DE3744463C1 - Control method for a four-quadrant actuator (controller) - Google Patents
Control method for a four-quadrant actuator (controller)Info
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Steuerverfahren ist durch die CH-PS 4 38 464 bekannt.The invention relates to a control method according to the preamble of claim 1. Such a tax procedure is by CH-PS 4 38 464 known.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Buch von K. Heumann "Grundlagen der Leistungselektronik", B. G. Teubner, Stuttgart 1975, Seite 122 bzw. Seiten 124/125 bekannten Vier-Quadranten-Stellers gezeigt, der z. B. als schnelle Stelleinrichtung zur Speisung von ohmisch-induktiven Lasten, also z. B. von Plasmastabilisierungsspulen eingesetzt wird. Eine Verstellung der Ausgangsspannung geschieht hier durch Veränderung der relativen Einschalt dauer der Ventile, z. B. durch Pulsbreitensteuerung, Pulsfolgesteuerung oder durch Zweipunktregelung des Stromes. Dabei ist es üblich, den Vier-Quadranten- Steller so zu betreiben, daß an der Last entweder die positive oder die nega tive durch einen Kondensator C stabilisierte Gleichspannung U O liegt. Zu diesem Zweck werden (hier als löschbare Thyristoren dargestellte) steuerbare Halbleiterschalter V 11/V 21 bzw. V 31/V 41 zum jeweils gleichen Zeitpunkt gezündet und gelöscht. Die sich dabei ergebende Lastspannung U L ist in Fig. 2 dargestellt. Hat die Last, wie vorausgesetzt, einen induktiven Anteil, dann wechselt der Laststrom seine Polarität nicht oder nur gegenüber der Spannung zeitverzögert. Während dieser Zeit der der Spannung entgegenge setzten Stromführung führen antiparallel zu den steuerbaren Halbleiterschaltern liegende Freilaufdioden V 10/V 20 bzw. V 30/V 40 den Strom weiter. Im Stromnulldurchgang kommutiert der Strom dann auf den paralleliegenden, steuerbaren Halbleiterschalter, d. h. von V 10 auf V 11 und von V 20 auf V 21 bzw. von V 30 auf V 31 und von V 40 auf V 31.In Fig. 1 the basic circuit diagram of a four-quadrant actuator known from the book by K. Heumann "Fundamentals of Power Electronics", BG Teubner, Stuttgart 1975, page 122 and pages 124/125 is shown, the z. B. as a fast control device for feeding ohmic-inductive loads, so z. B. is used by plasma stabilization coils. An adjustment of the output voltage is done here by changing the relative duty cycle of the valves, for. B. by pulse width control, pulse sequence control or by two-point control of the current. It is common to operate the four-quadrant actuator so that either the positive or the nega tive by a capacitor C stabilized DC voltage U O is on the load. For this purpose, controllable semiconductor switches V 11 / V 21 or V 31 / V 41 (shown here as erasable thyristors) are fired and deleted at the same time. The resulting load voltage U L is shown in FIG. 2. If, as assumed, the load has an inductive component, the load current does not change its polarity or only with a time delay compared to the voltage. During this time, the current conduction opposed to the voltage, free-wheeling diodes V 10 / V 20 or V 30 / V 40 lying antiparallel to the controllable semiconductor switches continue to conduct the current. In the current zero crossing, the current then commutates to the parallel controllable semiconductor switch, ie from V 10 to V 11 and from V 20 to V 21 or from V 30 to V 31 and from V 40 to V 31 .
Nachteilig ist bei dieser Betriebsweise die große Welligkeit der Lastspannung U L′ insbesondere bei kleinen Ausgangsspannungsmittelwerten. Hier liegt an der Last hauptsächlich eine, an sich störende rechteckförmige Wechselspannung an, der - wie man aus Fig. 2 erkennen kann - eine kleine Nutzspannung überlagert ist. Die Wechselspannung ruft im allgemeinen unerwünschte Strom schwankungen in der Last hervor.The disadvantage of this mode of operation is the large ripple of the load voltage U L ', particularly in the case of small average output voltage values. Here there is mainly an intrinsically disturbing rectangular AC voltage at the load, which - as can be seen from FIG. 2 - is superimposed on a small useful voltage. The AC voltage generally causes unwanted current fluctuations in the load.
Mit dem durch die eingangs erwähnte CH-PS 4 38 464 bekannten Steuerverfah ren kann ein Vier-Quadrantensteller derart bei jeder der beiden Richtungen des Laststromes in drei Betriebszustände, und zwar a) treibende Spannung an der Last, b) Freilauf und c) Gegenspannung an der Last, versetzt werden, daß der störende Wechselanteil der Lastspannung vermindert ist. Die genannten drei Betriebszustände treten zwecks Regelung des Laststromes in beliebiger Reihen folge auf. Die Taktfrequenz ist dabei entsprechend unregelmäßig, so daß es leicht auch zu Einschaltzeiten des Vier-Quadrantenstellers kommt, die für die verwendeten Halbleiterschalter (zum Beispiel GTO-Thyristoren) zu kurz sind. Auch ist ein Abgleich mit anderen Schaltungsteilen wegen der schwankenden Taktfrequenz nicht möglich.With the tax procedure known from the above-mentioned CH-PS 4 38 464 A four-quadrant controller can do so in either direction of the load current in three operating states, namely a) driving voltage the load, b) freewheeling and c) counter voltage on the load, are offset that the disturbing AC component of the load voltage is reduced. The three mentioned Operating states occur in any row for the purpose of regulating the load current follow. The clock frequency is accordingly irregular, so that it the four-quadrant controller also comes on easily for those used semiconductor switches (for example GTO thyristors) are too short. Also a comparison with other circuit parts is due to the fluctuating Clock frequency not possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Steuerverfah ren so auszugestalten, daß die Speisung einer stark induktiven Last mit konstan ter Taktfrequenz und gleichmäßiger Belastung der Ventile mit nicht zu kurzen und nicht zu langen Durchlaßzeiten im Vier-Quadrantensteller möglich ist.The invention has for its object the tax procedure mentioned above ren so that the supply of a strongly inductive load with constant clock frequency and even loading of the valves with not too short and not too long pass times in the four-quadrant controller is possible.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn zeichneten Merkmale gelöst.This object is characterized according to the invention by the in claim 1 features resolved.
Infolge der einstellbaren konstanten Taktfrequenz ist es somit vorteilhaft mög lich, die Schaltbedingungen der Halbleiterschalter des Vier-Quadrantenstellers ohne weiteres einzuhalten und auch einen guten Frequenzabgleich mit anderen Schaltungselementen herzustellen.As a result of the adjustable constant clock frequency, it is advantageously possible Lich, the switching conditions of the semiconductor switch of the four-quadrant actuator easily comply with and also a good frequency comparison with others Manufacture circuit elements.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuerverfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous refinements of the control method according to the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung soll im folgenden für einige Verfahrensbeispiele anhand der Zeichnung erläutert werden.The invention is intended to be based on some process examples the drawing are explained.
Gemäß der Erfindung werden bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanord nung eines Vier-Quadrantenstellers für eine erste Teilzeit zwei der lösch baren Halbleiterschalter, also z. B. V 11 und V 21 eingeschaltet und nach einer gewissen Zeit lediglich der Halbleiterschalter V 11 geöffnet. According to the invention, in the circuit arrangement shown in FIG. 1, a four-quadrant actuator for a first part-time, two of the erasable semiconductor switches, that is, for. B. V 11 and V 21 turned on and after a certain time only the semiconductor switch V 11 opened.
Dann fließt während einer zweiten Teilzeit der Laststrom I L durch den Kreis Last - steuerbarer Halbleiterschalter V 21 - Freilaufdiode V 40 weiter, ohne daß eine Spannung U L an der Last anliegt.Then, during a second part-time, the load current I L continues to flow through the circuit load-controllable semiconductor switch V 21 - free-wheeling diode V 40 without a voltage U L being present at the load.
Als nächster Schritt wird nun auch der steuerbare Halbleiterschalter V 21 gelöscht, so daß der Strom vom Halbleiterschalter V 21 auf die Freilauf diode V 30 kommutiert und somit während einer dritten Teilzeit eine negative Spannung an der Last anliegt.As a next step, the controllable semiconductor switch V 21 is now deleted so that the current from the semiconductor switch V 21 commutates to the freewheeling diode V 30 and thus a negative voltage is applied to the load for a third part-time.
Sodann wird für eine vierte Teilzeit wieder der Halbleiterschalter V 21 geschlossen und der Betrieb ohne Spannung an der Last setzt erneut ein.The semiconductor switch V 21 is then closed again for a fourth part-time and operation without voltage at the load starts again.
Diese Arbeitsreihenfolge wird zyklisch wiederholt. In Fig. 3 sind für einen Null-Volt-Betrieb der Lastspannung U L die Stromführungszeiten der steuerbaren Halbleiterschalter V 11 bis V 41 und der Freilaufdioden V 10 bis V 40 über der Zeit t gezeigt. Nach einer Zeit T erfolgt eine zyklische Wiederholung der Stromführungszeiten. Wie man erkennt, ist durch die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die störende Oberwellenhaltigkeit der Lastspannung U L verringert. Der Laststrom I L zeigt dementsprechend nur geringe Schwankungen.This work sequence is repeated cyclically. In Fig. 3 volt operation null of the load voltage U L, the current carrying periods of the controllable semiconductor switches V 11 to V 41, and the free-wheeling diodes are V 10 to V 40 are shown over the time t for one. After a time T , the current carrying times are repeated cyclically. As can be seen, the disturbing harmonic content of the load voltage U L is reduced by using the method according to the invention. The load current I L accordingly shows only slight fluctuations.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die steuerbaren Halbleiterschalter V 11 und V 21 des in Fig. 1 gezeigten Vier-Quadranten- Stellers mit jeweils langer, überlappender Brenndauer betrieben werden, so daß sich ein Stromfluß durch die schaltbaren Halbleiterschalter und die Freilaufdioden entsprechend Fig. 4 ergibt. Die Belastung der beteiligten Ventile V 11, V 21, V 30 und V 40 ist anders als beim zu Fig. 3 erläuterten Verfahren gleichmäßig. Vorteilhaft bei der in Fig. 4 gezeigten Betriebs weise sind die garantiert relativ langen Stromführungsdauern der steuer baren Halbleiterschalter von einer halben Periodendauer der Ausgangs frequenz 1/T.In a further embodiment of the invention, the controllable semiconductor switches V 11 and V 21 of the four-quadrant actuator shown in FIG. 1 can each be operated with a long, overlapping burning time, so that a current flow through the switchable semiconductor switches and the freewheeling diodes in accordance with FIG. 4 results. The load on the valves V 11 , V 21 , V 30 and V 40 involved is, in contrast to the method explained in relation to FIG. 3, uniform. 4, the guaranteed relatively long current carrying times of the controllable semiconductor switches of half a period of the output frequency 1 / T are advantageous in the operating mode shown in FIG .
Soll ein Viet-Quadranten-Steller mit einer sehr hohen Taktfrequenz 1/T betrieben werden, lassen sich sequentiell ablösende parallelliegende Schalt elemente einsetzen. Fig. 5 zeigt ein Beispiel mit zwei quasiparallelen steuerbaren Halbleiterschaltern V 11, V 12 bzw. V 21, V 22 bzw. V 31, V 32 bzw. V 41, 42. in Fig. 6 sind die entsprechenden Stromflußzeiten für die in Fig. 5 gezeigten Ventile über der Zeit t aufgetragen. Die Stromfluß zeit der schaltbaren Halbleiterschalter und der Freilaufdioden beträgt je weils nur ein Viertel der Zeit T eines Zyklusses. Auch hier wird die Last spannung U L durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung in ihrem Oberwellengehalt gemindert. Entsprechend vergleichmäßigt ist auch der Laststrom I L . Die Schaltfrequenz der steuerbaren Halbleiterschalter beträgt bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung eines Vier-Quadranten-Stellers nur die Hälfte der Ausgangstaktfrequenz.If a Viet Quadrant actuator is to be operated with a very high clock frequency 1 / T , sequentially replacing parallel switching elements can be used. Fig. 5 shows an example of two quasi-parallel controllable semiconductor switches V 11, V 12 and V 21, V 22 and V 31, V 32 and V 41, 42. in Fig. 6, the respective conduction times are plotted for the in Fig. 5 valves shown over the time t. The current flow time of the switchable semiconductor switch and the freewheeling diodes is Weil only a quarter of the time T of a cycle. Here too, the load voltage U L is reduced in its harmonic content by using the method according to the invention. The load current I L is correspondingly even. The switching frequency of the controllable semiconductor switches in the circuit of a four-quadrant actuator shown in FIG. 5 is only half the output clock frequency.
Claims (6)
- a) die beiden in der einen Brückendiagonalen liegenden steuerbaren Halbleiterschalen führen den Laststrom (treibende Spannung an der Last),
- b) einer der beiden steuerbaren Halbleiterschalter und die Freilaufdiode derselben Brückenhälfte, aber der anderen Brückendiagonalen führen den Laststrom (Freilauf),
- c) die beiden in der anderen Brückendiagonale liegenden Freilaufdioden führen den Laststrom (Gegenspannung an der Last) auftreten,
- a) the two controllable semiconductor shells lying in the one bridge diagonal carry the load current (driving voltage at the load),
- b) one of the two controllable semiconductor switches and the free-wheeling diode of the same bridge half, but the other bridge diagonals carry the load current (free-wheeling),
- c) the two freewheeling diodes lying in the other diagonal of the bridge carry the load current (counter voltage on the load),
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873744463 DE3744463C1 (en) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Control method for a four-quadrant actuator (controller) |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19873744463 DE3744463C1 (en) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Control method for a four-quadrant actuator (controller) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3744463C1 true DE3744463C1 (en) | 1989-05-24 |
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ID=6343814
Family Applications (1)
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DE19873744463 Expired DE3744463C1 (en) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Control method for a four-quadrant actuator (controller) |
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---|---|
DE (1) | DE3744463C1 (en) |
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