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VERFAHREN ZUR BESEITIGUNG
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VON PHASENVERSCHIEBUNGEN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Beseitigung von Phasenverschiebungen zwischen einem Wechselspannungssignal und einem
Referenzsignal gleicher Frequenz und eine Schaltung zum Ausüben des Verfahrens.
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Durch Eigenschaften eines Übertragungssystems treten Phasenverschiebungen
an übertragenen Wechselspannungssignalen auf. Wird die Information durch eine phasen-
oder frequenzmodulierte Wechselspannung übertragen, verfälscht die Phasenverschiebung
die Information so, daß eine Demodulation nicht die ursprüngliche Information zurückliefert.
Aber auch bei der Übertragung eines Wechselspannungssignals, dessen Amplitude die
Information enthält, können Phasenverschiebungen die Rückgewinnung der Information
beeinträchtigen. Insbesondere bei einer anschließenden Auswertung mit phasensynchronen
Gleichrichtern, bei der durch Integration über ein Integrationsintervall während
der positiven Halbwelle eines synchronen Trägersignals als Referenzsignal ein Mittelwert
gebildet wird, der ein Maß für die Amplitude ist, können schon geringe Phasenverschiebungen
zu erheblichen Fehlern führen.
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Wenn Referenzsignal und Wechselspannungssignal eine Phasenverschiebung
aufweisen, wird das Integrationsintervall
verschoben,und' das Ergebnis
der Integration liefert einen Wert, in den nicht nur die Amplitude, sondern auch
die Phasenverschiebung eingeht.
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Diese Phasenverschiebungen zwischen Wechselspannungssignal und Referenzsignal
wirken sich besonders nachteilig in Regelkreisen aus, bei denen die Amplitude eines
mit dem Referenzsignal syncoronen Wechselspannungssignals zum Abgleichen des Regelkreises
ausgewertet wird. Beispielsweise soll eine Winkelangabe in eine mechanische Drehung
um diesen Winkel umgesetzt werden. Zur Lösung dieses Problems verwendet man rechnende
Resolver.
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Ein Resolver besteht aus Stator und Rotor und wirkt im wesentlichen
wie ein Transformator. Der Stator wird mit einem sinusförmigen Referenzsignal und
einem Signal für die gewünschte Winkelstellung des Rotors gespeist, der Rotor liefert
eine sinusförmige Ausgangsspannung des Resolvers, deren Amplitude die momentane
Abweichung der Rotorstellung vom gewünschten Winkel kennzeichnet.
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Der Rotor wird so lange gedreht, bis die Ausgangsspannung des Resolvers
Null ist. Da der Resolver kein ideales Bauelement ist, führen mechanische Fertigungstoleranzen,
Wirbelstromverluste und Sättigungserscheinungen im Rotor- und Statorkern dazu, daß
die Ausgangsspannung des Resolvers gegenüber dem Referenzsignal eine Phasenverschiephasensynchronen
bung aufweist, die zu Fehlern bei der/Auswertung der Amplitude führt. Bei einer
Nachführung des Rotors auf die gewünschte Winkelstellung kann kein exakter Nullabgleich
erreicht werden. Da
diese Phasenverschiebungen auch von der momentanen
Stellung des Rotors abhängen, können sie nicht durch Kompensation mit fest vorgegebenen
kapazitiven oder induktiven Blindwiderständen'kompensiert werden. Eine Kompensation
mit fest vorgegebenen Widerständen ist auch dann wirkungslos, wenn die Phasenverschiebungen
zeitlich nicht konstant sind.
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Zur Beseitigung von Phasenverschiebungen eines Wechselspannungssignals
ist bereits in der deutschen Auslegeschrift 28 54 832 eine Schaltung angegeben,
deren Eingangssignal eine Einhüllende, die nach einer pseudozufälligen Phasensprungmodulation
kodiert ist, und einen phasenmodulierten Träger bekannter Frequenz enthält. Das
Ausgangssignal der Schaltung weist nur noch die Amplitudenmodulation, nämlich die
pseudozufällige Phasensprungmodulation, aber nicht mehr die Phasenmodulation auf.
Die Schaltung besteht aus einem Mischer, der mit einem Trägersignal gleicher Frequenz
gespeist wird, einem nachgeschalteten Bandpaß für die doppelte Frequenz und einem
zweiten Mischer mit Bandpaß für die Frequenz des Trägersignals. Im zweiten Mischer
wird das Empfangssignal mit dem Ausgangssignal des Bandpasses für die doppelte Frequenz
multipliziert. Der dem zweiten Mischer nachgeschaltete Bandpaß filtert ein Signal
aus, das nur noch den Träger mit seiner nach der Phasensprungmodulation kodierten
Einhüllenden enthält, die zeitabhängige Phasenverschiebung durch die Phasenmodulation
ist beseitigt worden.
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Der Nachteil dieser Schaltung liegt darin, daß der Bandpaß genau auf
die doppelte Frequenz des Trägersignals abgestimmt werden muß. Eine dafür erforderliche
Flankensteilheit bedingt einen aufwendigen Schaltungsaufbau des Bandpasses, bei
dem insbesondere die Bauelemente abgleichbar sein müssen, die die Parameter des
Bandpasses,nämlich z.B. seine Mittenfrequenz und Bandbreite, bestimmen. Außerdem
können während des Betriebes Umwelteinflüsse, z.B. Temperaturschwankungen, diese
Parameter verändern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem aus einem Wechselspannungssignal mit variabler
Phasenverschiebung ein Ausgangssignal gewonnen wird, das stets in Phase mit dem
Referenzsignal ist, und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das Wechselspannungssignal
in eine Inphasekomponente und in eine Quadraturkomponente zerlegt wird, daß die
Quadraturkomponente durch Demodulation mit dem um 90 phasenverschobenen Referenzsignal
und anschließende Multiplikation mit dem um 90 phasenverschobenen Referenzsignal
gewonnen wird und die Inphasekomponente durch Subtraktion der Quadraturkomponente
vom Wechselspannungssignal gebildet wird. Diese Inphasekomponente ist das gesuchte
Ausgangssignal.
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Durch diese Art der Signalverarbeitung wird in besonders einfacher
Weise die Inphasekomponente gewonnen, die mit dem Referenzsignal synchron ist, da
die Inphasekomponente im Zeigerbild praktisch die Projektion des Wechselspannungssignals
auf das Referenzsignal ist.
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Bei einer Anwendung dieses Verfahrens auf den vorher beschriebenen
Regelkreis mit Resolver wird aus der Ausgangsspannung des Resolvers die Inphasekomponente
ermittelt, die synchron mit dem Referenzsignal des Stators ist. Für eine weitere
Auswertung im Regelkreis ist eine anschließende Gleichrichtung notwendig, die hier
besonders einfach durch einen phasensynchronen Gleichrichter realisiert werden kann,
der vom Referenzsignal angesteuert wird. Fehler bei dieser Gleichrichtung können
nicht entstehen, da Phasenverschiebungen zwischen Referenzsignal und Inphasekomponente
der Ausgangsspannung des Resolvers durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgeschlossen
sind.
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Wenn im phasensynchronen Gleichrichter eine Kippstufe für das Referenzsignal
verwendet wird, um das Integrationsintervall zu bilden, und die Kippstufe nicht
im Nulldurchgang des Referenzsignals schaltet, tritt eine erneute Phasenverschiebung
auf. Diese zusätzliche Phasenverschiebung geht jedoch nur unwesentlich in das Ergebnis
der Gleichrichtung ein, da die Inphasekomponente nur um den Cosinus dieser Phasenverschiebung
verkleinert wird, der in erster Näherung ~1" zu setzen ist. Ohne Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfah-
rens würde der Cosinus der Summe der Phasenverschiebungen
die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Resolvers verfälschen, der nicht mehr
dem Wert "i" entspricht.
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Eine Schaltung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens weist
einen Mischer auf, dem ein Trägersignal gleicher Frequenz wie das Referenzsignal
zugeführt wird, das über eine Schaltung für eine Phasenverschiebung von 90 aus dem
Referenzsignal gewonnen wird. Dem Mischer ist über einen Tiefpaß eine Multiplizierschaltung
nachgeschaltet, die mit dem Trägersignal gespeist ist. Am Ausgang der Multiplizierschaltung
steht die Quadraturkomponente an. Zwischen Ausgang der Multiplizierschaltung und
zweitem Eingang des Mischers ist eine Differenzstufe vorgesehen, deren zweiter Eingang
mit dem Wechselspannungssignal beaufschlagt ist und deren Ausgang die Inphasekomponente
liefert.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin,
daß sie mit einfachen robusten Baugruppen realisiert werden kann, die ohne Abgleichen
ihrer Bauelemente herstellbar sind, wobei Umweltveränderungen die Funktionsweise
nicht beeinträchtigen.
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Wenn Referenzsignal und Wechselspannungssignal sinusförmig sind, steht
am Ausgang des Tiefpasses ein Gleichspannungssignal an, das gleich dem Sinus der
Phasenverschiebung ist. Dieses Gleichspannungssignal wird in der Multiplizierschaltung
mit dem cosinusförmigen Trägersignal multipliziert und er-
gibt
die Quadraturkomponente, die in der Differenzstufe vom phasenverschobenen Wechselspannungssignal
abgezogen wird. Am Ausgang der Differenzstufe steht die Inphasekomponente des Wechselspannungssignals
an.
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Wenn Referenzsignal und Wechselspannungssignal cosinusförmig sind,
ist das Gleichspannungssignal gleich dem Cosinus der Phasenverschiebung, das multipliziert
mit dem sinusförmigen Trägersignal vom phasenverzerrten Wechselspannungssignal abgezogen
wird und ein von der Phasenverschiebung befreites cosinusförmiges Wechselspannungssignal
liefert.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch
3. Der Mischer wird durch einen steuerbaren Schalter, beispielsweise einen Feldeffekttransistor
mit nachgeschaltetem Operationsverstärker, realisiert. Der Schalter wird von einer
Rechteckfolge angesteuert, die über eine Kippstufe aus dem Trägersignal gewonnen
wird.
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In dem nachgeschalteten Tiefpaß wird das phasenverschobene Wechselspannungssignal
jeweils über eine Halbperiode des Trägersignals integriert und ergibt das Gleichspannungssignal.
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Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung liegen darin,
daß mit einfachen temperaturunabhängigen, robusten Bauelementen eine Phasenkompensation
des Wechselspannungssignals erreicht wird, die besonders bei nur geringen Phasenverschiebungen
um den Nulldurchgang des Wechselspannungssignals eine exakte Phasenent-
zerrung
gewährleistet, nämlich dort, wo das sinusförmige Wechselspannungssignal die größten
zeitlichen Änderungen aufweist, Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es ist in Fig.
1 ein Zeigerbild zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Beseitigung von Phasenverschiebungen
und in Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt.
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Ein gegenüber einem Referenzsignal r(t)=sinwt phasenverschobenes Wechselspannungssignal
u(t)= p(t).sin[#t+#(t)] weist eine Amplitude p(t), eine KreisfrequenzCOund eine
Phasenverschiebung #(t) auf. Die Amplitude p(t) und die Phasenverschiebung S(t)
sind Funktionen der Zeit t. Das Referenzsignal r(t)=sinWt liegt auf der r-Achse
des Zeigerbildes in Fig.1, gegen die der Zeiger das Wechselspannungssignal u(t)
mit der Länge der Amplitude p unter einem Winkel gemäß seiner Phasenverschiebung
# voreilend dargestellt ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Zeiger
u(t) mit der Länge p in eine Inphasekomponente und in eine Quadraturkomponente zerlegt,
die um 90° phasenverschoben sind und als Zeiger der Länge#.cos'f und p.sin'Prechtwinklig
zueinander dargestellt sind. Der Zeiger der Inphasekomponente liegt auf der r-Achse
und weist keine Phasenverschiebung gegenüber dem Referenzsignal r(t) auf. Mit einem
Trägersignal, dessen Zeiger s auf der j-Achse liegt, und das aus dem Referenzsignal
r(t) durch eine
90 Phasenverschiebung gewonnen wird, wird das Wechselspannungssignal
u(t) demoduliert und anschließend mit dem Trägersignal multipliziert.
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Dadurch wird die Quadraturkomponente ermittelt.
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Die Inphasekomponente wird durch Subtraktion der Quadraturkomponente
vom Wechselspannungssignal u(t) gewonnen.
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In einem Mischer 1, gemäß Fig. 2, wird das phasenverschobene Wechselspannungssignal
u(t) mit dem Trägersignal cos Xt gleicher Kreisfrequenz X demoduliert, das aus dem
Referenzsignal r(t)=sinWt über eine Schaltung 2 für eine Phasenverschiebung von
900 gewonnen wird. Im nachgeschalteten Tiefpaß 3 wird das Mischprodukt mit der doppelten
Kreisfrequenz unterdrückt und ein Gleichspannungssignal p(t).sinç durchgeschaltet.
Das Gleichspannungssignal p(t).sinf wird in einer nachgeschalteten Multiplizierschaltung
4 mit dem Trägersignal co s L3 t multipliziert und ergibt die Quadraturkomponente
des Wechselspannungssignals u(t). Der Multiplizierschaltung 4 ist eine Differenzstufe
5 nachgeschaltet, deren zweites Eingangssignal das phasenverschobene Wechselspannungssignal
u(t) ist. Am Ausgang 6 der Differenzstufe 5, die mit dem Eingang des Mischers 1
verbunden ist, steht die Inphasekomponente des Wechselspannungssignals u(t) an.
Der Mischer 1 ist vorteilhaft als steuerbarer Schalter 11 ausgebildet, der besonders
zweckmäßig über eine Kippstufe 12 vom Trägersignal cos X t angesteuert wird.
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L e e r s e i t e