zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter verbunden sind. Diese beiden Gleichrichter sind entgegengesetzt gepolt, so daß sie den Strom in entgegengesetzten Richtungen durchlassen. Beispielsweise sind die Gleichrichter

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3a und ^a mit der Phase A der WechselSpannungsquelle 1 über die Wicklung 1a verbunden. In einem Steuersystem dieser Art ist es notwendig, den bestimmten Teil der Wechselspannungsperiode festzulegen, während dem der Stromdurchgang durch einen bestimmten Gleichrichter gestattet werden kann.

Eine Methode zur Steuerung des Stromdurchgangs durch gesteuerte Siliziumgleichrichter besteht darin, daß man einem positiv gepolten Gleichrichter den Stromdurchgang während des gesamten Teils der Wechselspannungsperiode gestattet, indem die Polarität positiv ist und den Stromdurchgang im negativ gepolten Gleichrichter während des gesamten negativen Teils der Periode zuläßt. Daher könnte der Stromdurchgang durch den Gleichrichter ka während des positiven Teils der Periode der Phase A der Wechselspannung gestattet werden, d.h. zwischen den elektrischen Winkeln O und 180 In ähnlicher Weise könnte der Stromdurchgang durch den Gleichrichter 3a zwischen den Winkeln 180 und 360 zugelassen werden. Bei einem solchen System würde das Steuerintervall durch das Ausgangssignal der Phasendetektorlogik bei O und bei 180 eingestellt werden und beginnend mit 0° und mit 180 würden Zündimpulse für die Phase A durch Vergleich der vorgegebenen Zahl mit dem digitalen Fehlersignal in der Zündschaltung erzeugt werden.

Gewisse Systeme erfordern es jedoch, daß das Steuerintervall von der synchronen Beziehung mit der Periode der Eingangswechselspannung abweicht. Beispielsweise kann es erwünscht sein, den Stromdurchgang durch einen bestimmten gepolten Gleichrichter nur während eines begrenzten Teils der zugehörigen Phase der Eingangswechselspannung zu gestatten. In der vorliegenden Ausführungsform ist es erwünscht, den Stromdurchgang durch den Gleichrichter nur während der letzten 120 der*entsprechend polarisierten zugehörigen Eingangswechselspannung und während der ersten 60 der

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entgegengesetzt gepolten Halbperiode der zugeführten Spannung dieser Phase zu gestatten. Auf diese Weise wird eine dynamische Motorbremsung ermöglicht. Man läßt daher den Stromdurchgang durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 4a von 6O° bis 240° zu und den Stromdurchgang durch den Gleichrichter 3a von 240° bis 60°. In ähnlicher Veise kann der Gleichrichter 4b zwischen 180 und 360 und der Gleichrichter 3b zwischen 0 und 180 Strom führen. Der Gleichrichter 4c kann den Strom zwischen 300 und 120 und der Gleichrichter 3c zwischen 120 und 300 durchlassen. Die Phasendetektorlogik 9 muß daher an ihren Anschlüssen 10a, 11a, 12a usw. Ausgangssignale zur Festlegung dieser Steuerintervalle erzeugen.

Vor der Beschreibung der ausführlichen logischen Blockschaltung der Fig. 3, 4 und 6 ist es erforderlich, die dort verwendeten logischen Bauelemente zu beschreiben. Die beschriebene Anordnung arbeitet als Digitalsystem und daher mit zwei logischen Werten, die weiterhin als logische 0 und logische 1 bezeichnet werden. Diese logischen Werte sind in Wirklichkeit eine Bezeichnung für bestimmte Spannungswerte. Beispielsweise kann die logische 1 irgendeine positive Spannung sein, beispielsweise + 4 Volt. Die logische 0 wird daher eine niedrigere Spannung, beispielsweise 0 Volt, sein. Es ist selbstverständlich, daß bestimmte logische Werte keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden und nur zur Erleichterung der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform herangezogen werden. Außerdem ist es selbstverständlich, daß die bevorzugte Ausführungsform zwar eine NAND-Logik verwendet, jedoch eine beliebige Art eines logischen Systems, entweder eines positiven oder negativen Systems in gleicher Weise, ohne die technische Lehre der Erfindung zu verlassen, verwendet werden könnte.

In Fig. 4 ist das mit der Ziffer 41 bezeichnete logische Element ein einfaches NAND-Gatter. Die Arbeiteweise des

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Gatters ist dadurch gegeben, daß an dem mit einem Kreis bezeichneten Ausgang eine logische O vorliegt, wenn an allen mit einem Pfeil bezeichneten Eingängen eine logische vorhanden ist. Unter allen anderen Bedingungen ist der Ausgang des Gatters 41 eine .logische 1. Dies gilt unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Eingänge. Wenn daher ein Gatter nur einen einzigen Eingang aufweist, beispielsweise das NAND-Gatter 42, dann arbeitet es wie ein einfacher Inverter, da bei Vorhandensein einer logischen 1 an dem einzigen Eingang am Ausgang eine logische O vorhanden ist. Umgekehrt ist bei einer logischen O an dem einzigen Eingang am Ausgang eine logische 1 vorhanden. Auf diese Weise arbeitet dieses Gatter so, daß es die Richtung des logischen Signals an dem Eingang umkehrt.

In Fig. 3 ist das logische Element 20 noch mit der Bezeichnung PD versehen und stellt einen Phasendetektor dar, welcher eine sinusförmige Eingangswelle in eine Rechteckwelle umformt. In seiner einfachsten Form kann der Phasendetektor 20 beispielsweise einen Verstärker und einen Begrenzer enthalten. Er verstärkt dann das WeChseispannungseingangssignal und begrenzt es bei einer bestimmten Spannungsamplitude, welche mit dem übrigen logischen System brauchbar ist.

In Fig. 3 sind die logischen Elemente 22, 23 noch mit der Bezeichnung "OS" versehen und sind einfache Univibratoren (one-shot). Sie arbeiten so, daß sie bei einem Signal an dem mit einem Pfeil bezeichneten Eingang einen Impuls mit vorgegebener Dauer am Ausgang erzeugen. Der in Fig. 3 abgebildete Univibrator (one-shot) arbeitet in der folgenden Weise: Wenn das Signal am Eingang von einer logischen 1 auf eine logische 0 geht, wird am Ausgang ein Impuls erzeugt, der während einer vorgegebenen Zeitdauer von der logischen auf die logische 0 geht.

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Fig 4. zeigt einen Teil einer Zündschaltung 56; das logische Element J2 ist eine umkehrbare Zählstufe. Die Arbeitsweise der umkehrbaren Zählstufe 32 wird verständlich anhand der Fig. 5» welche das logische Blockschaltbild der umkehrbaren Zählstufe 32 mit weiteren Einzelheiten zeigt. Die umkehrbare Zählstufe 32 umfaßt einen gesteuerten J-K-Flip-Flop 50 in Standardausführung und drei NAND-Gatter 51» 52 und 53· Der J-K-Flip-Flop arbeitet in der folgenden an sich bekannten Betriebsweise. Die mit Pj und Pk bezeichneten Eingänge sind die direkten Anschlüsse für Einschaltung und Ausschaltung (set, reset) und arbeiten in der Weise, daß die Zuführung einer logischen O an dem Anschluß Pj den J-K-Flip-Flop 50 veranlaßt, den eingeschalteten Zustand anzunehmen. Umgekehrt veranlaßt die Zuführung einer logischen 0 an dem Anschluß Pk den J-K-Flip-Flop 50» den rückgeschalteten Zustand anzunehmen. Die Eingangsanschlüsse J und K sind die Anschlüsse für die Steuerung des Einschalt- und Ruckstellungszustandes. Der Anschluß C ist der Triggeroder Taktimpulsanschluß. Die Betätigung des J-K-Flip-Flops über die Steueranschlüsse J und K geschieht wie folgt: Eine logische 1 an dem Steueranschluß J für den Einschaltzustand, gefolgt von einem Triggersignal an dem Taktimpulsanschluß C, veranlaßt den Flip-Flop den Einsehaltzustand anzunehmen. Ein Triggersignal an dem Taktimpulsanschluß C ist definiert als ein Signal, das von der logischen 0 auf die logische 1 übergeht. In ähnlicher Weise veranlaßt eine logische 1 an dem Rückstellsteueranschluß K, gefolgt von einem Triggerimpuls an dem Taktimpulsanschluß C, den Flip-Flop 50, den rückgeschalteten Zustand einzunehmen. Wenn eine logische 1 an beiden Eingangsanschlussen J und K vorhanden ist, dann wird der Flip-Flop 50 dazu veranlaßt seinen Schaltzustand bei dem nächsten Triggerimpuls am Taktimpulsanschluß C zu ändern. Die Ausgangeanschlüsse Q und Q zeigen den Schaltzustand des J-K-Flip-Flops 50 an. Am Ausgangsaneohluß Q ist eine logische 1 vorhanden, wenn der J-K-Flip-

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Flop 50 sich im eingeschalteten Zustand befindet, und am Ausgangsanschluß Q ist eine logische 1 vorhanden, wenn der J-K-Flip-Flop zurückgestellt ist.

Die Kombination des J-K-Flip-Flops 50 und der NAND-Gatter 51, 52 und 53 bildet eine einzelne Stufe eines umkehrbaren Zählers des Synchrontyps (non-ripple type). D.h., wenn der Zähler einen Eingangsimpuls erhält, ändern alle Stufen des Zählers gleichzeitig· ihren Schaltzustand. Diese Betriebsweise steht im Gegensatz zu der Betriebsweise bei nicht-rsynchronen Zählern, bei denen nachfolgende Stufen durch Änderungen in den vorhergehenden Stufen betätigt werden. Daher hat die Zählerstufe 32 einen ersten Eingangsanschluß YN-1, welcher die folgende Boole¹sehe Charakteristik besitzt, um einen Teil eines synchronen umkehrbaren Zählers zu bilden:

YN - 1 = UP · Q · YN-1 + D - YN - 1 · Q

dabei bedeutet:

YN - 1 das Eingangssignal der Stufe 32 YN - 1 · Q das Signal von Stufe 31 YN - 1 * Q das Signal von Stufe 31

Mit anderen Worten ist der Eingang am Anschluß YN-1 eine logische 1, wenn der Zähler in der Aufwärtsrichtung zählt und alle vorhergehenden Stufen sich in der Schaltstellung "set" befinden oder wenn der Zähler als Abwärtszähler arbeitet und alle vorhergehenden Stufen eich in der Schaltstellung "reset" befinden. Der Eingangsanschluß C ist der Anschluß für die Taktimpulse.

Zur Festlegung der Zählrichtung der Zählers sind zwei weitere »it U und D bezeichnete Anschlüsse vorhanden, welche

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.«SÜsfa.

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die Anschlüsse für die Aufwärtszählung bzw. Abwärtszählung darstellen. Zusätzlich dazu sind noch die Eingangsanschlüsse Pj und Pk vorhanden, um den Zähler auf eine gewünschte Zahl voreinzustellen und diese bilden den direkten Eingangsanschluß für set bzw. reset.

Der Ausgang jeder Stufe, d.h. das Signal YN, hat die folgende Boole'sehe Charakteristik:

YN = UP · Q · YN-1 + D · Q · YN-1

von Stufe 32 von Stufe 32

Mit anderen Worten ist das Signal YN eine logische 1, wenn die bestimmte Stufe und alle vorhergehenden Stufen sich in der Schaltstellung "set" befinden und der Zähler aufwärts zählt, oder wenn die bestimmte Stufe und alle vorhergehenden Stufen sich in der Schaltstellung "reset" befinden und der Zähler abwärts zählt. Der erste Teil dieser Beziehung (UP-Q'YN-1) wird bewirkt durch das Gatter 51, welches an seinem Eingang das Signal UP, das Signal YN-I und den Q-Ausgang des J-K-Flip-Flops 50 erhält. Wenn alle drei dieser Signale eine logische 1 sind, dann ist der Ausgang des Gatters 51 eine logische 0. Da der Ausgang des Gatters 51 einen der Eingänge für das Gatter 53 bildet,ist der Ausgang des Gatters 53 unter diesen Bedingungen eine logische 1. In ähnlicher Weise wird der zweite Teil der Beziehung (d«Q«YN-1) erreicht durch das Gatter 52, das an seinem Eingang das Signal D, das Signal YN-1 und das Ausgangssignal Q des J-K-Flip-Flops erhält. Wenn alle drei dieser Signale eine logische 1 sind, dann ist das Ausgangssignal des Gatters 52 eine logische 0. Da das Ausgangssignal des Gatters 52 das zweite Eingangssignal für das Gatter 53 bildet, ist am Ausgang des Gatters 53 stets eine logische 1 vorhanden, wenn das Ausgangssignal des Gatters 52 eine logische 0 ist. Die Wechselbeziehungen und die Arbeitsweise der Gesamtheit der Stufen eines vollständigen umkehrbaren Zählers werden

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in weiteren Einzelheiten im Zusammenhang mit der Zündschaltung der Fig. 4 erörtert.

Fig. 3 zeigt das logische Blockschaltbild der Phasendetektorschaltung 9 der Fig. 1. Wie bereits bei der Beschreibung der Fig. 1 ausgeführt wurde, besteht der Zweck der Phasendetektor schaltung 9 darin, das Steuerintervall mit der Eingangswechselspannung zu synchronisieren und durch Signale an den Anschlüssen 10a, 11a, 12a usw. die richtige Zündschaltung vorzubereiten. Diese Signale am Anschluß 10 bestimmen das Intervall, die Zählrichtung des Zählers der Zündschaltung und bestimmen, ob der positiv oder negativ gepolte steuerbare Gleichrichter gezündet werden soll. Die Ausgangssignale an den Anschlüssen 11 bzw. 12 bestimmen, wann die Voreinstellung des umkehrbaren Zählers erfplgt bzw. ob er auf eine positive oder eine negative digitale Zahl voreingestellt werden soll.

Es wurde beispielsweise gezeigt, daß das Steuerintervall für die Zündschaltung 5b für die Phase "B" bei 0° und bei 180 beginnen soll. Diese bestimmten Zeitpunkte fallen zufälligerweise zusammen mit den Polaritätsänderungen der Phase "A" der WechselSpannungsquelle. Daher wird die Phasendetektorschaltung 9 jeweils dann eine Änderung des Steuerintervalls der Zündschaltung 5b für die Phase "B" definieren, wenn die Phase "A" ihre Polarität wechselt. Dies wird erreicht mit Hilfe der Phasendetektoren 20a, b und c. Diese arbeitet dann so, daß sie das sinusförmige Signal der Phase "A" in ein Rechtecksignal umwandelt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 20a wird einem ersten Univibrator 22a (oneshot) und einem ersten NAND-Gatter 21a zugeführt. Wenn die Phase "A" bei dem Winkel 180° von der positiven Polarität zur negativen Polarität wechselt, dann ändert sich das Ausgangssignal am Phasendetektor 20a von einer logischen 1 auf eine logische 0. Da das Ausgangssignal des

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Phasendetektors 20a das Eingangssignal für den Univibrator 22a bildet, wird dieser zu diesem Zeitpunkt ein Signal abgeben, das sich während einer vorgegebenen Zeitdauer von einer logischen 1 auf eine logische O ändert. Das Ausgangssignal des Univibrators 22a bildet ein Eingangssignal für das Gatter 24a, so daß das Ausgangssignal des Gatters 24a von der logischen 0 auf die logische 1 bei einem Impuls von dem Univibrator 22a wechseln wird. Dieser Impuls wird an den Ausgangsanschluß 11b der Phasendetaktorschaltung 9 weitergegeben.

In gleicher Veise wird der Ausgang des Phasendetektors 20a auf den Eingang eines zweiten Univibrators 23a über das Gatter 21a gekoppelt. Da Jedoch das Gatter 21a das Ausgangssignal umkehrt, geht das Signal am Eingang des Univibrators 23a von einer logischen 0 auf eine logische 1, wenn die Phase "A" ihre Polarität von positiv nach η gativ wechselt. Daher wird der Univibrator 23a keinen Ausgangsimpuls erzeugen. Da jedoch der Eingang des Univibrators 23a mit dem Ausgangsanschluß 10b der Phasendetektorlogik 9 verbunden ist, ist leicht ersichtlich, daß das Signal an dem Ausgang 10b eine logische 1 ist, wenn die Phase ¹¹A" negative Polarität besitzt.

Wenn die Phase "A" erneut ihre Polarität von negativ nach positiv wechselt, entsprechend Fig. 2b, wechselt das Ausgangssignal am Phasendetektor 20a entsprechend Fig. 3 von der logischen 0 auf eine logische 1. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Ausgangsimpuls vom Univibrator 23a, nicht jedoch vom Univibrator 22a, erzeugt. Der Ausgangsimpuls des Univibrators 23a wird durch ein Gatter 25a umgekehrt, welches mit dem Ausgangsanschluß 12b der Phasendetektorlogik 9 verbunden ist, und bildet dann einen Impuls mit dem Wert der logischen 1, welcher während einer vorgegebenen Zeitdauer besteht. Ebenso wird das Ausgangssignal des Phasendetektors

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20a von dem Gatter 21a umgekehrt und einem Ausgangsanschluß 10b zugeführt. Das Signal an dem Ausgangsanschluß 1Öb wird sich zu diesem Zeitpunkt ändern, und zwar auf den Wert für eine logische 0.

Aus den Fig. 3» '+ und 6 ist ersichtlich, daß die Ausgänge 10b, 11b und 12b mit der Zündschaltung 5b für die Phase "B" verbunden sind. Sie erfüllen die folgenden Funktionen:

1. Der Ausgang 10b bewirkt die Auslösung und Beendigung des Steuerintervalls der gesteuerten Siliziumgleichrichter 3b und 4b der Fig. 1, welche der Zündschaltung 5b für die Phase "B" zugeordnet sind. Bezüglich der Fig. 2a und 2b ist zu beachten, daß während des Intervalls von 0 bis 180 die Phase "A" entsprechend Fig. 2a positiv ist. Während dieses Intervalls von 0 bis 180 ist entsprseilend Fig. 2b das Ausgangssignal am Anschluß 10b eine logs sehe 0 und bei dem Winkel von 120 ändert sich die i-iase "B" von einem negativen auf einen positiven Wert, bleibt in diesem Bereich bis 300 und geht dann auf negative Werte zurück. Daher kann das gewünschte Steuerintervall für den negativ gepolten Gleichrichter 3b der Fig. 1 definiert werden durch die Polarität und die Polaritätsänderungen der Phase "A" entsprechen Fig. 2a, welche das Intervall zwischen 0 und 180 umfassen und während dem gleichzeitig eine logische 0 am Anschluß 10b vorhanden ist. In ähnlicher Weise ist gleichzeitig zur negativen Halbperiode der Phase "A" der Ausgang am Anschluß 10b eine logische 1 und beide Werte bleiben während des Intervalles von 180° bis 360° (0°) bestehen. Dies ist das gewünschte Steuerintervall für den positiv gepolten Gleichrichter 4b der Fig. 1. Der logische Wert des Ausgangs 10b steuert auch die Zählrichtung des umkehrbaren Zählers in der Zündschaltung 5b. Schließlich bestimmt der logische Wert des Ausgangs 10b, welchem

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BAD ORIGINAL

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gesteuerten Gleichrichter des Paars 3b, kb der Zündimpuls zugeführt werden soll.

Die Signale auf den Ausgängen 11b und 12b der Fig. 3 liefern Impulse, welche den umkehrbaren Zähler in der Zündschaltung 5b entweder auf eine positive oder negative binär-codierte digitale Ziffer einstellen. Wenn daher das Steuerintervall für den negativen Gleichrichter 3b durch Änderung des logischen Wertes am Ausgang 10b von einer logischen 1 auf eine logische ü ausgelöst wird, dann erscheint der durch den Univibrator 23a und das Gatter 25a erzeugte Ausgangsimpuls am Anschluß 12b, wird dadurch auf die Zündschaltung 5b gekoppelt und stellt den umkehrbaren Zähler in dieser Zündschaltung auf eine vorgegebene negative digitale Zahl ein. Wenn das Steuerintervall für den positiven Gleichrichter kh dadurch ausgelöst wird,daß das Ausgangesignal am Anschluß 1 üb von einer logischen 0 auf eine logische 1 wechselt, dann erscheint der vom Univibrator 22a und vom Gatter 24a erzeugte Impuls am Anschluß 11b, wird auf die Zündschaltung 5b gekoppelt und dadurch wird der umkehrbare Zähler der Zündschaltung auf einen vorgegebenen positiven digitalen Wert eingestellt.

Die Signale zur Festlegung der übrigen Steuerintervalle und zur Einstellung der beiden anderen Zündschaltungen 5a und 5c werden durch die übrige logische Schaltung der Fig. 3 erzeugt. Diese Schaltung ist in ihrem Aufbau und ihrer Arbeitsweise identisch mit der beschriebenen Schaltung für die Steuerung der Zündschaltung 5b für die Phase "B" und es wurden gleiche Bezugsziffern mit den Indizes a, c verwendet.

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Zu einem vollständigen Verständnis der Zündschaltung nach Fig. 4 und 6 ist es zunächst notwendig, die Form des von dem digitalen Fehlersignalgenerators 7 erzeugten Regelabweichungssignals zu erläutern. Dieses Regelabweichungssignal kann eine beliebige Polarität besitzen. Das digitale Fehlersignal nach der vorliegenden Ausfuhrungsform wird in einem reinen Binärcode dargestellt. Mit geringfügigen Änderungen in der logischen Schaltung kann jedoch jeder Dualcode verwendet werden. Für die Erörterung der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, daß das digitale Fehlersignal eine reine Binärzahl mit fünf Bits ist und ein sechstes Bit mit dem höchsten Stellenwert verwendet wird, um das Vorzeichen des Fehlersignals darzustellen. Für eine positive Regelabweichung gibt das Fehlersignal die Größe des Fehlers in einer reinen Binärdarstellung an und die positive Regelabweichung wird durch den Wort 0 des Vorzeichenbits angegeben.

Für negative Fehlersignale ist das Vorzeichenbit eine 1 und die Größe des Fehlers wird codiert in der sogenannten Komplementärdarstellung (two's complement), d.h. man erhält eine negative Zahl dadurch, daß man mit einer positiven Zahl entsprechend der Größe beginnt und jeweils die O durch eine 1 ersetzt, die 1 durch eine O ersetzt und zu dem Ergebnis eine 1 hinzufügt. Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Codierung der digitalen Fehlersignale, welche in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden:

+ 5 = 000101

-5=111010

+ 1
111011

Die Fig. 4 zeigt ein ausführliches logisches Blockschaltbild der Zündschaltung 5b der Fig. 1. Die Zündschaltungen 5a

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und 5c sind identisch dazu. In der vorliegenden Ausführungsform ist der gewünschte Zündwinkel unmittelbar proportional dem Betrag des digitalen Fehlersignals. Daher sollte ein Fehlersignal maximaler Amplitude dazu führen, daß die steuerbaren Siliziumgleichrichter zu dem frühestmöglichen Zeitpunkt gezündet werden, d.h. 12ü vor dem Wechsel der Polarität der Eingangswechselspannung. Dies wird dadurch erreicht, daß am Beginn des Steuerintervalls eine vorgegebene digitale Zahl entsprechend der Maximalamplitude des Fehlersignals auf einen umkehrbaren Zähler 30 übertragen wird, der aus den Zählstufen 31-37 und den Gattern 40-^2 besteht.

Der umkehrbare Zähler 30 zählt dann mit vorgegebener Geschwindigkeit so lange, bis eine vorgegebene Beziehung zwischen dem Regelabweichungssignal und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 eine Änderung erfährt, beispielsweise eine Änderung im Vorzeichen der Differenz dieser beiden Größen. Zu diesem Zeitpunkt wird dann ein Zündimpuls erzeugt. Wenn die Phasen-Detektor-Logik 9 anzeigt, daß der regelbare Gleichrichter ^b positiver Polarität gezündet werden sollte, dann wird auf dem Zähler 30 eine positive Zahl vorgegeben und anschließend zählt der umkehrbare Zähler 30 diesen vorgegebenen Inhalt, indem er von der vorgegebenen positiven Zahl aus abwärts zählt. Wenn andererseits die Phasen-Detektor-Logik 9 anzeigt, daß der Gleichrichter 3b mit negativer Polarität gezündet werden sollte, dann wird auf dem umkehrbaren Zähler 30 eine negative digitale Zahl vorgegeben, und anschließend wird diese Zahl durch Aufwärtszählung von dem Zähler 30 ausgezählt.

Im besonderen wird der Zündvorgang begonnen und das Steuerintervall eingestellt durch eine Änderung des logischen Schaltzustandes der Phasen-Detaktor-Logik 9 am Ausgangsanschluß 10b. Wie bereits erläutert, ist das Signal am Anschluß 10b eine logische 1 während des gesamten gewünschten

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INSPECTED

Steuerintervalls für den positivgepolten Gleichrichter 4b. Der Anschluß 10b ist unmittelbar verbunden mit den D-Eingangsanschlüssen der Zählerstufen 31-371 so daß der Zähler von seiner voreingegebenen Zahl aus abwärts mit einer Geschwindigkeit zählen wird, welche durch die Taktinipulse am Eingangsanschluß 13b bestimmt wird, die auf die Taktanschlüsse C der Zählerstufen 31 bis 37 gekoppelt werden.

Gleichzeitig mit dem Befehl an den Zähler 30 zur Zählung in einer vorgegebenen Richtung durch Änderung des logischen Wertes des Ausgangssignales am Anschluß 10b, bewirkt das Vorhandensein eines Ausgangsimpulses am Anschluß 11b bzw. 12b, daß eine positive bzw. negative digitale Zahl in dem Zähler 30 vorgegeben wird. Wie bereits festgestellt, wird an dem Anschluß 11b ein Ausgangsimpuls für die logische 1 vorhanden sein, wenn die Steuerung des positiven Gleichrichters 4b erwünscht ist. Dieser Ausgangsimpuls wird auf einen Eingang eines NAND-Gatters 4ü gekoppelt, dessen anderer Eingang mit einem Übertragungssignal gespeist 1st, das ständig den Wert für die logische Eins besitzt. Bei Coinzidenz des Übertragungssignals und des Ausgangsimpulses am Anschluß 11b wird am Ausgang des Gatters 40 eine logische Null erzeugt» welche auf die Anschlüsse Pj für den Schaltzustand "set" der Zählerstufen 31 bis 36 gekoppelt wird. Durch Zuführung der logischen Null an diesen Anschlüssen gehen die Signale auf den Ausgangsanschlüssen Q dieser Zählerstufen 31 bis 36 auf eine logische Eins. Weiterhin wird das Ausgangssignal des NAND-Gatters ^O auf den Rückstellanschluß Pk der Zählerstufe 37 gekoppelt. Das Vorzeichen Bit der in den Zähler 30 enthaltenen digitalen Zahl ist dargestellt durch die Zählerstufe 37. Wenn daher eine positive Zahl als voreingestellte Zahl auf den Zähler 30 gegeben werden soll, ändert die Zuführung einer logischen Null an den Rückstellanschluß Pk der Zählerstufe 37 das Signal am Ausgangsanschluß Q auf eine logische Null. Daher enthält am

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- Zk -

Beginn des Steuerintervalles für den positiven Gleichrichter kh der Zähler 30 die positive digitale Zahl 0 111111.

Während der restlichen Zeit des Steuerintervalles zählt der Zähler 30 von dieser voreingestellten Zahl aus abwärts mit einer Geschwindigkeit, welche durch die Taktimpulse bestimmt wird, die von dem Anschluß 13 auf die Taktimpulsanschlüsse C der Zählerstufen 31 bis 37 eingespeist werden. Um die Frequenz des Taktgenerators 13 festzulegen, muß lediglich die Frequenz der Eingangswechselspannung, die Anzahl der Stufen im Zähler 30, die Dauer des Steuerintervalles und das Ausmaß der "Härtung" ("hardening") bekannt sein. Diese letztere Größe bezieht sich auf die Zündung des entsprechenden gesteuerten Siliziumgleichrichters vor dem Nulldurchgang der Eingangsspannung, wobei vom digitalen Fehlersignalgenerator aus ein Fehlersignal Null zugeführt wird. Es kann selbstverständlich erwünscht sein, den Gleichrichter an diesem Punkt des Nulldurchgangs zu zünden oder in dem 60 -Bereich der Periode der Spannung, und daher ist die folgende Berechnung unter Verwendung eines "Härtungseffektes" lediglich zur Veranschaulichung angeführt.

Will man annehmen, daß die Frequenz der Wechselspannungsleitung 60 Hz beträgt, jedes Steuerintervall sich über einen Bereich von 180 erstreckt, der Grad der Härtung 15 ist, sechs Zeilstufen vorhanden sind, und die früheste Zündung eines Gleichrichters bei einer Voreilung von 120° erfolgt, dann ergibt sich die Zählfrequenz aus der folgenden Formel

^{60 H}* %Jä * » «■

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Wenn ein Stromdurchgang des negativen Gleichrichters 3b erwünscht ist, ergibt sich die Definition des Steuerintervalles in ähnlicher Weise wie für den positiven Gleichrichter 4b. Die Ausnahme besteht darin, daß ein Impuls für die logische 1 für die Einspeisung der voreingestellten Ziffer an dem Anschluß 12b vorhanden ist, welche zusammen mit dem Signal für die Übertragung der Zahl einem zweiten NAND-Gatter 4i zugeführt wird. Bei dieser Coinzidenz wird am Ausgang des Gatters 41 eine logische O erzeugt und auf die Rückstellanschlüsse Pk der Zählerstufen 31 bis 36 gekoppelt, um deren Ausgangssignal an den Anschlüssen Q auf . eine logische O zu ändern. In gleicher Weise ändert die Zuführung der logischen O am Ausgang des NAND-Gatters 41 zum Einstellanschluß Pj der Zählerstufe 37 das Aus^angssignal für das Vorzeichen oder für das Bit mit dem höchsten Stellenwert am Anschluß der Stufe 37 auf eine logische 1. Daher wird der Zähler 30 am Beginn des Steuerintervalles für den negativen Gleichrichter 3b auf die negative digitale Zahl 1 0 0 0 0 0 0 eingestellt. Der Zähler 30 wird dann durch Zuführung einer logischen 1 als Steuersignal an die Anschlüsse U der Stufen 31 bis 37 veranlaßt, von der negativen voreingestellten Zahl aus aufwärts zu zählen. Dieses Signal für die logische 1 wird dadurch erhalten, daß das am Anschluß 10b während des negativen Steuerintervalles vorhandene Signal für die logische 0 mit Hilfe des Gatters 42 umgekehrt wird.

Der Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 wird an den Ausgangsanschlüssen C1 bis C7 kontinuierlich überwacht. Diese Signale werden den entsprechenden Eingangsanschlüssen eines digitalen Bit-Komparators 60 entsprechend Fig. 6 zugeführt. In der bestimmten Ausführungsform nach Fig. 6 besitzt der digitale Bit-Komparator 6ü zwei mit F und F bezeichnete Ausgänge, welche anzeigen, wenn eine vorgegebene Beziehung zwischen dem digitalen Fehlersignal an den Eingängen E1

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bis £7 des digitalen Bit-Komparators 6ü und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 an den Eingängen C1 bis C7 sich verändert. Der Komparator 60 kann so gewählt werden, daß die Ausgänge F und F die Richtung des Wechsels des Vorzeichens der Differenz zwischen dem Fehlersignal und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers darstellen. Wenn daher der umkehrbare Zähler 30 auf eine positive digitale Zahl eingestellt ist und das Regelabweichungssignal ein positives digitales Signal mit einem niedrigeren Wert ist, dann wird diese Bedingung erfüllt, wenn das Vorzeichen des Differenzenvergleichs von negativ nach positiv wechselt, und es wird dann am Ausgangsanschluß F eine logische 1 erzeugt. Andererseits wird die obige Bedingung bei Einstellung des umkehrbaren Zählers 30 auf eine negative digitale Zahl dann erfüllt, wenn das Vorzeichen des Differenzenvergleichs von Positiv nach Negativ wechselt, und es wird dann am Ausgangsanschluß F eine logische 1 erzeugt.

Für die Erfüllung dieser Betriebsfunktion wird keineswegs irgendein bestimmter Komparatortyp benötigt. Es sind an sich Bit-Komparatoren mit den gewünschten Eigenschaften bekannt. Es wird hierzu auf das Werk von R. Richard "Arithmetic Operation in Digital Computers" (van Nostrand 1955) verwiesen. Ein einfacher Weg zum Vergleich von zwei binären Zahlen besteht darin, eine Zahl von der anderen zu subtrahieren und das Vorzeichen der Differenz festzustellen. Daher könnte der Bit-Komparator 60 beispielsweise einen Teil eines Parallelsubtraktors umfassen, welcher den Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 von dem Inhalt des Registers oder Zählers im Fehlersignalgenerator· 7 subtrahiert und dann die vorerwähnten Ausgangssignale F und F erzeugt, welche das Voraeichen der Differenz angeben. Hieraus ist jedoch nicht zu folgern, daß die Erfindung auf einen Bit-Komparator dies·« Typs beschränkt ist. Es ist ledigl. ch erforderlich, daß der Komparator in der Lage ist, den Zustand festzustellen

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daß eine vorgegebene Relation zwischen dem Fehlersignal und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 sich ändert.

Um den richtigen gesteuerten Siliziumgleichrichter 3b oder 4b zu zünden, ist es notwendig, daß das logische Ausgangesignal des Bit-Komparators 60 diesem zugeführt wird. Für diesen Zweck, sind die NAND-Gatter 6\ und 62 vorgesehen. Das NAND-Gatter 61 hat als Eingangssignal den Ausgang F von dem Komparator 60, das Signal auf dem Anschluß 10b und ein positives Verriegelungssignal, welches nachstehend erörtert wird. Wie bei der Erörterung der Phasendetektorlogik 9 festgestellt, erfüllt das Signal am Anschluß 10b eine Reihe von Funktionen. Eine dieser Funktionen ist die Auswahl des gesteuerten Siliziumgleichrichters, welcher durch einen Zündimpuls von der Schaltung 5h während des richtigen Steuerintervalls gezündet werden soll. Die Zuführung des Signals am Anschluß 10b auf das Gatter 61 bewirkt diese Funktion. Aus der Fig. 2b ergibt sich, daß das Signal am Anschluß 10b während des Steuerintervalls für den positiv gepolten Gleichrichter 4b eine logische 1 ist. Ss sei angenommen, daß das ρ ·tive Verriegelungssignal ebenfalls eine logische 1 ist. Bt jinem Vergleichsausgangssignal am Anschluß F des Bit-Kompa „ti' -*? 60 erzeugt das NAND-Gatter als Ausgangssignal eine iagxst.be 0, welche durch nichtgezeigte Vorrichtungen in geeiäteeter Weise umgekehrt und verstärkt werden kann und dem Gatter des gesteuerten Gleich richters 4b zugeführt werden kann. Da eines der Eingangssignale zu dem NAND-Gatter 61 durch den Ausgang F des Bit-Komparators 00 geliefert wird, kann der Zündimpuls nur dann erzeugt werden, wenn eine positive Zahl auf dem umkehrbaren Zähler 3O vorgegeben worden ist und das Regelabweichungssignal durch das Abwärtszählen des Zählers 30 während des Steuerintervalls größer geworden ist als die vorgegebene Zahl im Zähler 30.

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Das Zünden des negativ gepolten steuerbaren Gleichrichters 3b wird bewerkstelligt mit Hilfe eines Gatters 62, welches als Eingangssignale das Ausgangssignal F von dem Bit-Komparator 60, ein nachstehend beschriebenes negatives Verriegelungssignal und ein Signal 10b besitzt; dieses letztere Signal wird durch einen Inverter 63 erhalten, der als Eingangssignal das Signal des Anschlusses 10b erhält. Aus der Fig. 2b ergibt sich, daß während des Steuerintervalls für den negativen Gleichrichter 3b das Signal am Anschluß

10b eine logische 0 sein wird. Durch entsprechende Umkehrung ist daher das Signal 10b eine logische 1. Unter der Annahme, daß das negative Verriegelungssignal ebenfalls eine logische 1 ist, wird durch das Gatter 62 am Ausgang eine logische 0 erzeugt, wenn das Signal F während des Steuerintervalls eine logische 1 wird. Dieses Ausgangssignal des Gatters 62 kann in geeigneter weise umgekehrt und verstärkt und dem Gatter oder der Zündelektrode des Gleichrichters 3b zugeführt werden. Wie bemerkt, wird an dem Anschluß F nur dann ein Ausgangssignal für die logische 1 vorhanden sein, wenn auf den umkehrbaren Zähler 30 eine negative Zahl vorgegeben wurde und der Zähler 30 während des Steuerintervalls aufwärts zählt, so daß der Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 gleich oder größer als das Fehlersignal wird.

Die positiven und negativen Verriegelungssignale können dazu verwendet werden, willkürliches Zünden der Gleichrichter 3b und 4b durch digitale Rauschsignale, welche während der zuvor beschriebenen logischen Arbeitsgänge erzeugt werden, zu beseitigen oder zu verringern. Beispielsweise können die positiven und negativen Verriegelungssignale abhängig sein von einer Verriegelungsschaltung, die auf den Stromfluß durch den Verbraucher anspricht. Um beispielsweise .Fehlzündungen zu vermeiden ist es erwünscht, die positiven gesteuerte E Siliziumgleichrichter am Stromdurchgang zu

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hindern, wenn der Strom durch den Verbraucher in einer negativen Richtung fließt. In gleicher Weise können die positiven oder negativen Verriegelungssignale ein Zünden dann verhindern, wenn entweder positive oder negative vorgegebene Zahlenwerte gerade auf die umkehrbaren Zähler übertragen werden oder wenn eine ähnliche Übertragung innerhalb des digitalen Fehlersignalgenerators 7 erfolgt. Während jedem dieser Zustände, bei denen es erwünscht ist, daß der positive oder negative Gleichrichter nicht gezündet 'wird, sind das positive oder negative Verriegelungssignal eine logische O.

Die Zündschaltungen 5a. und 5c sind identisch zu der Zündschaltung 5b und arbeiten in gleicher Weise während der Steuerintervalle, welche durch die PhasendetektorlOgik 9 festgelegt werden. Man erkennt das bei einem beschriebenen Dreiphasensystem nach der bevorzugten Ausführungsform das digitale Pehlersignal gleichzeitig und ständig mit dem Inhalt des umkehrbaren Zählers in jeder Zündschaltung verglichen wird. Da jedoch die Zählgeschwindigkeit konstant ist, tritt die Änderung in der Beziehung zwischen dem Zählersignal und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers zu verschiedenen Zeitpunkten auf, so daß die steuerbaren Siliziumgleichrichter in der richtigen Phasensequenz gezündet werden.

Wegen des kontinuierlichen Vergleichs in dem Komparator für jede Zündschaltung ist das erfindungsgemäße Zündverfahren besonders geeignet für die Anwendung in den Fällen, in denen dynamische Änderungen des digitalen Regelabweichungssignals innerhalb des Steuerintervalls zu erwarten sind. Eine solche Anwendung wäre der Geschwindigkeitsregelkreis eines digitalen Servosystems. Außerdem kann durch die Feststellung des Vorzeichenwechsels der Differenz zwischen dem Regelabweichungssignal und dem Inhalt des umkehrbaren

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Zählers in zuverlässiger Weise ein Zündimpuls unter diesen extremen Bedingungen kurzzeitiger Änderungen erzeugt werden. Dies kann ggf. nicht möglich sein, wenn der Zündlmpuls nur bei strenger Gleichheit dieser Größen erzeugt wird.

Die Erfindung ist im vorstehenden im Hinblick auf eine bestimmte Ausführungsform im einzelnen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch anhand der gegebenen technischen Lehre viele weitere Modifikationen dieser bestimmten Ausführungsform ohne weiteres entnehmen können. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, daß für jede Phase der dem Verbraucher zugeführten Spannung ein besonderer umkehrbarer Zähler und ein besonderer Digitalkomparator verwendet wird. Es können beispielsweise ein Paar von Zählern und Komparatoren verwendet werden, wobei ein Vorwärtszähler zur Steuerung der Zündung der steuerbaren Gleichrichter positiver Polarität und ein Rückwärtszähler zur Steuerung der Zündung der Gleichrichter negativer Polarität verwendet wird. Bei dieser Anordnung können die steuerbaren Gleichrichter dann jeweils nur während eines Intervalles von 120 gezündet werden, beispielsweise von einer Voreilung von 90 bis zu einer Nacheilung von 30 .

Außerdem ist es nicht notwendig, die umkehrbaren Zähler auf ihre größte positive oder negative Zahl einzustellen, wenn eine andere Codierung des Regelabweichungssignales verwendet wird oder wenn ein anderer Ablauf der Steuerung während des Steuerintervalls erwünscht ist.

Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß die Erfindung auch verwendet werden kann für die Zufuhr von elektrischer Leistung zu einem Verbraucher durch Vollweg-Gleichrlchtung, beispielsweise eine dynamoelektrisch* M**9chin·· In diesem Falle werden zur Vervollständigung eine« solchen Systems weiter· gesteuerte Gleichrichter, Zündschaltungen usw. benötigt.

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Claims

- 31 Patentansprüche

( 1. jDigitales Steuersystem zur Steuerung oder Regelung der ^^^^Leistungszufuhr von einer Wechselstromquelle zu einem Verbraucher, gekennzeichnet durch die Kombination:

in entgegengesetzten Richtungen gepolte steuerbare Gleichrichter (3a,b,o) (4a,b,c), welche zwischen die WechselspannungsquelIe (1) und den Verbraucher (2) eingefügt sind, einen digitalen Fehlersignalgenerator (7)ι eine mit der Wechselspannungsquelle verbundene Phasendetektorlogik (9), die derart aufgebaut und geschaltet ist, daß ein Ausgangssignal dieser Phasendetektorlogik an dem frühesten Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wech selspannungsquelle (1) auftritt, an dem die Zündung eines steuerbaren Gleichrichters zugelassen werden soll und ein Taktgenerator (13) sowie eine Zündschaltung (5a,b,c) mit den folgenden Baugruppen, ein Zähler (30), welcher so mit dem Taktgenerator (13) und der PhasendeteVt rlogik (9) verbunden ist, daß beim Auftreten eines Aus^ >ί ^ssignals von der Phasendetektorlogik (9) eine vorgsgt>3je-?c digitale Zahl auf den Zähler (30) voreingestellt wxriL t r_:.d der Zähler inhalt anschliessend durch Impulse von dem Taktgenerator (13) durchgezählt wird und eine Komparatorvorrichtung (60), die so mit dem Zähler (30)und dem digitalen Fehlersignalgenerator (7) verbunden ist, daß die Komparatorvorrichtung ein Auegangssignal erzeugt, wenn sich eine vorgegebene Beziehung zwischen dem Inhalt des digitalen Fehlergenerators (7) und dem Inhalt des Zählers (JO) ändert, wobei dieses Ausgangssignal zur Erzeugung eines Zündimpulse· für einen ausgewählten Gleichrichter geeignet ist.

2. Digitales Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zähler (30) ein

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umkehrbarer Zähler ist, der bei positiver Polarität der Wechselspannung in einer Richtung zählt und bei negativer Polarität der Wechselspannung in der anderen Richtung zählt.

3· Digitales Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (30) ein umkehrbarer Zähler ist und abwärts zählt, wenn die Wechselspannung positive Polarität besitzt und aufwärts zählt, wenn die Wechselspannung negative Polarität besitzt und die voreingestellte digitale Zahl positiv ist, wenn die Wechselspannung positiv ist und negativ ist, wenn die Wechselspannung negativ ist.

4. Digitales Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wechsel, einer vorgegebenen Beziehung, welcher von der Komparatorvorrichtung (6O) erfaßt wird, ein Wechsel im Vorzeichen der Differenz zwischen dem Inhalt des digitalen Fehlersignalgenerators (7) und dem Inhalt des Zählers (30) ist.

5· Digitales Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Komparatorvorrichtung (6O) einen Zündimpuls für den positiv gepolten gesteuerten Gleichrichter liefert, wenn der Inhalt des digitalen Fehlersignalgenerators (7) den Inhalt des umkehrbaren Zählers (30) übersteigt und einen Zündimpuls für den negativ gepolten gesteuerten Gleichrichter liefert, wenn der Inhalt des umkehrbaren Zählers (30) größer ist oder gleich ist dem Inhalt des digitalen Fehlersignalgenerators .

6. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die KoBsainasi on eine dynamoelektrische Maschine (2) als Verc <sr enthält.

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Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Phasendetektorlogxk (9) enthält, die während der letzten 120 in der Halbperiode der Eingangswechselspannung und während der letzten 60 der folgenden Halbperiode den möglichen Stromdurchgang auslöst.

8. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Zündschaltung (5) die entgegengesetzt gepolten steuerbaren Gleichrichter (3t^) zwischen der Wechsel- . Spannungsquelle (1) und dem Verbraucher (2) auf ein digitales Regelabweichungssignal hin zündet und bei der der digitale Zähler (30) so angeordnet und verbundejn. ist, daß er mit einer vorgegebenen Zählgeschwindigkeit zählt, die Phasendetektorlogik (9) den frühesten Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wechselspannung feststellt, an dem ein Impuls erzeugt werden kann, der Ausgang der Phasendetektorlogik (9) mit der digitalen Zündschaltung (5) zur Festlegung eines Steuerintervalls verbunden ist, in dem eine vorgegebene digitale Zahl auf den Zähler (30) eingegeben werden kann, und der digitale Zähler (30) anschließend in einer vorgegebenen Richtung von dieser vorgegebenen Zahl aus zählt und dem digitalen Komparator (60) das digitale Fehlersignal und der Inhalt des digitalen Zählers zugeführt sind und dieser Komparator so arbeitet,daß er immer dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Vorzeichen der Differenz zwischen dem digitalen F_ehlersignal und dem Inhalt des digitalen Zählers wechselt und dieses Ausgangssignal zur Zündung eines der steuerbaren Gleichrichter weitergegeben wird.

9. Digitales Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der umkehrbare Zähler (30) durch das Signal von der Phasendetektorlogik (9)

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auf eine positive digitale Zahl voreinstellbar ist, wenn eine Wechselspannung der Quelle (1) positive Polarität besitzt, der umkehrbare Zähler (30) anschließend von der voreingestellten positiven Zahl aus abwärts zählt und das Signal von der Phasendetektorlogik (9) eine negative Zahl auf* den umkehrbaren Zähler (30) vorgibt, wenn die Polarität der Wechselspannung der Quelle negativ ist und der umkehrbare Zähler anschließend von der negativen voreingestellten Zahl aus aufwartszählt.

10. Digitales Steuersystem nach Anspruch 9 » dadurch gekennzeichnet , dall die Phasende tektorlogik (9) für jede Polarität der Eingangswechselspannung ein Steuerintervall definiert, das bei einer Voreilung von 120 beginnt.

11. Digitales Steuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß es als Verbraucher eine dynamoelektrische Maschine (2) enthält.

12. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwendung mit einem Regelsystem mit geschlossenem Regelkreis und Geschwindigkeitsregelung für einen Umkehrmotor und Vorrichtung zum Antrieb des Motors, wobei die entgegengesetzt gepolten steuerbaren Gleichrichter in jeder Leitung einer Mehrphasenwechselspannungsquelle zur Übertragung der elektrischen Energie aus der Quelle auf den Antriebsmotor vorgesehen sind, eine digitale Schaltung zur Synchronisation der Erzeugung der Zündimpulse für die steuerbaren Gleichrichter mit der entsprechenden Phase und Polarität der Wechselspannung vorhanden ist und die Zündimpulse den Durchgang elektrischer Energie durch die steuerbaren Gleichrichter zu dem Motor gemäß einem Regelabweichungssifc ^..1 s», uern, das aus einem Vergleich der digitalen Sollverteignale nit digitalen Rückkopplungssignalen erhalten wird, wobei das

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Sollwertsignal das gewünschte Motorverhalten und das Rückkopplungssignal das tatsächliche Motorverhalten anzeigen, dadurch gekennzeichnet , daß die digitale Schaltung enthält: einen von dem Motor (2) mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Motorgeschwindigkeit angetriebenen Impulsgenerator (8) mit mindestens einem Ausgangsimpuls pro Umdrehung, einem digitalen Sollwertgenerator (6) zur Erzeugung des Sollwertsignals, einem digitalen Regelabweichungssignalgenerator (7)» Vorrichtungen zur elektrischen Kopplung des Impulsgenerators und des digitalen Sollwertgenerators auf den digitalen Regelabweichungssignalgenerator, wobei ein Regelabweichungssignal durch Vergleich des Ausgangs des Impulsgenerators mit dem Sollwertsignal ableitbar ist, die Phasendetektorlogik (9) zur Erfassung der Polarität jeder Phase der Quellenspannung an die Wechselspannungsquelle (1) gekoppelt ist und ein Ausgangssignal besitzt, welches eine vorgegebene digitale Zahl auf digital betätigte Zündschaltungen (5) eingibt, und zwar zum frühesten Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wechselspannung, ώ.ϊί - sai Zündimpulse für gesteuerte Gleichrichter (3,^*) sprechender Phasen erzeugt werden können, wobei für jed.3 Fu. " - der Eingangsleistung eine digital betätigte Zündschaltung vorgesehen und mit der Phasendetektorlogik (9) und dem digitalen Regelabweichungssignalgenerator (7) verbunden ist und jede dieser Zündschaltungen (5a, b, c) einen digitalen Komparator (60) und einen umkehrbaren digitalen Zähler (30) enthält, welcher von der durch die Phasendetektorlogik eingegebenen vorgegebenen digitalen Zahl aus in einer vorgegebenen Richtung zählen kann, wobei die Zündschaltung (5) zur Abgabe von Zündimpulsen an richtig gepolte, entsprechende steuerbare Gleichrichter (3, 4) zu dem Zeitpunkt abgeben kann, wenn am digitalen Komparator (60) ein· Änderung im Vorzeichen der Differenz zwischen dem Inhalt des

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digitalen Zählers (30) und dem digitalen Regelabweichungssignal festgestellt ist und einen Taktgenerator (13), der so mit den digitalen Zählern (30) in den Zündschaltungen (5) verbunden ist, daß der auf einer Festfrequenz arbeitende Taktgenerator von der vorgegebenen digitalen Zahl aus den Inhalt des digitalen Zählers auszählt.

13. Verfahren zur Steuerung der Übertragung elektrischer Leistung aus einer Wechsel Spannungsquelle auf einen Verbraucher, gekennzeichnet dur ch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugung eines Regelabweichungssignals in digitaler Form, Überwachung des Verlaufs der Wechselspannung und Erzeugung eines Signals an dem ersten Punkt in jeder Halbperiode, an dem eine Übertragung elektrischer Leistung zu dem Verbraucher zulässig ist, wobei dieses Signal anschließend das Intervall definiert, in dem die Übertragung elektrischer Leistung stattfinden darf, die Einspeisung einer vorgegebenen digitalen Zahl auf den Zähler auf das Signal dieser Überwachungsstufe hin.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet , daß das in der Überwachungsstufe gewonnene Signal eine vorgegebene digitale Zahl vorgegebener Polarität auf dem Zähler vorgibt und danach die Zählrichtung steuert.

15· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet , daß die Überwachungsstufe die Erzeugung eines Signals bei einem Voreilwinkel von 120° während jeder Halbperiode umfaßt.

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