Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für Elektromagete von Pro
portional- oder Servoventilen mit einer mittels eines Pulsbreiten-Modulators
einer Ansteuerstufe angesteuerten Transistor-Endstufe.The invention relates to an amplifier circuit for electromagnets from Pro
portional or servo valves with one using a pulse width modulator
a control stage driven transistor output stage.
Die bekannten Verstärkerschaltungen dieser Art, die mit einer Taktfrequenz
des Pulsbreiten-Modulators unter etwa 500 Hz arbeiten, haben zwar gegenüber
den auf der Längsreglertechnik beruhenden Schaltungen einen verbesserten
Wirkungsgrad und einen einfacheren Aufbau, andererseits aber eine schlechte
re Dynamik.The known amplifier circuits of this type with a clock frequency
of the pulse width modulator work below about 500 Hz, have against
the circuits based on the series regulator technology an improved
Efficiency and a simpler structure, but on the other hand a bad one
re dynamic.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung der ein
gangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich noch bessere Wir
kungsgrade und eine höhere Dynamik erreichen lassen. Diese Aufgabe löst eine
Schaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1.The invention has for its object an amplifier circuit
the kind mentioned above to improve that even better we
degrees of efficiency and higher dynamics. This task solves one
Circuit with the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Endstufe ergibt einen wesentlich höhe
ren Wirkungsgrad und gestattet es deshalb, wesentlich höhere Ströme zuzu
lassen. Dies ermöglicht zum einen die Verwendung von Magneten mit verklei
nertem Wiederstand, insbesondere kleinerer Induktivität, und der Wahl eines
günstigeren Verhältnisses des maximalen Stromes zum Nennstrom, wodurch
eine wesentlich kürzere Stromaufbauzeit und damit eine schnellere Ansteue
rung erreicht wird. Zum anderen ermöglicht die erfindungsgemäße Endstufe,
beim Abschalten des Magneten dessen Erregerspule nicht nur kurzzuschließen,
sondern mit einer Gegenspannung zu beaufschlagen, wodurch sich eine wesent
lich kürzere Stromabbauzeit und damit eine Schnellstlöschung erreichen läßt.
Sowohl die kürzere Stromaufbauzeit als auch die kürzere Stromabbauzeit
ermöglicht eine Erhöhung der Dynamik. Ein weiterer Vorteil der erfindungs
gemäßen Schaltung besteht darin, daß sie eine bipolare Ansteuerung von Steu
ermagneten ermöglicht, wie sie für Servoventile benötigt wird. Der höhere
Wirkungsgrad, zu dem auch beiträgt, daß die Brücke querstromfrei umgeschal
tet wird, ergibt weiterhin den Vorteil, daß keine speziell ausgelegten Netz
teile erforderlich sind.The inventive design of the final stage results in a significantly high
ren efficiency and therefore allows much higher currents
to let. On the one hand, this enables the use of magnets with dis
nert resistance, in particular smaller inductance, and the choice of one
more favorable ratio of the maximum current to the nominal current, whereby
a significantly shorter power build-up time and thus faster activation
tion is achieved. On the other hand, the output stage according to the invention enables
not only short-circuit the excitation coil when the magnet is switched off,
but to apply a counter voltage, which is an essential
Lich shorter power reduction time and thus a quick extinction can be achieved.
Both the shorter power build-up time and the shorter power draw-down time
enables an increase in dynamics. Another advantage of the invention
according circuit is that they have a bipolar control of tax
ermagneten enables, as it is required for servo valves. The higher one
Efficiency, which also contributes to the fact that the bridge is formwork-free
tet, gives the advantage that no specially designed network
parts are required.
Bei einer bevorzugte Ausführungsform liegt die Taktfrequenz des Pulsbrei
ten-Modulators im Bereich von 10 kHz bis ca. 200 kHz. Diese wesentlich höhere
Taktfrequenz gegenüber den bekannten Schaltungen läßt eine gegenüber den
bekannten Lösungen stark vergrößerte Dynamik erreichen. Ferner ist es durch
diese hohe Taktfrequenz möglich, Magnete mit Eckfrequenzen im Bereich von
100 Hz zu positionieren, ohne daß störende Schwebungen entstehen. Ebenso ist
es möglich, auf einfache Weise den für das Stellorgan optimierten Brumm
dem Ausgangsstrom zu überlagern, wodurch eine sehr hysteresearme Positio
nierung erreichbar ist.In a preferred embodiment, the pulse frequency is the pulse frequency
modulator in the range from 10 kHz to approx. 200 kHz. This much higher
Clock frequency compared to the known circuits can be compared to the
known solutions achieve greatly increased dynamics. Furthermore, it is through
this high clock frequency possible, magnets with corner frequencies in the range of
100 Hz to position without disturbing beats. Likewise
it is possible to easily find the hum optimized for the actuator
superimpose the output current, resulting in a very low hysteresis position
nation is attainable.
Aufgrund der vorstehend erläuterten Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung eignet sich diese auch vorzüglich für die Einbeziehung in
einen Regelkreis. Eine Positionsregelung läßt sich dann mit höchster Präzision
und hoher Dynamik realisieren. Dank der rein digitalen Ansteuerung der End
stufe ist es hierbei auch möglich, den Reglerteil in einem Mikrocomputer zu
realisieren und eine direkte Verknüpfung von diesem zur Steuerlogik vorzuse
hen.Due to the properties of the invention described above
Amplifier circuit, this is also ideal for inclusion in
a control loop. Position control can then be carried out with the highest precision
and realize high dynamics. Thanks to the purely digital control of the end
stage, it is also possible to close the controller part in a microcomputer
realize and a direct link from this to the control logic
hen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Druck
schaltbild des Ausführungsbeispiels.The invention is based on one shown in the drawing
Embodiment explained in detail. The only figure shows a print
circuit diagram of the embodiment.
An den Ausgang eines Reglers 1, der im Ausführungsbeispiel ein I-Regler ist,
ist der Eingang eines Pulsbreiten-Modulators 2 angeschlossen, dem eine von
einem Taktgenerator 3 erzeugte feste Taktfrequenz zugeführt wird, welche im
Bereich zwischen 10 kHz und ca. 200 kHz liegt. Das Ausgangssignal des
Pulbrei
ten-Modulators 2, das aus einer Folge von Rechteckimpulse besteht, hat
deshalb eine entsprechende, feste Frequenz. Die Pulsbreite dieser Impulse ist
jedoch variabel und wird vom Ausgangssignal des Reglers 1 bestimmt.At the output of a controller 1 , which is an I controller in the exemplary embodiment, the input of a pulse width modulator 2 is connected, to which a fixed clock frequency generated by a clock generator 3 is fed, which is in the range between 10 kHz and approximately 200 kHz . The output signal of the Pulbrei ten modulator 2 , which consists of a series of rectangular pulses, therefore has a corresponding, fixed frequency. However, the pulse width of these pulses is variable and is determined by the output signal from controller 1 .
Die mittels der in ihrer Breite oder Dauer modulierten Impulse anzusteuernde
Endstufe weist vier gleiche Power-N-Kanal-Feldeffekttransistoren 4 auf, von
denen jeder in einem der vier Brückenzweige liegt. An der einen Diagonale
dieser Brücke liegt die Betriebsspannung U L an, während die andere Diago
nale die beiden Anschlüsse für die Last aufweist, bei der es sich um die
Erregerwicklung 5 des Elektromagneten handelt. Im Ausführungsbeispiel ist
dieser Elektromagnet Bestandteil eines Hochstrom-Servoventiles. Das Gate
jedes der vier Transistoren 4 wird von einer Treiberschaltung 6 angesteuert.
Diejenigen beiden Treiberschaltungen 6, welche die unmittelbar mit dem Plus
pol der Versorgungsspannung verbundenen beiden Transistoren 4 ansteuern,
werden durch eine spezielle Schaltung, nämlich eine Kondensator-Aufstockung,
mit einer um die an einem Eingang 7 anliegende, stabilisierte Versorgungs
spannung höheren Ansteuerspannung mit der Betriebsspannung versorgt. Hier
durch wird erreicht, daß alle vier Transistoren 4 bis zu kleinsten Sättigungs
spannungen durchgschaltet werden können.The output stage to be controlled by means of the width or duration of the modulated pulses has four identical power N-channel field effect transistors 4 , each of which lies in one of the four bridge branches. At one diagonal of this bridge, the operating voltage U L is present , while the other diagonal has the two connections for the load, which is the excitation winding 5 of the electromagnet. In the exemplary embodiment, this electromagnet is part of a high-current servo valve. The gate of each of the four transistors 4 is driven by a driver circuit 6 . Those two driver circuits 6 , which control the two transistors 4 directly connected to the positive pole of the supply voltage, are increased by a special circuit, namely a capacitor add-on, with a supply voltage at the input 7 that is stabilized, higher drive voltage with the operating voltage provided. This ensures that all four transistors 4 can be switched through to the smallest saturation voltages.
Für eine diagonale Ansteuerung der durch die Transistoren 4 gebildeten
Brücke ist eine Steuerlogik 8 vorgesehen, deren einer Ausgang mit dem einen
diagonalen Treiberpaar und deren anderer Ausgang mit dem anderen diago
nalen Treiberpaar verbunden ist. Die Steuerlogik 8 verzögert die High-Flanken
der Ansteuerimpulse für die Treiberschaltungen 6 so, daß beim Umschalten
vom einen Treiberpaar auf das andere Treiberpaar kein Strom in einem der
beiden Brückenzweige fließt, die in Parallelschaltung an der Betriebsspannung
U L liegen.For a diagonal control of the bridge formed by the transistors 4 , a control logic 8 is provided, one output of which is connected to one diagonal driver pair and the other output of which is connected to the other diagonal driver pair. The control logic 8 delays the high edges of the drive pulses for the driver circuits 6 so that when switching from one driver pair to the other driver pair no current flows in one of the two bridge branches which are connected in parallel to the operating voltage U L.
Zur Erfassung des Istwertes des durch die Erregerwicklung 5 fließenden Stro
mes ist in denjenigen beiden Brückenzweigen, die unmittelbar mit dem Null-
Potential der Betriebsspannung verbunden sind, je ein Widerstand 9 vorgesehen,
dessen Widerstandswert sehr gering gewählt werden kann, da sie nur dem
Abgriff einer dem Strom proportionalen Meßspannung dienen. Die an den
beiden Widerständen 9 abgegriffenen Spannungen liegen an den beiden Eingän
gen eines Meßverstärkers 10 an, dessen Ausgangssignal den Strom-Istwert
repräsentiert. Der Sollwert des Stromes liegt in Form einer Gleichspannung
an einem Eingangsverstärker 11 an, dessen Ausgangssignal so angepaßt ist,
daß es einem Summierpunkt 12 zugeführt werden kann, dem auch für den
Istwert/Sollwert-Vergleich das den Istwert repräsentierende Signal zugeführt
wird. Die im Summierpunkt 12 gebildete Sollwert/Istwert-Differenz liegt am
Eingang des Reglers 1 an. Der für das jeweilige Ventil optimale Dither-An
teil wird von einem entsprechenden Signalgeber 13 ebenfalls dem Summier
punkt 12 zugeführt und daher dem Ausgangsstrom überlagert.In order to detect the actual value of the current flowing through the excitation winding 5 , a resistor 9 is provided in each of the two bridge branches which are directly connected to the zero potential of the operating voltage, the resistance value of which can be chosen to be very low, since it is only the tap one serve measurement voltage proportional to the current. The voltages tapped at the two resistors 9 are present at the two inputs of a measuring amplifier 10 , the output signal of which represents the current actual value. The nominal value of the current is applied in the form of a direct voltage to an input amplifier 11 , the output signal of which is adapted so that it can be supplied to a summing point 12, to which the signal representing the actual value is also supplied for the actual value / nominal value comparison. The setpoint / actual value difference formed at summing point 12 is present at the input of controller 1 . The optimal dither for the respective valve is also supplied to the summing point 12 by a corresponding signal transmitter 13 and therefore superimposed on the output current.
Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein
aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen
Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und
insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.All mentioned in the above description as well as those only alone
Features that can be gathered from the drawing are further developments
Components of the invention, even if not particularly emphasized and
in particular are not mentioned in the claims.