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Mixed-Signal-IC für Motorsteuerung

Strom- und Spannungsmessung in der Signalkette

8. Mai 2014, 15:02 Uhr | Von Nicola O‘Byrne

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Messtechniken und Topologien

Implementierungen von Signalketten zur Messung von Strom und Spannung unterscheiden sich je nach Sensor sowie den Anforderungen an die galvanische Isolation. Auch die Wahl des A/D-Umsetzers und die Systemintegration sind neben Systemleistung- und Masse-Partitionierung entscheidend. Eine Signalaufbereitung für hochgenaue Messungen ist nicht trivial. Zum Beispiel ist die Rückgewinnung kleiner Signale oder die Übertragung digitaler Signale in einer Umgebung mit elektrischem Rauschen sehr anspruchsvoll. Eine noch größere Herausforderung stellt die Isolation eines Analogsignals dar. In vielen Fällen bewirken Schaltungen zur Isolation von Signalen Phasenverzögerungen, welche die Dynamik eines Systems begrenzen. Die Messung des Phasenstromes ist besonders anspruchsvoll, denn dieser Knoten ist mit dem gleichen Schaltungsknoten verbunden wie der Ausgang des Gate-Treibers im Kern der Leistungsstufe. Daher treffen die gleichen Anforderungen hinsichtlich der Isolation von Spannungen und Schalttransienten zu. Die Entwicklung der in einem Motorsteuerungssystem zu implementierenden Messsignalkette (Technik, Signalaufbereitung und A/D-Umsetzer) hängt von drei Schlüsselfaktoren ab:

Dem Punkt oder Knoten im System, da dieser die Messmethode festlegt.
Dem Leistungspegel des Motors und der resultierenden Sensorwahl – ein Modell mit oder ohne interne Isolation. Die Sensorwahl hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wahl des A/D-Umsetzers – sowohl hinsichtlich Wandlerarchitektur wie auch Funktionsumfang und Analogeingangsbereich.
Der Endanwendung. Diese kann die Notwendigkeit für hohe Auflösung, Genauigkeit oder Geschwindigkeit in der Messsignalkette erforderlich machen treiben. Bei einer sensorlosen Steuerung, die über einen großen Geschwindigkeitsbereich arbeitet, sind zum Beispiel mehr Messungen erforderlich, die häufiger und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden müssen. Die Endanwendung hat auch einen Einfluss auf die Funktion des A/D-Umsetzers. So kann zum Beispiel ein A/D-Umsetzer mit höherer Kanalzahl für mehrachsige Steuerungen erforderlich sein.

Die am häufigsten verwendeten Stromsensoren in Motorsteuerungen sind Shunt-Widerstände, Hall-Sensoren (HE – Hall-Effekt) und Stromtransformatoren. Obwohl Shunt-Widerstände keine Isolation bieten und bei höheren Strömen Verluste verursachen, zeigen sie von allen Sensoren die größte Linearität. Außerdem kosten sie am wenigsten und eignen sich für AC- und DC-Messungen. Die zur Begrenzung von Shunt-Leistungsverlusten erforderlichen Absenkungen des Signalpegels begrenzen Shunt-Anwendungen typischerweise auf 50 A oder weniger. Stromtransformatoren und Hall-Sensoren bieten von Grund auf eine Isolation. Allerdings sind Stromtransformatoren und Hall-Sensoren teurer und liefern ungenauere Lösungen als Shunt-Widerstände. Dies wird entweder durch den Sensor selbst verursacht, der eine geringere Anfangsgenauigkeit aufweist, oder durch eine Verschlechterung der Genauigkeit über die Temperatur.

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Abgesehen vom Sensortyp stehen mehrere Punkte für Strommessungen zur Verfügung. Der durchschnittliche DC-Verbindungsstrom kann für Steuerungszwecke verwendet werden. Der Strom durch die Motorwicklungen hingegen dient in fortschrittlicheren Antrieben als primäre Rückkopplungsvariable. Die direkte In-Phasen-Messung des Stromes durch die Motorwicklungen ist das Ideal und wird in Hochleistungssystemen verwendet. Der Wicklungsstrom kann indirekt mit Hilfe eines Shunt-Widerstands in jedem der Wechselrichteranschlüsse oder mit einem einzigen Shunt im DC-Link gemessen werden. Der Vorteil dieser Konzepte ist, dass die Shunt-Signale alle auf die gemeinsame Versorgung referenziert sind. Die Gewinnung des Wicklungsstromes aus dem DC-Link macht erforderlich, dass die Abtastung auf das PWM-Schalten synchronisiert wird. Direkte In-Phasen-Wicklungsstrommessungen können mit jeder der oben erwähnten Strommesstechnik erfolgen.

Doch die Signale durch den Shunt-Widerstand müssen isoliert sein. Ein Gleichtaktverstärker kann die funktionale Isolation übernehmen. Für den Schutz des Menschen muss jedoch ein isolierter Verstärker oder ein isolierter Modulator herangezogen werden. Bild 4 illustriert die verschiedenen, oben erläuterten Stromrückkopplungsoptionen. Während nur eine dieser Optionen für die Steuerungsrückkopplung benötigt wird, kann das DC-Link-Stromsignal als Backup-Signal zum Schutz verwendet werden.

Wie bereits beschrieben, bestimmen die Systemleistung- und Masse-Partitionierung, welche Isolation erforderlich ist, und somit, welche Rückkopplungsoptionen sich eignen. Die System-Zielleistungsfähigkeit beeinflusst auch die Sensorwahl oder die Messtechnik. Lower-Performance-Beispiel: Leistungs- und Steuerungsstufe auf gleichem Potenzial – Messoption A oder B. Shunt-Widerstände sind eine der wirtschaftlichsten Techniken zur Messung von Motorströmen. In diesem Beispiel, bei dem sich die Leistungsstufe auf dem gleichen Potenzial befindet wie die Steuerungsstufe, gibt es keine Gleichtaktspannung, um die man sich kümmern muss. Die Ausgänge von Option A oder B können direkt an die Signalaufbereitungsschaltung und an den A/D-Umsetzer angeschlossen werden. Diese Art von Topologie findet man normalerweise in einem System mit niedrigem Energieverbrauch und geringer Leistungsfähigkeit, bei dem sich der A/D-Umsetzer im Mikroprozessor befindet.

Higher-Performance-Beispiel: Steuerungsstufe auf Masse – Messoption C oder D oder E. In diesem Beispiel wird Sicherheit für den Menschen verlangt. Die Messoptionen C, D und E sind alle möglich. Option E bietet die hochwertigste Stromrückkopplung aller drei Optionen. Da es sich um ein System mit höherer Leistungsfähigkeit handelt, enthält das System wahrscheinlich ein FPGA oder eine andere Form der Verarbeitung, welche den digitalen Filter für das isolierte Modulatorsignal zur Verfügung stellen kann. Die Wahl des A/D-Umsetzers für Option C, der isolierte Sensor (wahrscheinlich Closed-Loop-HE), würde normalerweise auf ein diskretes Bauteil fallen, um eine höhere Leistungsfähigkeit, als mit Embedded-A/D-Umsetzer-Angeboten heute möglich ist, zu erzielen. Option D ist ein isolierter Verstärker in dieser Konfiguration statt eines Gleichtaktverstärkers, da Sicherheitsisolation benötigt wird. Ein isolierter Verstärker begrenzt die Leistungsfähigkeit. Daher ist eine Lösung mit eingebettetem A/D-Umsetzer eventuell ausreichend. Dies liefert die schwächste Stromrückkopplung gegenüber den Optionen C oder E. Während ein Embedded-A/D-Umsetzer als „kostenlos“ und der isolierte Verstärker als potenziell „billig“ wahrgenommen wird, verlangt die Implementierung normalerweise zusätzliche Komponenten zur Offset-Kompensation und Pegelanpassung für den Eingangsbereich des A/D-Umsetzers. Damit steigen die Kosten für die Signalkette.

Es gibt viele Topologien, die man in Motorsteuerungen zur Messung von Motorströmen nutzen kann. Bei jeder Topologie sind viele Faktoren zu berücksichtigen: Kosten, Motorleistung und gesamte Leistungsfähigkeit. Eine wesentliche Zielsetzung für die meisten Systementwickler ist die Optimierung der Strommessrückkopplung zur Verbesserung der Effizienz innerhalb des Kostenrahmens. Für die Stromrückkopplung in leistungsfähigeren Anwendungen sind außer der Effizient auch Messungen wie dynamische Reaktion, akustische Geräusche oder Drehmomentwelligkeit entscheidend. Es ist offensichtlich, dass es bei allen verfügbaren Topologien, angefangen bei niedrig bis hin zu hoch, eine kontinuierlich ansteigende Leistungsfähigkeit gibt (Bild 5).