Titel

Regelvorrichtung, Schaltwandler und Verfahren zur Regelung einer

Ausgangsgröße

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung, insbesondere eine Regelvorrichtung für einen Schaltwandler sowie ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsgröße.

Stand der Technik

Ein Schaltwandler kann an einem Ausgangsanschluss eine definierte Ausgangsspannung, insbesondere eine definierte Gleichspannung bereitstellen. Für die Regelung derartiger Schaltwandler muss die Ausgangsspannung am Schaltwandler gemessen werden und einem Regelkreis zugeführt werden. In einem digitalen Regelkreis wird dabei zur Messung der Ausgangsspannung ein Analog-Digital-Wandler eingesetzt. Für eine gute Dynamik und möglichst geringe Abweichungen sollte die Ausgangsspannung möglichst mit einem hochgenauen Analog-Digital-Wandler mit kurzer Wandlungszeit gemessen werden.

Die Druckschrift DE 102 23 771 Al offenbart einen Schaltwandler mit einem digitalen Eingang sowie ein Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung. Der Schaltwandler umfasst einen Analog-Digital- Wandler mit einem Eingang, dem ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers wird ferner einem digitalen Filter zugeführt.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart eine Regelvorrichtung, einen Schaltwandler und ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsgröße mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Regelvorrichtung mit einer ersten Verarbeitungseinrichtung, einer zweiten Verarbeitungseinrichtung, einer Summiereinrichtung, einer Kompensationseinrichtung und einer Regeleinrichtung. Die erste Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, ein analoges Referenzsignal auszugeben, das zu einer Differenz zwischen einem digitalen Sollwert und einem digitalen Korrekturwert korrespondiert. Die zweite Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Differenz zwischen dem analogen Referenzsignal und einem analogen Ausgabesignal der Regelvorrichtung zu bilden. Weiterhin ist die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, die Differenz in ein erstes digitales Regelsignal zu konvertieren. Die Summiereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Summe aus dem ersten digitalen Regelsignal und einem Korrekturwert zu bilden, und diese Summe als zweites digitales Regelsignal auszugeben. Die Kompensationseinrichtung ist dazu ausgelegt, den Korrekturwert in Abhängigkeit von dem ersten digitalen Regelsignal anzupassen. Die Regeleinrichtung ist dazu ausgelegt, ein analoges Ausgabesignal unter Verwendung des zweiten digitalen Regelsignals einzustellen.

Weiterhin ist vorgesehen:

Ein Schaltwandler zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung. Der Schaltwandler umfasst eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Verfahren zur Regelung einer Ausgabegröße. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Bilden einer ersten Differenz zwischen einem digitalen Sollwert und einem digitalen Korrekturwert und zum Ausgeben eines analogen Referenzwertes, der zu der ersten Differenz korrespondiert. Das Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt zum Bilden einer zweiten Differenz zwischen dem Referenzwert und einem analogen Ausgabesignal und zum Ausgeben eines ersten digitalen Regelsignals, welches zu der zweiten Differenz korrespondiert. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Bilden eines zweiten Regelsignals aus einer Summe des ersten digitalen Regelsignals und dem digitalen Korrekturwert. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Einstellen des analogen Ausgabesignals unter Verwendung des zweiten digitalen Regelsignals. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anpassen des digitalen Korrekturwerts in Abhängigkeit von dem ersten digitalen Regelsignal.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die Regelung eines Ausgabesignals mit einem digitalen Regelkreis die Ausgabegröße erfasst und mittels eines Analog-Digital-Wandlers in ein digitales Signal konvertiert werden muss. Hierzu werden je nach Anwendung sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und die Wandlungszeit des Analog-Digital-Wandlers gestellt. Hochgenaue Analog-Digital-Wandler mit sehr kurzer Wandlungszeit erfordern dabei aufwändige und kostenintensive Wandlerarchitekturen.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine digitale Regelung für eine Ausgangsgröße bereitzustellen, welche geringere Anforderungen an den Wandelbereich eines Analog-Digital- Wandlers der Regelvorrichtung stellt. Hierzu wird ein dynamisch anpassbarer Korrekturwert vorgesehen. Dieser Korrekturwert kann dazu eingesetzt werden, ein Offset in der Sollwertvorgabe und der Ausgangsgröße zu verringern. Somit kann einem Analog-Digital-Wandler der digitalen Regelung ein Signal mit einem entsprechend verringerten Offset zugeführt werden. Hierdurch kann die Analog- Digital-Wandelung in einem verringerten Wandelbereich ausgeführt werden. Dies ermöglicht den Einsatz von hochpräzisen und schnellen Analog-Digital-Wandlern mit vereinfachter Architektur und somit geringeren Kosten. Nach der Analog-Digital-Wandelung kann dem digitalen Ausgabewert des Analog-Digital-Wandlers ein Wert hinzuaddiert werden, welcher dem verringerten Offset entspricht. Auf diese Weise kann für die weitere Regelung ein Wert verwendet werden, welcher dem tatsächlichen Wert des Ausgangssignals der Regelstrecke entspricht, obwohl die Analog-Digital-Wandelung nur in einem sehr engen Wandelbereich ausgeführt werden muss.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung dazu ausgelegt, den digitalen Korrekturwert anzupassen, wenn der Betrag des ersten Regelsignals einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Hierdurch kann eine dynamische Anpassung des Korrekturwerts erfolgen. Insbesondere kann auf diese Weise gewährleistet werden, dass der an dem Analog-Digital-Wandler der zweiten Verarbeitungseinrichtung anliegende Wert stets in dem begrenzten Wandelbereich des Analog-Digital-Wandlers liegt.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Kompensationseinrichtung dazu ausgelegt sein, den Korrekturwert zu erhöhen, wenn das erste Regelsignal einen vorgegebenen ersten Schwellwert überschreitet. Weiterhin kann die Kompensationseinrichtung dazu ausgelegt sein, den Korrekturwert zu erniedrigen, wenn das erste Regelsignal einen vorgegebenen zweiten Schwellwert unterschreitet. Der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert können dabei gleich oder je nach Anwendungsfall auch verschieden sein.

Beispielsweise kann der Korrekturwert durch die Kompensationseinrichtung dann angepasst werden, wenn das erste Regelsignal außerhalb eines definierten Fensterbereiches liegt. Dieser Fensterbereich kann beispielsweise zwischen 25 und 75 % des Wandelbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegen. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Fensterbereiche möglich.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Verarbeitungseinrichtung eine erste Subtraktionseinrichtung und einen Digital-Analog-Konverter. Die erste Subtraktionseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Differenz zwischen dem Sollwert und dem Korrekturwert zu bilden. Der Digital-Analog-Konverter ist dazu ausgelegt, ein analoges Signal als erstes Regelsignal auszugeben, wobei das als erstes Regelsignal ausgegebene Signal zu der Differenz zwischen dem Sollwert und dem Korrekturwert korrespondiert. Mit anderen Worten, der Digital-Analog- Konverter führt eine Digital-Analog-Wandlung des Differenzsignals von der ersten Subtraktionseinrichtung aus.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite Verarbeitungseinrichtung eine zweite Subtraktionseinrichtung und einen Analog-Digital-Konverter. Die zweite Subtraktionseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Ausgabesignal zu bilden. Der Analog-Digital-Konverter ist dazu ausgelegt, ein digitales Signal als zweites Regelsignal auszugeben, wobei das als zweites Regelsignal ausgegebene Digitalsignal zu der Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Ausgabesignal korrespondiert. Der Analog-Digital- Konverter führt somit eine Analog-Digital-Konvertierung des Differenzsignales von der zweiten Subtraktionseinrichtung aus. Aufgrund der Differenzbildung liegt dabei das Differenzsignal innerhalb eines geringen Wertebereiches. Somit muss der Analog-Digital-Konverter lediglich einen geringen Wandelbereich aufweisen.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer

Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und Figur 2: ein Flussdiagramm, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Ausgabesignals gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einer Regelvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei der Regelvorrichtung 1 kann es sich beispielsweise um die Regelvorrichtung für einen Schaltwandler handeln. Ein derartiger Schaltwandler kann beispielsweise eine definierte Ausgangsspannung bereitstellen. Beispielsweise kann der Schaltwandler eine definierte Ausgangsgleichspannung aus einer Eingangsgleichspannung erzeugen. Der Wert der Ausgangsspannung eines solchen Schaltwandlers kann am Eingang der Regelvorrichtung 1 durch einen Sollwert S vorgegeben werden.

Zur Regelung des Ausgangssignals A wird an einem Regler 51 der Regeleinrichtung 50 eine Regelgröße bereitgestellt. Unter Verwendung dieser Regelgröße kann das Ausgabesignal A beispielsweise eine Ausgangsspannung, eingestellt werden.

Um bei Schwankungen in dem Ausgabesignal A das Ausgabesignal A entsprechend dem Sollwert S zu regeln, muss das Ausgabesignal A gemessen werden. Insbesondere muss das Ausgabesignal A mit einem Sollwert S verglichen werden, um daraufhin eine entsprechende Regelung vorzunehmen. Für eine digitale Regelstrecke muss daher die Größe des Ausgabesignals A in eine digitale Größe überführt werden. Dies kann mit einem Analog-Digital- Wandler erfolgen.

Der hier beschriebene Aufbau der Regelvorrichtung 1 ermöglicht dabei die Messung des Ausgabesignals A in digitaler Form mittels eines Analog-Digital- Wandlers mit einem relativ geringen Wandelbereich bzw. einer relativ geringen Auflösung des Wandelbereiches. Mit anderen Worten, der hier verwendete Analog-Digital-Wandler arbeitet in einem relativ geringen Wertebereich, das heißt es werden die digitalen Werte mit einer Auflösung von nur wenigen Bits, beispielsweise 8 Bit oder 6 Bit, ausgegeben. Aber auch Analog-Digital-Wandler mit einer davon abweichenden Auflösung, beispielsweise 16 Bit, 32 Bit, 64 Bit oder ähnlichem sind möglich.

Hierzu wird von einem Eingangssignal an einem Analog-Digital-Wandler ein (positives oder negatives) Offset subtrahiert. Auf diese Weise liegt an dem Analog-Digital-Wandler vorzugsweise stets nur ein analoges Signal in einem begrenzten Wertebereich an. Der Wert, der vor der Analog-Digital-Wandlung subtrahiert wird, kann dabei während des Betriebs dynamisch angepasst werden. Insbesondere kann dieser Wert in vorgegebenen Stufen kontinuierlich angepasst werden. Dieses Prinzip wird nachfolgend unter Bezug auf Figur 1 näher erläutert.

Am Eingang der Regelvorrichtung 1 wird ein Sollwert S bereitgestellt. Dieser Sollwert S definiert die Höhe des Ausgangssignals A der Regelvorrichtung 1. Der Sollwert S kann in digitaler Form bereitgestellt werden. Hierzu ist ein beliebiges digitales Signal möglich.

Der Sollwert S wird an einer ersten Verarbeitungseinrichtung 10 bereitgestellt. Ferner wird an dieser ersten Verarbeitungseinrichtung 10 ein Korrekturwert K bereitgestellt. Mittels einer ersten Subtrahiereinrichtung 11 wird in der ersten Verarbeitungseinrichtung 10 von dem Sollwert S der Korrekturwert K subtrahiert. Diese Differenz aus Sollwert S und Korrekturwert K wird einem Digital-Analog- Wandler 12 zugeführt. Der Digital-Analog-Wandler 12 generiert eine analoge Referenzspannung Ref, die zu der gebildeten Differenz korrespondiert. Diese Referenzspannung Ref wird daraufhin der zweiten Verarbeitungseinrichtung 20 bereitgestellt.

Die zweite Verarbeitungseinrichtung 20 umfasst eine zweite Subtraktionseinrichtung 21, welche eine Differenz zwischen der Referenzspannung von der ersten Verarbeitungseinrichtung 10 und dem Ausgabesignal A bildet. Da in der ersten Verarbeitungseinrichtung 10 von dem Sollwert S der Korrekturwert K subtrahiert wurde, entspricht die Differenz, welche von der zweiten Subtrahiereinheit 21 ausgegeben wird, nicht der vollständigen Abweichung zwischen Ausgabesignal A und Sollwert S, sondern einem um den Korrekturwert K verringerten Wert. Somit muss ein Analog-Digital-Wandler 22 in der zweiten Verarbeitungseinrichtung 20 nicht die vollständige Abweichung zwischen Ausgabesignal A und Sollwert S verarbeiten, sondern lediglich einen um den Korrekturwert K verringerten Wert. Daher kann der Analog-Digital- Wandler 22 der zweiten Verarbeitungseinrichtung 20 einen geringeren Wandelbereich aufweisen. Der Analog-Digital-Wandler 22 der zweiten Verarbeitungseinrichtung 20 gibt daraufhin ein erstes Regelsignal RI aus.

Da das erste Regelsignal RI eine um den Korrekturwert K verringerte Abweichung zwischen Sollwert S und Ausgangssignal A aufweist, wird das erste Regelsignal RI einer Summiereinrichtung 30 zugeführt, welche auf das erste Regelsignal RI den Korrekturwert K aufaddiert und diese Summe als zweites Regelsignal R2 ausgibt. Somit stellt das zweite Regelsignal R2 die vollständige Differenz zwischen Sollwert S und Ausgangssignal A dar. Dieses zweite Regelsignal R2 kann daraufhin einer Regeleinrichtung 50 mit einem Regler 51 zugeführt werde, um das Ausgangssignal A entsprechend zu regeln. Insbesondere kann das Ausgangssignal A entsprechend der Abweichung zwischen Sollwert S und tatsächlichem Ausgangssignal A gemäß dem zweiten Regelsignal R2 geregelt werden.

Um auch bei möglichen Schwankungen in dem Ausgangssignal A an dem Analog-Digital-Wandler 22 der zweiten Verarbeitungseinrichtung 20 stets nur einen geringen maximalen Wert bereitzustellen, kann der Korrekturwert K mittels der Kompensationseinrichtung 40 angepasst werden. Hierzu kann die Kompensationseinrichtung 40 die erste Regelgröße RI empfangen. Diese erste Regelgröße RI entspricht dem aktuellen digitalen Wert der an dem Analog- Digital-Wandler 22 anliegenden Spannung. Erkennt die

Kompensationseinrichtung 40 aus der ersten Regelgröße RI, dass der Wert der Spannung am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 22 sich in Richtung des Wandelbereiches des Analog-Digital-Wandlers 22 bewegt, so kann durch eine entsprechende Anpassung der Korrekturgröße K der Wert am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 22 entsprechend angepasst werden. Steigt beispielsweise die erste Regelgröße RI, so kann durch entsprechendes Anpassen der Korrekturgröße K das Referenzsignal von der ersten Verarbeitungseinrichtung 10 angepasst werden. Insbesondere kann die Anpassung des Korrekturwerts K in vorgegebenen Schritten erfolgen. Hierzu können beispielsweise vordefinierte Schwellwerte definiert werden.

Unterschreitet bzw. überschreitet die erste Regelgröße RI diese Schwellwerte, so erfolgt eine Anpassung des Korrekturwerts K durch die Kompensationseinrichtung 40.

Die Schwellwerte können insbesondere entsprechend dem Wandelbereich des Analog-Digital-Wandlers 22 eingestellt werden. Solange sich die erste Regelgröße RI innerhalb eines vordefinierten Fensters um die Mitte des Wandelbereichs des Analog-Digital-Wandlers 22 bewegt, so kann der aktuelle Korrekturwert K beibehalten werden. Liegt der Wert des ersten Regelsignals RI außerhalb des vordefinierten Fensters, so wird der Korrekturwert K entsprechend erhöht oder erniedrigt. Beispielsweise kann dieses Fenster 50 % des Wandelbereiches des Analog-Digital-Wandlers umfassen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Ausgabesignals gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

In Schritt S1 wird eine erste Differenz zwischen einem digitalen Sollwert S und einem digitalen Korrekturwert K gebildet und daraufhin ein analoger Referenzwert Ref ausgegeben, der zu der ersten Differenz korrespondiert.

In Schritt S2 wird eine zweite Differenz zwischen dem Referenzwert Ref und einem analogen Ausgabesignal A gebildet und daraufhin ein erstes digitales Regelsignal RI ausgegeben, das zu der zweiten Differenz korrespondiert.

In Schritt S3 wird ein zweites digitales Regelsignal R2 aus der Summe von dem ersten Regelsignal RI und dem Korrekturwert K gebildet. In Schritt S4 erfolgt das Einstellen des analogen Ausgabesignals A unter Verwendung des zweiten digitalen Regelsignals R2. Der Korrekturwert K kann bei Bedarf in Schritt S5 in Abhängigkeit von dem ersten Regelsignal RI angepasst werden.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine digitale Regelstrecke. Ein Ausgabesignal wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers erfasst. Hierbei wird vor der Analog-Digital-Wandlung ein Korrekturwert von dem Ausgabesignal subtrahiert und dieser Korrekturwert nach der Analog-Digital-Wandlung wieder aufaddiert. Der Korrekturwert kann dabei dynamisch angepasst werden. Auf diese Weise kann der Analog-Digital-Wandler in einem engen Wandelbereich betrieben werden. Dies ermöglicht den Einsatz kostengünstiger und dennoch hochpräziser Analog-Digital-Wandler.