Multiplikationsglied

Abstract

 Ein Multiplikationsglied, bei dem die dem ersten Faktor (A) entsprechende Größe das Puls-Pausen-Verhältnis eines Rechtecksignals bestimmt und die dem zweiten Faktor (B) entsprechende Größe die Amplitude des Rechtecksignals bestimmt, das nach Glättung mittels eines Verzögungsgliedes (VG1) das der Multiplikation entsprechende Signal darstellt, wird für eine hohe Dynamik ausgelegt. Dazu ist als Schaltglied (S1) ein Schmitt-Trigger vorgesehen, der seine Versogungsspannung direkt bzw. invertiert aus dem gleichgerichteten, die zweite Größe darstellendem Signal erhält.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Multiplikationsglied, dem eingangsseitig zwei den zu multiplizierenden Größen entsprechende Gleichspannungen zuführbar sind, von denen die zweite die Amplitude eines Rechtecksignals bestimmt, dessen Puls-Pausen-Verhältnis über einen Pulsweitenmodulator von der Größe der ersten Gleichspannung abhängig ist und wobei das resultierende Rechtecksignal über ein Glättungsglied ein produktspezifisches Ausgangssignal bildet.

[0002] Derartige Multiplikationsglieder sind beispielsweise aus dem Fachbuch "Analoge integrierte Schaltungen", Miklos Herpy, Franzis-Verlag München, Seite 447 u. 448 bekannt. Die Verwendung solcher Multiplikationsglieder kann auf den verschiedensten Gebieten der Technik erfolgen. Ein Anwendungsfall ist beispielsweise die Antriebsregelung für drehzahlveränderbare Drehstromantriebe. Zur Realisierung moderner Stromreglerkonzepte sind dabei Koordinatentransformationen vom Ständer- ins Läuferkoordinatensystem und umgekehrt erforderlich. Jede Koordinatentransformation benötigt dabei vier Multiplikationen. Soll die dem Drehzahlregler unterlagerte Stromregelung analog ausgeführt und im Feldkoordinatensystem realisiert werden, sind dafür zwei Koordinatentransformationen durchzuführen, was dann auf acht analoge Multiplikationsvorgänge hinführt. Beim beschriebenen Anwendungsfall wäre dabei eine der Multiplikationen für die Stromistwerte ins Feldkoordinatensystem und eine für die Spannungssollwerte in das Ständerkoordinatensystem vorzunehmen. Wie aus diesem Beispiel ersichtlich, werden also für bestimmte technische Anwendungsfälle eine Vielzahl von Analog-Multiplizierern verwendet.

[0003] Im technischen Einsatz befindliche Multiplikationsglieder der eingangs genannten Art sind so ausgebildet, daß sich zwischen dem Pulsweitenmodulator und dem Glättungsglied ein FET-Schalter befindet. Der Schaltvorgang wird durch das pulsweitenmodulierte Signal bestimmt, die Amplitude am Ausgang des Schalters wird über den Wechsler zugeführte Gleichspannungen bestimmt. Bei dieser Schaltung ist ein Vierquadrantenbetrieb möglich. Das heißt, der Wert der beiden zu multiplizierenden Größen kann in beiden Vorzeichen vorliegen.

[0004] Die Genauigkeit dieser Multiplizierglieder wird durch die Qualität des Pulsweitenmodulators, das Schaltverhalten des FET-Schalters und durch die gewählte Modulations- bzw. Schaltfrequenz bestimmt. Bei niedrigen Modulations- bzw. Schaltfrequenzen, beispielsweise 2 kHz beeinflussen unterschiedliche Schaltzeiten, Spikes etc. die Multiplikationsgenauigkeit nur unwesentlich. Jedoch ist die die Dynamik bestimmende Verzögerungszeit des Glättungsgliedes, das dem FET-Schalter nachgeschaltet ist und an dessen Ausgang das resultierende Ausgangssignal der Anordnung vorliegt, abhängig von der Schaltfrequenz. Die Dynamik des Multiplikationsglieders wird mit steigender Schaltfrequenz verbessert. Nun läßt sich aber bei den bekannten Schaltungen die Modulationsfrequenz nicht so stark erhöhen, wie dies beispielsweise beim Anwendungsfall der Antriebsregelung für Werkzeugmaschinen wünschenswert wäre. Dort wären nämlich Modulationsfrequenzen von 200 kHz anzustreben, bei denen dann mit unterschiedlichen Schaltzeiten, Spikes und ähnlichen, die Genauigkeit der Multiplikation verschlechtenden Größen gerechnet werden müßte.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Multiplikationsglied der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine gegenüber dem üblichen Einsatz von FET-Schaltern stark erhöhte Modulationsfrequenz möglich ist, ohne daß die Multiplikationsgenauigkeit leidet.

[0006] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zweite Gleichspannung über einen Gleichrichter einer ersten Schwellwertstufe ein erstes Versorgungspotential und über eine nachgeschaltete Invertierstufe ein zweites Versorgungspotential zuleitet, wobei die erste Schwellwertstufe zwischen den Pulsweitenmodulator und das Glättungsglied geschaltet ist. Für den Fall, daß bereits ein pulsweitenmoduliertes Signal vorliegt, ist selbstverständlich der Umwandlungsvorgang der ersten Gleichspannung in ein pulsweitenmoduliertes Signal unnötig.

[0007] Der Ersatz des FET-Schalters kann dabei beispielsweise durch einen Schmitt-Trigger-Inverter 74AC14 - oder anderer logischer Schaltkreise - erfolgen. Hiermit wird die gewünschte Dynamik und Genauigkeit des Systems zuverlässig erreicht. Für einen sicheren Schaltbetrieb darf bei derartigen Bausteinen die Versorgungsspannung allerdings nur zwischen vorgegebenen Werten variiert werden. Beim oben genannten Schmitt-Trigger-Inverter 74AC14 liegt diese Versorgungsspannung zwischen 1 V und 6 V. Das heißt, das Ausgangssignal des Gleichrichters darf nur Werte zwischen + 0,5 V und + 3 V und demzufolge das invertierte Signal nur solche zwischen - 0,5 V und - 3 V annehmen. Dadurch ist der Multiplikationsbereich eingeschränkt. Um dennoch den vollen Bereich abzudecken, erweist es sich nach einer ersten Ausbildung der Erfindung als vorteilhaft, daß der Ausgangsspannung des Gleichrichters additiv ein Korrektursignal hinzufügbar ist. Da ein derartiges Korrektursignal das Ausgangssignal jedoch proportional zur Größe der ersten Gleichspannung verfälscht, sollte das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators einer zweiten Schwellwertstufe zugeleitet werden, deren Versorgungspotentiale durch den positiven bzw. negativen Wert des Korrektursignals bestimmt sind, wobei das Ausgangssignal der zweiten Schwellwertstufe an ein zweites Glättungsglied geleitet wird und wobei dessen Ausgangssignal subtraktiv das Ausgangssignal des ersten Glättungsgliedes korrigiert.

[0008] Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es auch möglich, auf die zweite Schwellwertstufe zu verzichten und deren Funktion in das zweite Glättungsglied zu integrieren, indem dessen Zeitkonstante um den Wert des Korrektursignals variiert wird.

[0009] Bei den bislang geschilderten Ausbildungen der Erfindung liegt stets eine Zweiquadranten-Multiplikation vor. D.h., das Vorzeichen der dem Pulsweitenmodulator zugeführten ersten Gleichspannung beeinflußt zwar das Vorzeichen der Ausgangsspannung, jedoch für die zweite Gleichspannung, die dem Gleichrichter zugeleitet wird, trifft dies nicht zu. Ursache dafür ist, daß am Ausgang des Gleichrichters stets nur ein Betragssignal vorliegt. Dies ist von den Erfindern erkannt worden und gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß Mittel vorgesehen sind, welche die Polarität der zweiten Gleichspannung erfassen und je nach Polarität das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators invertieren bzw. nicht invertieren. Dadurch ist ein vollständiger Vierquadrantenbetrieb des Multiplikationsgliedes möglich.

[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

[0011] Dabei zeigen:

FIG 1

einen üblichen Multiplizierer,

FIG 2

das Prinzip des erfindungsgemäßen Multiplizierers,

FIG 3

einen ersten Zweiquadranten-Multiplizierer,

FIG 4

einen zweiten Zweiquadranten-Multiplizierer,

FIG 5

einen ersten Vierquadranten-Multiplizierer und

FIG 6

einen zweiten Vierquadranten-Multiplizierer.

[0012] In der Darstellung gemäß FIG 1 ist das Prinzip zur Multiplikation unter Zuhilfenahme eines Pulsweitenmodulators M und eines Schalters S, vorzugsweise eines FET-Schalters, dargestellt. Dabei wird ein erstes Eingangssignal A, das dem ersten Faktor des durchzuführenden Multiplikationsvorganges entspricht, dem Eingang des Pulsweitenmodulators M zugeleitet, an dessen Ausgang vorzeichenrichtig zur Polarität des Signals A ein pulspausenmoduliertes Signal vorliegt. Dieses Signal steuert den Wechselvorgang des Schalters S, der mit einem zweiten Eingangssignal B, d.h. einer zweiten Gleichspannung, die sowohl positiv als auch negativ sein kann, beaufschlagt wird. Dabei erfolgt dieses Beaufschlagen je nach Wechslerstellung entweder direkt mit dem zweiten Eingangssignal B oder aber über einen Invertierer I mit dem invertierten zweiten Eingangssignal, d.h. dem Signal -B. Demzufolge wird mit Hilfe des Schalters S die Amplitude des pulsweitenmodulierten Signals am Ausgang des Modulators M über den Schalter S variiert. Ein solchermaßen moduliertes Signal gelangt dann an den Eingang eines Verzögerungsgliedes VG1, das beispielsweise mit einer Verzögerungszeit T_V eine Glättung des Signals vornimmt. Somit liegt am Ausgang des Verzögerungsgliedes VG1 ein Ausgangssignal C vor, das in seiner Größe dem Produkt aus dem ersten Eingangssignal A und dem zweiten Eingangssignal B entspricht. Die maximale Dynamik des Multiplikators wird dabei durch die Verzögerungszeit T_V begrenzt, deren Wert wiederum von der gewählten Schaltfrequenz des Schalters S abhängig ist.

[0013] Gemäß der Erfindung wird, wie bereits eingangs geschildert, von der Verwendung eines FET-Schalters Abstand genommen und an dessen Stelle wird eine Schwellwertstufe S1, beispielsweise ein Schmitt-Trigger 74AC14 verwendet. Die den Elementen von Figur 1 entsprechenden Elemente von Figur 2 sind wie auch im weiteren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0014] Die Verwendung der Schwellwertstufe S1 bedingt, daß die beiden Versorgungspotentiale sich jeweils in einem definierten Spannungsraum befinden müssen, so daß demzufolge eine direkte Zuleitung des zweiten Eingangssignals an die Schwellwertstufe S1 nicht möglich ist. Aus diesem Grunde wird das zweite Eingangssignal B zunächst einem Gleichrichter GR zugeleitet, an dessen Ausgang ein gleichgerichtetes Signal +|B| ansteht. Dieses liefert die positive Ausgangsspannung für die Schwellwertstufe S1. Die erforderliche negative Ausgangsspannung wird mit Hilfe des Inverters I als -|B| der Schwellwertstufe S1 zugeleitet. Das Ausgangssignal der Schwellwertstufe S1, in diesem Fall ein invertiertes Signal, was für die Erfindung jedoch ohne weiteren Belang ist, da selbstverständlich auch die Verarbeitung eines nicht invertierten Signals möglich wäre, gelangt dann an das Verzögerungsglied VG1, an dessen Ausgang ein Ausgangssignal C, das dem Produkt der ersten Eingangsspannung A mit dem Betrag |B| der zweiten Eingangsspannung B entspricht. Insofern handelt es sich bei dieser Schaltung um einen Zweiquadranten-Multiplizierer, der ein negatives Vorzeichen des zweiten Eingangssignals B nicht berücksichtig.

[0015] Ferner darf bei dieser Schaltung die Versorgungsspannung für einen sicheren Schaltbetrieb maximal zwischen 1 V und 6 V variiert werden. D.h., +|B| darf nur Werte zwischen + 0,5 V und + 3 V und -|B| zwischen - 0,5 V und - 3 V annehmen. Dadurch ist der Multiplikationsbereich bei dieser Schaltung eingeschränkt. Um dem abzuhelfen, wird gemäß einer Schaltungsvariante, wie diese in der Darstellung gemäß Figur 3 gezeigt ist, dem Ausgangssignal des Gleichrichters GR eine Konstante K, beim Anwendungsfall + 0,5 V hinzugefügt. Dadurch ist zwar der Multiplikationsbereich nicht mehr reduziert, jedoch liegt am Ausgang des Multiplikationsgliedes eine additive Verfälschung um einen Wert A x K vor.

[0016] Gemäß einer weiteren Ausbildung des Zweiquadrantenmultiplikationsgliedes kann dieser Fehler dadurch eliminiert werden, daß das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators M an eine zweite Schwellwertstufe S2 geleitet wird, die prinzipiell der ersten Schwellwertstufe S1 entspricht, die jedoch hinsichtlich ihres Versorgungspotentials mit den Werten +K bzw. -K beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal der zweiten Schwellwertstufe S2 wird dann über ein Verzögerungsglied VG2, das prinzipiell dem Verzögerungsglied VG1 entspricht, geglättet und das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes VG1 wird um den Wert des Ausgangssignals des Verzögerungsgliedes VG2 vermindert. Demzufolge liegt als Ausgangssignal des Multiplikationsgliedes ein Signal C = A x |B| vor. Dieses Signal erfüllt damit die an ein Zweiquadrantenmultiplikationsglied gesetzten Forderungen.

[0017] Um eine Möglichkeit für einen Vierquadrantenbetrieb zu schaffen, kann eine Schaltungsvariante gemäß der Darstellung nach Figur 5 Verwendung finden. Da wie eingangs geschildert, die Polarität der Versorgungsspannung für die Schwellwertglieder S1 bzw. S2 festliegen muß, wird hier zur Verarbeitung des Vorzeichens der zweiten Eingangsspannung B ein Kunstgriff angewendet. Und zwar wird zunächst die Polarität der zweiten Eingangsspannung B mit Hilfe eines Umsetzers U ermittelt, der dann, wenn beispielsweise eine positive Polarität vorliegt, an seinem Ausgang ein Signal logisch "0" aufweist und anderenfalls ein Signal logisch "1" hat. Dieses Ausgangssignal gelangt jeweils als erstes Eingangssignal an ein EX-OR-Glied E1 bzw. E2. Die zweiten Eingänge der EX-OR-Glieder E1 bzw. E2 führen an den Pulsweitenmodulator M, die Ausgänge der EX-OR-Glieder E1 und E2 gelangen an die jeweilige Schwellwertstufe S1 bzw. S2. Dies führt dazu, daß dann, wenn die zweite Eingangsspannung B von positiver Polarität ist, das pulsweitenmodulierte Signal am Ausgang des Modulators M ohne Veränderung an die Schwellwertstufe S1 bzw. S2 gelangt und demzufolge die Zustände herrschen, wie in der Beschreibung zu Figur 4 geschildert. Anders ist es allerdings wenn die zweite Eingangsspannung B von negativer Polarität ist. In diesem Fall wird eine Inversion des Ausgangssignals des Pulsweitenmodulators M mit Hilfe der EX-OR-Glieder E1 bzw. E2 vorgenommen und demzufolge wird auch die Polarität am Ausgang des Multiplikationsgliedes geändert. Somit wird ein Vierquadrantenbetrieb ermöglicht.

[0018] In der Darstellung gemäß Figur 6 ist eine Variation der Schaltung gemäß Figur 5 gezeigt. Und zwar ist ersichtlich, daß auf die zweite Schwellwertstufe S2 verzichtet werden kann, wenn diese funktionell in das jeweils nachgeschaltete Verzögerungsglied, in diesem Fall ein Verzögerungsglied V3 integriert wird. Die Verstärkung des Verzögerungsgliedes VG3 muß dabei entsprechend dem Korrektursignal K gegenüber der Verstärkung des Verzögerungsgliedes VG2 variiert werden.

Ansprüche

1. Multiplikationsglied, dem eingangsseitig zwei den zu multiplizierenden Größen entsprechende Gleichspannungen zuführbar sind, von denen die zweite die Amplitude eines Rechtecksignals bestimmt, dessen Puls-Pausen-Verhältnis über einen Pulsweitenmodulator von der Größe der ersten Gleichspannung abhängig ist und wobei das resultierende Rechtecksignal über ein Glättungsglied ein produktspezifisiches Ausgangssignal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannung (B) über einen Gleichrichter (GR) einer ersten Schwellwertstufe (S1) ein erstes Versorgungspotential (+|B|) und über eine nachgeschaltete Invertierstufe (I) ein zweites Versorgungspotential (-|B|) zuleitet, wobei die erste Schwellwertstufe (S1) zwischen den Pulsweitenmodulator (M) und das Glättungsglied (VG1) geschaltet ist.

2. Multiplikationsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspannung (+|B|) des Gleichrichters (GR) additiv ein Korrektursignal (K) hinzufügbar ist.

3. Multiplikationsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators (M) einer zweiten Schwellwertstufe (S2) zuleitbar ist, deren Versorgungspotentiale durch den positiven bzw. negativen Wert des Korrektursignals (K) bestimmt sind, daß das Ausgangssignal der zweiten Schwellwertstufe (S2) an ein zweites Glättungsglied (VG1) geleitet wird und daß dessen Ausgangssignal subtraktiv das Ausgangssignal des ersten Glättungsglieds (VG1) korrigiert.

4. Multiplikationsglied nach Anspruch 3, dadurch gekenzeichnet, daß die zweite Schwellwertstufe (S2) funktionell in das zweite Glättungsglied (VG3) integriert ist.

5. Multiplikationsglied nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (U,E1,E2) vorgesehen sind, welche die Polarität der zweiten Gleichspannung (B) erfassen und je nach Polarität das Ausgangssignal des Pulsweitenmodulators (M) invertieren bzw. nicht invertieren.

Zeichnung