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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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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Migration von Hall-Sensoren zu Shunt-Widerständen

Shunt-Widerstände liefern in Verbindung mit isolierten Σ/Δ-Modulatoren die Stromrückkopplung mit der höchsten Qualität (in Anwendungen, in denen der Strompegel niedrig genug für Shunts ist). Systementwickler verfolgen einen wesentlichen Trend hin zum Übergang von Hall-Sensoren auf Shunt-Widerstände. Ein anderer Trend ist der Übergang von einem isolierten Verstärkerkonzept auf ein Konzept mit isoliertem Modulator. Shunt-Widerstände sind unempfindlich gegenüber Magnetfeldern oder mechanischen Vibrationen. Recht häufig entscheiden sich Systementwickler, die Hall-Sensoren durch Shunt-Widerstände ersetzen, für einen isolierten Verstärker und nutzen weiterhin den bisher in der Hall-Sensorentwicklung verwendeten A/D-Umsetzer, um die Höhe der Änderung in der Signalkette zu begrenzen. Wie bereits erwähnt, wird die Gesamtleistung unabhängig von der Leistungsfähigkeit des A/D-Umsetzers durch den isolierten Verstärker begrenzt.

Ein Austausch des isolierten Verstärkers und A/D-Umsetzers durch einen isolierten Σ/Δ-Modulator eliminiert den Leistungsengpass und verbessert die Entwicklung wesentlich. Typischerweise erhöht sich so die Signalqualität der Rückkopplung von 9 bis 10 bit auf 12 bit. Analoge Überstromschutzschaltkreise (OCP) können auch potenziell eliminiert werden, da der zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Σ/Δ-Modulators erforderliche Digitalfilter auch so konfiguriert werden kann, dass eine schnelle OCP-Schleife entsteht.

Der isolierte Σ/Δ-Modulator AD7401A mit iCoupler-Technologie von Analog Devices folgt diesem Trend. Mit seinem differenziellen Eingangsbereich von ±250 mV (normalerweise ±320 mV Full Scale für OCP) eignet sich der Baustein für resistive Shunt-Messungen. Der Analogeingang wird kontinuierlich durch den Analogmodulator abgetastet. Die Information am Eingang ist als eine Serie von Einsen mit einer Datenrate bis 20 MHz im digitalen Ausgangsstrom enthalten. Die Original-Information lässt sich mit einem geeigneten Digitalfilter rekonstruieren. Normalerweise wird hier ein Sinc³-Filter für genaue Strommessungen verwendet. Da die Leistungsfähigkeit der Wandlung zugunsten der Bandbreite oder der Filtergruppenverzögerung eingetauscht werden kann, lässt sich mit einem schnelleren Filter eine schnellere Reaktion der OCP-Schaltung (ca. ±2 µs) erreichen. Dies eignet sich z.B. zum Schutz von IGBTs.

Die Werte von Shunt-Widerständen verringern

Im Hinblick auf die Signalmessung muss bei der Auswahl von Shunt-Widerständen ein Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Leistungsaufnahme gefunden werden muss. Mit einem hohen Widerstandswert lässt sich der komplette Bereich – oder so viel wie möglich – des analogen Eingangsbereichs des verwendeten Σ/Δ-Modulators abdecken. Dies maximiert den Dynamikbereich. Allerdings erzeugt ein hoher Widerstandswert auf Grund der Verluste (I² × R) auch einen Spannungsabfall und reduziert den Wirkungsgrad. Nichtlinearitäten in Folge einer Selbsterwärmung können bei höheren Widerstandswerten ebenfalls eine Herausforderung darstellen. Deshalb müssen Systementwickler geeignete Kompromisse eingehen. Verschärft wird die Situation dadurch, dass ein Shunt-Wert gewählt werden muss, der sich für viele Motoren und unterschiedliche Ströme eignet. Auch die Beibehaltung des Dynamikbereichs ist im Hinblick auf die Spitzenströme, die ein Mehrfaches der Motornennströme betragen können und genau wie diese erfasst werden müssen, eine Herausforderung. Die Fähigkeit, Spitzenströme beim Systemstart zu steuern, hängt wesentlich von der Entwicklung ab und variiert von einer engen Steuerung von etwa 30 % über dem Nennstrom bis zum Faktor zehn des Nennstromes. Spitzenströme entstehen auch bei Beschleunigungs-, Last- oder Drehmomentwechseln. Im Allgemeinen liegt der Spitzenstrom in einem Antriebssystem im Bereich des vierfachen Nennstromes.

Angesichts dieser Herausforderungen suchen Systementwickler Σ/Δ-Modulatoren mit großem Dynamikbereich oder verbessertem SINAD (Signal/Rausch- und Verzerrungsverhältnis). Heutige Σ/Δ-Modulatoren bieten 16 bit Auflösung mit einer garantierten Genauigkeit von bis zu 12 bit ENOB (Effective Number of Bits).

SINAD = (6,02 N + 1,76) dB; mit N = ENOB.

Dem Übergang zu Shunt-Widerständen bei Antrieben mit niedriger Leistungsaufnahme folgend, nutzen Antriebshersteller diese Technologie sowohl aus Gründen der Leistungsfähigkeit als auch aus Kostengründen. Dies ist nur mit kleineren Shunt-Widerstandswerten möglich, was wegen der dadurch reduzierten Signalamplitude einen wesentlich leistungsfähigeren Modulator voraussetzt.

Systementwickler, speziell Entwickler von Servoantrieben, suchen zudem stets Möglichkeiten zur Systemverbesserung. Erreichen lässt sich diese, indem man die A/D-Umsetzungszeit oder die Gruppenlaufzeit durch den Digitalfilter verkürzt, die aus der Topologie mit isoliertem Σ/Δ-Modulator und Shunt-Widerstand resultieren. Wie bereits erwähnt, lässt sich ein Kompromiss aus Leistungsfähigkeit der Wandlung und Bandbreite oder Gruppenlaufzeit durch den Digitalfilter erreichen. Ein gröberer, schnellerer Filter kann ein schnelleres Verhalten bewirken, allerdings zu Lasten der Leistungsfähigkeit. Ein Erhöhen der Taktfrequenz des Modulators hilft hier. Doch viele Entwickler arbeiten bereits mit der maximalen Taktfrequenz von 20 MHz. Einer der Nachteile, die sich durch eine erhöhte Taktfrequenz ergeben, sind mögliche elektromagnetische Interferenzen (EMI). Ein leistungsfähigerer Modulator würde bei gleicher Taktfrequenz den Kompromiss aus Gruppenverzögerung und Leistungsfähigkeit verbessern und bei geringeren Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit eine kürzere Reaktionszeit erzielen.

Es ist offensichtlich, dass ein isolierter Σ/Δ-Modulator mit höherer Leistungsfähigkeit mehrere Anforderungen und Trends bei der Entwicklung von Motorsteuerungen erfüllt und die Antriebsleistung durch Reduzieren der Shunt-Widerstandswerte und verbesserte sensorlose Steuerkonzepte steigert. Dies ermöglicht die Steuerung hocheffizienter IPM-Motoren (Interior Permanent Magnet). Der AD7403 ist die Folgegeneration des AD7401A. Er bietet einen wesentlich größeren Dynamikbereich bei der gleichen externen Taktfrequenz von 20 MHz. Dies gestattet eine flexiblere Auswahl des Shunt-Widerstandswertes, die Optimierung der Anpassung zwischen Antrieb und Motor sowie Verbesserungen von Nennstrom- und Spitzenstrom-Messungen. Außerdem lässt sich der Einfluss eines einzigen Shunt-Wertes für eine Serie von Motormodellen reduzieren und Shunt-Widerstände statt Hall-Sensoren bei höheren Strömen einsetzen. Auch das Dynamikverhalten lässt sich durch reduzierte Messlatenz verbessern. Der AD7403 beinhaltet auch ein Isolationskonzept mit einer höheren Dauerbetriebsspannung UIORM als die bisherige Generation AD7400/01A. Dies kann bei höheren DC-Bus-Spannungen und somit niedrigeren Motorströmen auch die Systemeffizienz steigern.

Literatur

[1] www.analog.com/icoupler

Die Autorin

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Nicola O‘Byrne
ist Senior System Application Engineer im MPC-Team (Motor and Power Control) des Geschäftsbereichs Industrial and Instrumentation bei Analog Devices. O‘Byrne ist seit 17 Jahren im Unternehmen und schloss ihr Studium an der Universität in Cork mit dem Bachelor of Engineering ab.

Nicola.OByrne@analog.com