DE3530966C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für Elektro­ magnete von Proportional- oder Servoventilen mit einer Transistor-Endstufe, die zur Stromregelung mittels eines Pulsbreiten-Modulators einer Ansteuerschaltung angesteuert ist.

Eine bekannte Verstärkerschaltung dieser Art (DE-OS 33 44 662), die mit einer Taktfrequenz des Pulsbreiten-Modulators bis zu etwa 500 Hz arbeiten kann, hat zwar gegenüber den auf der Längsreglertechnik beruhenden Verstärkerschaltungen einen verbesserten Wirkungsgrad und einen einfacheren Aufbau, andererseits aber eine schlechtere Qualität.

Es ist zwar bekannt (DE-AS 20 42 721), eine Endstufe für eine Induktivität, beispielsweise die Feldwicklung eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors als eine Brückenschaltung auszubilden, in deren vier Zweigen ein Transistor liegt. Diese bekannte Endstufe benötigt jedoch zwischen dem Gleich­ strom-Einspeisepunkt der Brückenschaltung und der Gleich­ stromquelle die Parallelschaltung einer in Durchlaßrichtung gepolten Diode und eines zusammen mit der an die Brücken­ schaltung angeschlossenen Induktivität einen Reihenschwing­ kreis bildenden Kondensator, was die erreichbare Dynamik gering hält. Ferner fehlt eine querstromfreie Umschaltung der Brückenschaltung.

Eine zwischen dem Gleichstromeinspeisepunkt der Brücken­ schaltung und der Gleichstromquelle angeordnete Parallel­ schaltung benötigt auch eine bekannte Brückenschaltung (Elektronik 5, 1984, Seiten 74 bis 78), die in ihren vier Zweigen je einen Leistungs-MOS-Transistor aufweist. Die Parallelschaltung besteht bei dieser als Endstufe für einen Gleichstrommotor dienenden Brückenschaltung einerseits aus einer Induktivität und andererseits aus der Reihen­ schaltung einer Diode und eines ohm'schen Widerstandes. Die Parallelschaltung begrenzt deshalb nicht nur die erreich­ bare Dynamik empfindlich, sondern verschlechtert auch den Wirkungsgrad. Außerdem benötigt diese Brückenschaltung für jeden der Leistungs-MOS-Transistoren eine Ausschaltent­ lastungsschaltung und parallel zu den beiden Punkten, an denen die Betriebsspannung der Brücke anliegt, eine Reihen­ schaltung aus einer Spannungshilfsquelle und einer Diode.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärker­ schaltung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbes­ sern, daß sich noch bessere Wirkungsgrade und eine höhere Dynamik erreichen lassen. Diese Aufgabe löst eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Bei einer derartigen Verstärkerschaltung kann der Puls­ breiten-Modulator mit einer Taktfrequenz im Bereich von 10 kHz bis ca. 200 kHz betrieben werden, wodurch sich eine stark vergrößerte Dynamik erreichen läßt. Ferner ist es durch eine solche Taktfrequenz möglich, Magnete mit Eckfre­ quenzen im Bereich von 100 Hz zu positionieren, ohne daß störende Schwebungen entstehen. Ebenso ist es möglich, auf einfachere Weise den für das Stellorgan optimierten Brumm dem Ausgangsstrom zu überlagern, wodurch eine sehr hysteresearme Positionierung erreichbar ist. Dies ist in Verbindung mit der bipolaren Ansteuerung ein wesentlicher Vorteil. Der höhere Wirkungsgrad, zu dem auch beiträgt, daß die Brücke querstromfrei umgeschaltet wird, gestattet in Verbindung mit dem Einsatz von Leistungs-MOS-Transistoren, wesentlich höhere Ströme zuzulassen. Zum einen wird hierdurch die Verwendung von Magneten mit verkleinertem Widerstand, insbesondere kleinerer Induktivität, und die Wahl eines günstigeren Verhältnisses des maximalen Stromes zum Nennstrom ermöglicht, wodurch eine wesentlich kürzere Stromaufbauzeit und damit eine schnellere Ansteuerung erreicht wird. Zum anderen ermöglicht die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung beim Abschalten des Magneten dessen Erregerspule nicht nur kurz zu schließen, sondern mit der Betriebsspannung der Brücke als Gegenspannung zu beaufschlagen, wodurch sich eine wesentlich kürzere Stromabbauzeit und damit eine Selbstlöschung erreichen läßt. Sowohl die kürzere Stromauf­ bauzeit als auch die kürzere Stromabbauzeit tragen ebenfalls zur Erhöhung der Dynamik bei. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung vor­ züglich für die Einbeziehung in einen Regelkreis. Die Po­ sitionsregelung läßt sich dann mit höchster Präzision und hoher Dynamik realisieren. Dank der rein digitalen Ansteuerung ist es hierbei auch möglich, den Reglerteil in einem Mikro­ computer zu realisieren und eine direkte Verknüpfung von diesem zur Steuerlogik vorzusehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ver­ stärkerschaltung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Druck­ schaltbild des Ausführungsbeispiels.

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 Pulsbrei­ ten-Modulators 2, das aus einer Folge von Rechteckimpulsen besteht, hat deshalb eine entsprechende, feste Frequenz. Die Pulsbreite dieser Impulse ist jedoch variabel und wird vom Ausgangssignal des Reglers 1 bestimmt.

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 durchgeschaltet werden können.

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.

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 Gleichspanung 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.

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.

Claims (4)

1. Verstärkerschaltung für Elektromagnete von Proportional- oder Servoventilen mit einer Transistor-End­ stufe, die zur Stromregelung mittels eines Pulsbreiten-Mo­ dulators einer Ansteuerschaltung angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Endstufe als eine Brückenschaltung ausgebildet ist, in deren vier Zweigen je ein Leistungs-MOS-Transistor (4) liegt,
• b) die eine Diagonale der Brückenschaltung an eine deren Betriebsspannung (U _L ) liefernde Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und die andere Diagonale für den An­ schluß einer Erregerwicklung (5) des Elektromagneten vorgesehen ist,
• c) die Ansteuerschaltung eine Steuerlogik (8) aufweist, welche bei einer Ansteuerung der Transistoren (4) im Sinne einer bipolaren Ansteuerung unter Umkehrung der Stromrichtung in der Erregerwicklung (5) durch eine Steuerimpulsverzögerung für die in den leitenden Zustand zu schaltenden Transistoren (4) gegenüber dem Steuerimpuls zur Sperrung der beiden anderen Transistoren (4) der Brückenschaltung querstromfrei umschaltet.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Pulsbreiten-Modu­ lators (2) im Bereich 10 kHz bis ca. 200 kHz liegt.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden der einen bzw. anderen Stromrichtungen zugehörigen Brückenpfade ein Widerstand (9) liegt, an denen je ein dem Strom proportionales Signal zur Ermittlung eines Strom-Istwertes abgegriffen wird.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch einen der Ansteuerschaltung vorgeschalteten Regler (1), an dessen Eingang das sich aus einem Vergleich des Istwertes mit einem Sollwert des Stromes in der Erreger­ wicklung ergebende Signal anliegt.