Beobachtergestützte Strommessung mit Sigma-Delta-Modulatoren

Eine parallele Algorithmenverarbeitung innerhalb von FPGAs ermöglicht die Berechnung der Regelalgorithmen in deutlich weniger als 1 µs. Durch das Nutzen moderner Regelstrategien in Verbindung mit einem neuartigen Strombeobachter wird die Regelbandbreite in schnellschaltenden MOSFET- oder IGBT-Endstufen nicht länger durch die Verzögerungszeit der Strommessung limitiert. Eine hohe Regelbandbreite in Verbindung mit einer hochpräzisen Strommessung ist dadurch ohne Einschränkungen möglich.

Synchronmotoren mit Permanentmagneten und niedrigem Trägheitsmoment sind die bevorzugten Aktoren in hochdynamischen Positioniersystemen. Aufgrund der niedrigen Wicklungsinduktivität ermöglichen eisenlose Linearmotoren besonders kurze Stromanstiegszeiten. Die hohe Systemdynamik wird durch eine erschwerte Auslegung des Stromreglers erkauft. Diese Motoren werden in hochdynamischen Maschinen eingesetzt, z.B. bei Bonding-Automaten. Die Steuerung des Gesamtsystems inklusive Motion Control erfolgt dabei üblicherweise über einen Industrie-PC mit Soft-SPS.

Bei Motoren mit niedriger Wicklungsinduktivität wird die Leistungsfähigkeit des Stromreglers durch die Verzögerungszeiten der Strommessung, der Algorithmenberechnung im DSP und der Synchronisation mit dem Trägersignal der PWM bestimmt. Um den Stromrippel gering zu halten, sind wegen der niedrigen Wicklungsinduktivität des Motors hohe Schaltfrequenzen erforderlich. Gewöhnlich liegen diese bei fs = 8 - 50 kHz. Die niedrigen elektrischen Motorzeitkonstanten - besonders von eisenlosen Linearmotoren - erlauben dabei besonders hohe Stromreglerbandbreiten.

In diesem Beitrag wird eine innovative, auf Sigma-Delta-A/D-Wandlern und einem Beobachter basierende Stromregelstruktur vorgestellt. Der Ansatz basiert auf einem vereinfachten Maschinenmodell, dessen Nutzung keine Leistungseinbußen verursacht. Die vorgestellten Messergebnisse wurden mit einem Beckhoff-Industrie-PC mit einer TwinCAT-Soft-SPS aufgenommen (Bild 1).

Stromregelung

Aus Gründen der einfachen Inbetriebnahme und der übersichtlichen und bekannten Struktur ist die Regelung in Motion-Control-Systemen meist in einer Kaskadenform realisiert. Der innerste Regelkreis ist dabei der Stromregler. Der mittlere regelt die Geschwindigkeit, während der äußere für die Regelung der Position zuständig ist (Bild 2).

Die Dynamik des gesamten Antriebssystems baut auf der Bandbreite des Stromregelkreises auf. Zum Erreichen einer hohen Stromregelbandbreite waren lange Zeit voll analoge Verstärker mit einer extrem schnellen analogen Stromregelung Standard. Diese so genannten „Voice Coil“-Systeme haben zwei wesentliche Nachteile: Die maximale Proportionalverstärkung des Reglers (K_P) ist durch das Unterschwingungsverfahren begrenzt und eine Prädiktion des zukünftigen Verlaufs der Regelgröße ist nicht möglich.

Moderne, schnell schaltende Leistungselektroniken erlauben einen hohen Wirkungsgrad und ermöglichen zusätzlich die Vorausberechnung (Prädiktion) des zukünftigen Regelgrößenverlaufs. Durch die Verwendung eines „Smith Predictors“ kann die Stromreglerbandbreite beispielsweise um bis zu 70 % erhöht werden^[1].

Phasenstrommessung

Die Qualität der Analog/Digital-Wandlung bei der Motor-Phasenstromerfassung ist von hoher Bedeutung für Servo-Antriebe. Traditionell werden die Ströme zunächst über closed loop Hall-Effekt-Sensoren gemessen. Deren galvanisch getrennte Ausgangssignale werden danach meist über 12-bit-SAR-A/D-Wandler (Sukzessive Approximation) digitalisiert.

Um die Leistungsendstufe vor Überströmen zu schützen, werden die Ströme oft zusätzlich über schnelle, analoge Komparatoren ausgewertet, die eine unmittelbare Abschaltung ermöglichen. Zur Unterdrückung von EMV-bedingten Störsignalen ist eine solche Überstromabschaltung üblicherweise zusätzlich mit einem Filter erster Ordnung mit T ≈ 2 µs versehen.

In PWM-basierten Umrichtern sind zwei verschiedene Strommessmethoden Stand der Technik:

1.) Abtastung des Stromes synchron zum Trägersignal der PWM (Bild 3). Durch die zur Schaltfrequenz synchrone Abtastung des Stromes wird der Stromrippel effizient unterdrückt. Charakteristisch für diese Methode ist eine niedrige Totzeit bei geringerer Rauschunterdrückung. Um Störsignale zu unterdrücken, wird der Strommessung oft ein Filter erster Ordnung mit einer Zeitkonstanten von ca. 10 µs vorgeschaltet.

Ein prinzipieller Nachteil dieses Verfahrens ist ein möglicher aliasingbedingter Offset des Stromes, bedingt durch eine phasenverschobene Abtastung.

2.) Integration des Stromes über eine ganze PWM-Periode des Trägersignals (Bild 4). Durch die Integration werden abtastbedingte Gleichanteile und Störungen effektiv unterdrückt. In der Praxis wird die Integration durch die Bildung einer Summe vieler A/D-Wandlungen mit hoher Abtastrate realisiert. Diese Technik wird auch Überabtastung genannt. Der Nachteil dieser genaueren Technik ist eine regelungstechnisch wirksame zusätzliche Totzeit von einer halben PWM-Periode, welche die Phasenreserve und damit die erreichbare Stromregelbandbreite reduziert.

Durch die Nutzung von ΣΔ-A/D-Wandlern kann die Qualität der Strommessung mit vergleichsweise geringem Aufwand verbessert werden. Verschiedene Halbleiterhersteller bieten speziell für die potentialfreie Strommessung konstruierte integrierte Schaltkreise an. Der differenzielle analoge Eingang dieser ICs kann direkt mit einem Shunt zur Strommessung verbunden werden. Der galvanisch isolierte digitale Datenstrom ist mit einem Eingang eines FPGA verbunden. Signalfilterung und Abtastung (Sample) erfolgen innerhalb des FPGA voll digital. Wenn der ΣΔ-Modulator unmittelbar neben dem Mess-Shunt platziert wird, können eventuelle EMV-Störungen weder das Messsignal, noch die digitale Filterung beeinflussen^{[2, 3]}.

1. Beobachtergestützte Strommessung mit Sigma-Delta-Modulatoren
2. FPGA basierte Strommessung mit getrennter Signalrückführung
3. Stromregelung mit getrennter Rückführung
4. Literatur und Autoren