Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines analog bestimmten

Messwertsignals, eine Resolveranordnung zur Durchführung des Verfahrens und Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangsstromes eines Umrichters.

Aus der DE 10 2005 005 024 B4 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die von einem als Winkelsensor eingesetzten Resolver erzeugten analogen Trägerspannungs-Signalwerte, deren Verlauf im Wesentlichen sinusförmig ist und deren Amplitude dem Sinuswert beziehungsweise dem Kosinuswert des zu erfassenden Winkelwertes entsprechen, in einen digitalen Datenstrom gewandelt werden. Zu dieser Analog-Digital-Wandlung wird ein Delta- Sigma-Modulator eingesetzt, dem ein Sinc ³ -Filter nachgeschaltet ist, das als Tiefpassfilter wirkt. Denn die drei integrierend wirkenden Akkumulatoren der dortigen Figur 5 werden mit einer schnelleren Taktfrequenz F _s als die drei mit der langsameren Taktfrequenz F ₀ betriebenen Differentiatoren betrieben. Am Filter tritt ausgangsseitig ein Mehrbit-Datenstrom aus, der gemäß dortiger Figur 2 einem Dezimierungsfilter OSR2 zugeführt wird, das im Wesentlichen einer Summation, also Mittelwertbildung entspricht. An dessen Ausgang steht somit der Messwert in digitaler Form bereit. Eine Synchronisierung des Mehrbit-Datenstroms auf sonstige Signalverläufe hin ist nur schwer oder gar nicht möglich. Die Messdauer bzw. Beginn und Ende des Messintervalls ist nur mit langen Zeitdauer T ₀ einstellbar, da das Signal am Ausgang des dritten Integrierers mit f _D unterabgetastet wird. Somit stehen ab dieser Stelle in der Signalkette sämtliche Signale nur mit der groben zeitlichen Quantisierung T ₀ zur Verfügung. Die Festlegung des Beginns bzw. Endes oder der Messdauer über die das Dezimierungsfilter OSR2 misst kann daher nur in ganzen Vielfachen von T ₀ erfolgen. In industriellen Anwendungen besteht jedoch häufig die Notwendigkeit, unterlagerte Regelkreise auf überlagerte Regelkreise zu synchronisieren. Diese unterschiedlichen Regelkreise können auch räumlich getrennt realisiert werden, wobei dann die zeitliche Referenzierung über ein Feldbus-System übertragen wird. Somit besteht die Aufgabe, den unterlagerten Regelkreis auf einen von außen vorgegebenen Takt zu synchronisieren. Hierzu wird üblicherweise die Periodendauer des Abtastintervalls der unterlagerten Regelkreise geringfügig verändert, um diese

Synchronisation zu erreichen. Um die Synchronisierung mit hoher Qualität durchführen zu können, ist es notwendig, die Periodendauer des unterlagerten Regelkreises in möglichst kleinen Schritten verändern zu können. Eine zeitlich grobe Quantisierung der kleinsten möglichen Periodendauer-Modifikation schränkt die erreichbare Qualität der

Synchronisierungsregelung somit ein. Da innerhalb einer Regelschleife auch die Messwert- Erfassung synchronisiert betrieben wird, führt eine grobe Quantisierung der Messzeitpunkte bzw. der Messdauer ebenfalls zu einer Einschränkung bei der Synchronisations-Regelung. Die zugrundeliegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, ein

Messverfahren anzugeben, bei dem die Festlegung des Beginns und Endes des

Messintervalls bzw. der Messdauer mit einer hohen zeitlichen Auflösung möglich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Erfahren beträgt diese zeitliche Quantisierung T _s , welche bei der DE 10 2005 005 024 B4 T _D beträgt. Um eine ausreichende Filterwirkung des Tiefpassfilters zu erzielen ist jedoch T _D wesentlich größer als T ₃ zu wählen, wodurch sich die genannten Einschränkungen im beschriebenen Stand der Technik ergeben.

Aus der EP 0 320 517 B1 ist ein digitales Dezimationsfilter bekannt, bei dem ein letzter Differenzierer k Verzögerungsglieder aufweist, welche um die Periodendauer des Ausgangsdatentaktes, also Dezimationstakt dt, verzögern. Somit sind also nur ganzzahlige Vielfache des Dezimationstakts dt als dortige Verzögerung realisierbar. Allerdings wird der letzte der Integrierer in der Figur 1 der EP 0 320 517 B1 gemäß dortigem Anspruch 1 mit Rücksetzeinrichtung ausgestattet, der somit wie ein

Differenzierer wirkt (EP 0 320 517 B1 , Anspruch 1 , Zeile 56).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Analog-Digital-Wandelung bei einer

Messwerterfassung weiterzubilden. Insbesondere soll ermöglicht werden, Beginn und Ende des Messintervalls mit hoher zeitlicher Auflösung festzulegen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 oder 2 und bei der Resolveranordnung nach Anspruch 9 und bei dem Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangsstromes eines Umrichters nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zur Verarbeitung eines analog bestimmten Messwertsignals vorgesehen ist, wobei das Messwertsignal einem Delta-Sigma-Modulator zugeführt wird, der ausgangsseitig einen Bitstrom, insbesondere einen Ein-Bit-Datenstrom, zur Verfügung stellt, wobei der Bitstrom einem ersten digitalen Filter zugeführt wird, das den Bitstrom in einen Strom von digitalen Zwischenwörtern, also einen Mehrbit-Datenstrom, verwandelt, wobei das erste digitale Filter eine Anzahl n seriell angeordneter Akkumulatoren,

insbesondere Integratoren, aufweist, wobei n ganzzahlig und gleich oder größer als 1 oder 2 ist, wobei der Bitstrom mit einer Taktfrequenz f _Sl also mit einer Taktperiode T _s = 1/ F ₃ , getaktet ist und somit der Strom von digitalen Zwischenwörtern mit einer Taktfrequenz f _s , also der Taktperiode T _s = 1/ fs, getaktet und somit aktualisiert wird, wobei das Ausgangssignal des ersten digitalen Filters einem zweiten digitalen Filter zugeführt wird, wobei das zweite digitale Filter als Ausgangs-Datenwortstrom die Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Ergebnis-Datenwortstrom aufweist, wobei der erste und zweite Ergebnis-Datenwortstrom über ein erstes und zweites Zeitintervall aus dem Zwischendatenwortstrom bestimmt werden, wobei das erste und zweite Zeitintervall in einem zeitlichen Abstand T1 angeordnet sind, wobei der erste Ergebnis-Datenwortstrom als zeitdiskretes Differential (n -1) -ter Ordnung mit Zeitskala T _D aus dem Zwischendatenwortstrom bestimmt wird und wobei der zweite Ergebnis-Datenwortstrom als zeitdiskretes Differential (n -1) -ter Ordnung mit Zeitskala T ₀ aus dem Zwischendatenwortstrom bestimmt wird, wobei der zeitliche Abstand T1 größer als die Zeitskala T _D ist, insbesondere wobei T1 ein ganzzahliges Vielfaches der Taktperiode T ₈ ist.

Der Signaltakt Tu am Ausgang des zweiten digitalen Filters ist je nach Anwendungs- und Ausführungsbeispiel des Verfahrens verschieden wählbar. Beispielsweise ist als Signaltakt Tu hierbei T1, T ₀ oder auch T _s oder jedes andere ganzzahlige Vielfache von T _s verwendbar. Vorteilhaft ist hierbei, dass T _u als Vielfaches von TS gewählt werden kann und daher mit hoher zeitlicher Auflösung einstellbar ist.

Beispielsweise ist die Erfindung bei einer Ausführungsform anwendbar, in der das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Ausgangsstroms„i" eines Umrichters , der pulsweitenmoduliert betrieben wird, verwendet wird. Die Messdauer T1 soll sich hierbei beispielsweise über eine halbe PWM-Periodendauer erstrecken. Damit kann T1 mit der hohen zeitlichen Auflösung von T ₈ entsprechend der gewünschten Messdauer sehr genau eingestellt werden. Des weiteren soll in jeder PWM-Periode eine Messung erfolgen, somit wird Tu unabhängig von T1 entsprechend der PWM-Periodendauer T pw _M festgelegt. Dies kann ebenfalls mit der hohen zeitlichen Auflösung von T _s geschehen. Auch wenn z.B. T _PWM kein ganzzahliges Vielfaches von T ₈ ist, bleibt die zeitliche Abweichung hiervon bei der Festlegung von Tu durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr gering.

Von Vorteil ist dabei, dass eine verbesserte Analog-Digital-Wandlung ausführbar ist, bei der nun ein digitales Filter einsetzbar ist, das einerseits eine Tiefpassfunktion aufweist und andererseits den Datenstrom derart zur Verfügung stellt, dass die digitale Information bezüglich des Signalspannungswertes am Eingang des Delta-Sigma-Modulators mit sehr hoher Genauigkeit zur Verfügung steht. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der

Serienanordnung von Akkumulatoren keine Differentiatoren mit nachfolgender

Mittelwertbildung folgen sondern nur einige wenige Zwischendatenwörter in jeweils geeignetem zeitlichen Abstand verknüpft werden mittels einfacher Operationen, wie

Subtraktion und Addition bzw. Multiplikation mit Faktor 2 oder dergleichen. Somit ist mit geringem Aufwand eine hochgenaue Analog-Digital-Wandlung ausführbar. Außerdem ist auch bei einer Realisierung in Hardware ohne besonderen Aufwand eine Veränderung der Zeitabstände T _D ausführbar. Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass keine Rücksetzeinrichtungen bei den

Akkumulatoren verwendet werden müssen und somit unverfälschte Ergebnisse erreichbar sind. Wichtige Merkmale bei dem Verfahren sind, dass es zur Verarbeitung eines analog bestimmten Messwertsignals vorgesehen ist, wobei das Messwertsignal einem Delta-Sigma-Modulator zugeführt wird, der ausgangsseitig einen Bitstrom, insbesondere einen Ein-Bit-Datenstrom, zur Verfügung stellt, insbesondere dessen Mittelwert oder ein gleitender Mittelwert dem Messwertsignal entspricht, wobei der Bitstrom einem ersten digitalen Filter zugeführt wird, das den Bitstrom in einen Strom von digitalen Zwischenwörtern, also einen Mehrbit-Datenstrom, verwandelt, wobei das erste digitale Filter eine Anzahl n seriell angeordneter Akkumulatoren,

insbesondere Integratoren, aufweist, wobei n ganzzahlig und gleich oder größer als 1 oder 2 ist, wobei der Bitstrom mit einer Taktfrequenz f _s , also mit einer Taktperiode T _s = 1/ fs, getaktet ist und somit der Strom von digitalen Zwischenwörtern Taktfrequenz f _s , also Taktperiode T _s = 1/ f _s , getaktet und somit aktualisiert wird, wobei das Ausgangssignal des ersten digitalen Filters einem zweiten digitalen Filter zugeführt wird, wobei das zweite digitale Filter als Ausgangs-Datenwortstrom die Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Ergebnis-Datenwortstrom aufweist, wobei der erste und zweite Ergebnis-Datenwortstrom über ein erstes und zweites Zeitintervall aus dem Zwischendatenwortstrom bestimmt werden, wobei das erste und das zweite

Zeitintervall in einem zeitlichen Abstand T1 angeordnet sind, wobei der erste Ergebnis-Datenwortstrom aus dem Zweifachen des zum ersten Zeitpunkt gehörigen Zwischendatenworts bestimmt wird, wobei das im zeitlichen Abstand T _D vor dem ersten Zeitpunkt und das im zeitlichen Abstand T ₀ nach dem ersten Zeitpunkt angeordnete Zwischendatenwort subtrahiert wird, wobei der zweite Ergebnis-Datenwortstrom aus dem Zweifachen des zum zweiten Zeitpunkt gehörigen Zwischendatenworts bestimmt wird, wobei das im zeitlichen Abstand T _D vor dem zweiten Zeitpunkt und das im zeitlichen Abstand T ₀ nach dem zweiten Zeitpunkt angeordnete Zwischendatenwort subtrahiert wird.

Von Vorteil ist dabei, dass zur Erreichung eines qualitativ hochwertigen digitalen Signals schon drei Akkumulatoren mit nachgeschaltetem zweiten Differenzial ausreicht.

Bei der Erfindung ist weiter von Vorteil, dass die Berechnungsschritte für die Bestimmung des Ausgangs-Datenwortstrom des zweiten digitalen Filters, also die Differenzbildung zwischen einem ersten und einem zweiten Ergebnis-Datenwortstrom, überlappend ausführbar sind. Somit ist also durch paralleles zeitlich überlappendes Berechnen, also Bilden von solchen Differenzbildungen, die ausgangsseitige Datenrate weiter erhöhbar. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist T1 größer als das oder gleich dem Zweifache(n) von T _D . Von Vorteil ist dabei, dass eine Tiefpassfilterung erreichbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Taktperiodendauer T _D ein ganzzahliges

Vielfaches von T ₅ . Von Vorteil ist dabei, dass eine Hardware-Realisierung einfach ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das erste digitale Filter aus drei direkt hintereinander angeordneten Integrierern oder Akkumulatoren. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache digitale Tiefpassfilterung herstellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht der gleitende Mittelwert des Bitstroms dem Messwertsignal. Somit ist der Messwert in hoher Genauigkeit darstellbar, wenn ein großes zeitliches Intervall für den gleitenden Mittelwert zugrunde gelegt wird. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das im Delta-Sigma-Modulator verwendete Taktsignal an den Takteingang des ersten digitalen Filters angelegt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Realisierung ausführbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt der Trägersignalgenerator ein

pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt, das der Rotorspule zugeführt wird und im

Wesentlichen ein Sinussignal darstellt. Von Vorteil ist dabei, dass die Winkellage der Rotorspule detektierbar ist. Wichtige Merkmale bei der Resolveranordnung sind, dass die Resolveranordnung zur Erkennung der Winkellage eines Rotors in Bezug auf einen Stator vorgesehen ist, wobei der Rotor eine Rotorspule trägt und der Stator zwei in Umfangsrichtung

gegeneinander um 90° verschobene Statorspulen aufweist, wobei die Rotorspule mit einem von einem Trägersignalgenerator erzeugten Trägersignal beaufschlagt wird, wobei jedes an der jeweiligen Statorspule auftretende Signal als jeweiliges Messwertsignal einem jeweiligen Verarbeitungskanal zugeführt wird, innerhalb dessen ein vorgenanntes Verfahren durchgeführt wird.

Von Vorteil ist dabei, dass die Winkellage des Rotors in Bezug auf den Stator in digitaler Form mit hoher Genauigkeit und schneller Taktrate bereit stellbar ist, insbesondere für eine Steuerelektronik oder als Sicherheitsbezogene Zustandsgröße.

Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zur Bestimmung eines Ausgangsstromes eines Umrichters sind, dass die dem Ausgangsstrom entsprechenden von einem Sensor erfassten Messsignale einem jeweiligen Verarbeitungskanal zugeführt werden, innerhalb dessen ein oben beschriebenes Verfahren durchgeführt wird. Somit ist vorteiligerweise auch bei Umrichtern eine verbesserte Stromerfassung ausführbar.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

Dabei wird die erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandlung für eine der

DE 10 2005 005 024 B4 entsprechende Resolverauswertung beschrieben. Sie ist aber auch bei anderen Messwerterfassungen analog anwendbar.

Wie auch bei der Figur 1 der DE 10 2005 005 024 B4 werden zur Erkennung der

Winkelposition der Rotorwelle in Bezug auf einen Stator in Umfangsrichtung um

gegeneinander um 90° verschoben Statorspulen angeordnet. Die Rotorspule wird mit einem Trägersignal beaufschlagt, das vorzugsweise sinusförmig verläuft und eine Periodendauer T _c aufweist.

An der ersten der Statorspulen wird somit ein Sinussignal und an der zweiten ein

Kosinussignal induziert, die einem jeweiligen Verarbeitungskanal zugeführt werden.

Jeder Verarbeitungskanal umfasst hierbei einen Delta-Sigma-Modulator mit einem Ausgang, der einen Bitstrom liefert, also einen Einbit-Datenstrom. Dieser Einbit-Datenstrom weist als zeitlichen Mittelwert die Information über den Messwert des zugeführten Signals auf.

In der Figur 1 ist für einen jeweiligen Verarbeitungskanal ein Teil eines erfindungsgemäßen, dem Delta-Sigma-Modulator nachgeschalteten Filters gezeigt.

Wie auch bei der DE 10 2005 005 024 B4 werden drei mit einer Taktfrequenz f _s , also

Taktperiode T _s = 1/ fs, betriebene, vom Filter auch umfasste Integratoren, die auch als Akkumulatoren oder Integrier-Glieder bezeichenbar sind und nicht in der Figur 1 gezeigt sind, seriell hintereinander angeordnet, so dass an dieser seriellen Anordnung ein

Zwischendatenwortstrom ausgegeben wird. Im Unterschied zur

DE 10 2005 005 024 B4, bei der der Zwischendatenwortstrom den drei nachfolgend wiederum seriell angeordneten Differentiatoren zugeführt wird, die allerdings mit der viel langsameren Taktfrequenz f _D , also Taktperiode T _D = 1/ f _D , betrieben werden, wird bei der Erfindung ein spezielles Datenverarbeitungsverfahren ausgeführt.

Diese spezielle erfindungsgemäße Datenverarbeitung ist in Figur 1 dargestellt.

Dabei ist wichtig, dass der Zwischendatenwortstrom im Takt der Taktperiode T _s , also im Sampling-Takt des Delta-Sigma-Modulators, aktualisiert wird.

Aus diesem Zwischendatenstrom wird ein 2-tes zeitdiskretes Differential, also zeitdiskretes Differential zweiter Ordnung, bestimmt, indem ein erstes Zwischendatenwort zu einem ersten Zeitpunkt zu einem im zeitlichen Abstand

2 x T _D entfernten Zwischendatenwort addiert und von der so gebildeten Summe der doppelte Wert des zeitlich zwischen diesen beiden Zwischendatenwörtern, mittig liegenden

Zwischendatenwortes subtrahiert. Somit ist ein erster Ergebniswert gebildet.

Um einen zweiten Ergebniswert zu bilden, wird zu einem vom genannten ersten

Zwischendatenwort im zeitlichen Abstand T ₁ liegenden Zeitintervall dieselbe Operation ausgeführt. Also wird wiederum zu einem dortigen Zwischendatenwort ein im zeitlichen Abstand 2 x T _D entfernten Zwischendatenwort addiert und von der so gebildeten Summe der doppelte Wert des zwischen diesen beiden Zwischendatenwörtern mittig liegenden

Zwischendatenwortes subtrahiert, wobei das mittig liegende Zwischendatenwort den zeitlichen Abstand T ₁ zu dem zur Berechnung des ersten Ergebniswertes herangezogenen, mittig liegenden Zwischendatenwortes aufweist. Somit ist ein zweiter Ergebniswert gebildet. Die Differenz D der beiden Ergebniswerte wird ausgangsseitig zur Verfügung gestellt und stellt den gefilterten Messwert in digitaler Form dar, wobei eine hohe Genauigkeit erreichbar ist.

Im Gegensatz zur DE 10 2005 005 024 B4 sind keine Differentiatoren und auch kein ausgangsseitiges Dezimierungsfilter OSR2 notwendig, da erfindungsgemäß das

ausgangsseitige Ergebnis direkt mittels der Differenz aus erstem und zweitem Ergebnis bestimmt wird. Besonderer Vorteil der Erfindung ist auch, dass T1 ein beliebiges ganzzahliges Vielfaches von T _s ist, wobei keine weitere Festlegung getroffen werden muss. Selbstverständlich ist dabei vorteiligerweise T1 größer als das Zweifache von T _D , also T1 > T _D . Da

1 / Ts beispielsweise mehrere MHz beträgt, also beispielsweise mehr als 10 MHz, beträgt, ist T1 in feinen Schritten veränderbar.

Somit ist - insbesondere während des Betriebs - T1 mit hoher zeitlicher Auflösung veränderbar und es sind somit Synchronisierungen auf andere getaktete Signalströme ohne besonderen Aufwand ausführbar. Wenn beispielsweise die erfindungsgemäße

Messwertverarbeitung der Signale eines Resolvers einer Steuerelektronik eines Umrichters zugeführt werden, ist es daher in einfacher Weise ermöglicht, eine Synchronisierung auf einen von einem mit dem Umrichter verbundenen Feldbus vorgegebenen Takt auszuführen. Hierzu muss also nur der Wert von T1 verändert werden, was mit der hohen zeitlichen Auflösung von T _s ausführbar ist.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt dem zweiten zeitdiskreten Differential ein erstes, drittes oder höheres Differential, also zeitdiskretes Differential erster, dritter oder höherer Ordnung eingesetzt, wenn die Anzahl der Integratoren, also

Akkumulatoren, entsprechend verändert ist. Wenn also n Integratoren vorgesehen sind, wird zur Bildung des ersten und zweiten Ergebniswertes jeweils ein n-Tupel von regelmäßig voneinander mit Zeitabstand T ₀ beabstandeten Zwischendatenwörtern f _k verwendet, wobei k von 0 bis n-1 läuft. Dabei wird das Differential gebildet, indem die Summe von

gebildet wird, wobei k von 0 bis n-1 läuft.

In Figur 2 ist beispielhaft eine Ausführungsform dargestellt, in der das

erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Ausgangsstroms„i" eines Umrichters , der pulsweitenmoduliert betrieben wird, verwendet wird. Die Messdauer T1 soll sich hierbei beispielsweise über eine halbe PWM-Periodendauer erstrecken. Damit kann T1 mit der hohen zeitlichen Auflösung von T ₈ entsprechend der gewünschten Messdauer sehr genau eingestellt werden.

In der Figur 2 sind die Zeitpunkte, welche zur Bestimmung der Differentiale zweiter Ordnung verwendet werden jeweils durch ein Dreierpaket von kleinen Strichen dargestellt. Jedes Dreierpaket hat eine zeitliche Länge von 2 x T _D . Da T _D aber sehr viel größer als T ₅ ist, ist eine Darstellung des zeitlichen Abstandes T ₅ in der Figur 2 nicht mehr möglich. Des weiteren soll in jeder PWM-Periode eine Messung erfolgen. Somit wird Tu unabhängig von T1 entsprechend der PWM-Periodendauer T _PWM festgelegt. Dies kann ebenfalls mit der hohen zeitlichen Auflösung von T ₈ geschehen. Auch wenn beispielsweise T _PWM kein ganzzahliges Vielfaches von T ₅ ist, bleibt die zeitliche Abweichung hiervon bei der Festlegung von Tu durch Verwendung des

erfindungsgemäßen Verfahrens sehr gering.

Bezugszeichenliste

Ts = 1/ fs Taktperiode

T ₀ = 1/ fD Taktperiode

T1 Zeitabstand