Delta-Sigma signal processing in control engineering

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

High Bandwidth Phase Voltage and Current Control Loop of a Permanent Magnet Synchronous Motor based on Delta Sigma Bitstreams

Delta-Sigma-Umsetzer sind aus der Audio-Technik für ihren hohen Signal-zu-Rausch Abstand bei Abtastraten im 10 bis 100 kHz Bereich bekannt und werden zunehmend auch in der Stromregelung von elektrischen Antrieben als Analog-Digital-Umsetzer eingesetzt. Delta-Sigma-Umsetzer bestehen aus einem Modulator und einem digitalen Tiefpassfilter. Die Auswirkungen des digitalen Filters auf die Stromregelung eines elektrischen Antriebs werden hinsichtlich der erreichbaren Bandbreite des Stromregelkreises und der Unterdrückung von Störungen in der Strommessung untersucht. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Steigerung der Bandbreite des Stromregelkreises verfolgt. Der Stromregler wird direkt in dem hochfrequenten Zeitraster (10 MHz) der Delta-Sigma-Modulatoren gerechnet, so dass auf einen digitalen Tiefpassfilter verzichtet werden kann. Dieses Vorgehen erfordert eine neuartige Signalverarbeitung, da der Ausgang des Delta-Sigma-Modulators aus einem gering quantisierten Delta-Sigma-Bitstrom mit einer Auflösung von einem Bit besteht. Die vorhandenen Ansätze zur direkten Signalverarbeitung des Delta-Sigma-Bitstroms werden verglichen und erweitert. Der zweite Ansatz zur Steigerung der Bandbreite besteht darin, die hochfrequenten Delta-Sigma-Bitströme breitbandig in PWM Signale für eine Leistungselektronik im 4 - 40 kHz Bereich umzusetzen. Das grundsätzliche Prinzip wird an einer einphasigen Last untersucht. Die im Stand der Forschung bekannte Lösung für eine dreiphasige Last weist erhebliche Nachteile auf. In dieser Arbeit wird ein Verfahren für einen hochdynamischen dreiphasigen Leistungselektronik-Modulator zur direkten Verarbeitung von Delta-Sigma-Bitströmen vorgestellt, welcher die Nachteile der bekannten Lösung aufhebt. Zusätzlich wird eine direkte Rückführung der Strom- und Spannungsmesswerte über Delta-Sigma-Bitströme realisiert. Dies ermöglicht eine hochdynamische Strom- und Spannungsregelung einer permanenterregten Synchronmaschine.Delta sigma converters are established in communication and audio high fidelity applications due to their high signal to noise ratio and sampling frequency range of 10 to 100 kHz. In the phase current control of electrical drives, delta sigma converters are more commonly used. They comprise a modulator and a digital low pass filter. The effects of the digital low pass filter on the achievable bandwidth and the suppression of disturbances of the electrical drive are analyzed in this thesis. Two measures are proposed to increase the bandwidth of the phase current control loop. The phase current controller is executed at the high frequent (10 MHz) sampling rate of the delta sigma modulator so that the digital filter can be omitted. This method requires a new signal processing, since the output of the delta sigma modulator, a delta sigma bitstream, features only a one bit resolution. Existing solutions for this direct processing of delta sigma bitstreams are compared and extended. A highly dynamic conversion of the high frequent delta sigma bitstream into pulse width modulated signals for power electronics is the second method to increase the bandwidth. The high frequent sampling rate of the delta sigma modulator is reduced to an average switching frequency range of 4 to 40 kHz. A single-phase load is used for a first analysis. The solution for a three-phase load in literature reveals some disadvantages. A power electronics modulator with high bandwidth, which directly processes the delta sigma bitstreams without these disadvantages, is presented. In addition, a direct feedback of phase currents and voltages is achieved by delta sigma bitstreams. This enables a highly dynamic phase current- and voltage control of a permanent magnet synchronous machine