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Delta-Sigma Signalverarbeitung in der Regelungstechnik

Klein, Axel

In modernen Anwendungen werden überabtastende Analog-zu-Digital Umsetzer eingesetzt. Eine besondere Klasse sind die Delta-Sigma-Analog-zu-Digital Umsetzer (ADU). Sie werden bei sehr hohen Abtastfrequenzen betrieben, in der Regel bei dem 64- bis 1024-fachen der Signalfrequenz, dafür besitzen sie eine sehr geringe Quantisierung, bis zu einem Bit. Mit entsprechenden digitalen Filtern lassen sich mit dem Verfahren Wortbreiten von 12 bis 16 Bit erreichen. Allerdings begrenzt dabei das Filter die erzielbare Kleinsignalbandbreite. Mit der weiterentwickelten und vorgestellten ΔΣ Signalverarbeitung (ΔΣSV) kann auf die Filterung verzichtet werden. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Verfahren zur ΔΣSV evaluiert. Das Ergebnis stellen sowohl Klassen für lineare, als auch eine Klasse für nichtlineare Operationen dar, die eine gute Abbildungsqualität besitzen und alle Funktionen aus der jeweiligen Klasse abbilden können. Basierend auf diesen Operationen wird die Strom- und Spannungsregelung einer dreiphasigen Last vorgestellt. Zur Umsetzung der hochfrequenten Bitströme in leistungshalbleitertaugliche Schaltfrequenzen wird ein hysteresebasierter Modulator, der echte Raumzeigermodulation mit beiden Nullvektoren beherrscht, eingesetzt. Für diesen wird ein Schaltfrequenzregler vorgestellt und unterschiedliche Stromregler erprobt. Abschließend wird eine drehgeberlose Geschwindigkeitsregelung in ΔΣSV vorgestellt.

In modern applications oversampling analog-to-digital converters (ADC) are used. A special class are the Delta-Sigma-ADCs. They operate at very high sampling frequencies, usually at 64 up to 1024 times the signal frequency, but have a very low quantization, down to one bit. With corresponding digital filters, word sizes from 12 to 16 Bit can be achieved. However, the filters limit the achievable small signal bandwidth. In order to ommit these, the ΔΣ signal processing (ΔΣSP) has been developed. In this thesis different methods for ΔΣSP are evaluated. As a result, a class for linear as well as a class for nonlinear operations is presented, which have a good projection quality and can map all functions of the respective class. Based on these operations, the current and voltage regulation of a threephase load is presented. To convert the high-frequency bitstreams into switching frequencies suitable for power semiconductors, a hysteresis-based modulator is presented which outputs true space vector modulation with both zero vectors. For this modulator a switching frequency controller is presented and diferent current controllers are evaluated. Concluding, an encoderless speed control is presented in ΔΣSP.

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