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Signalaufbereitung für Motorregelungen

Diskret oder monolithisch?

05. Oktober 2020, 11:41 Uhr   |  Von Dr. Ralph Oberhuber, Product Line Manager Precision Amplifiers von Texas Instruments

Diskret oder monolithisch?
© Texas Instruments

Bild 1: Typisches Motorregelungs-System mit Positionsrückmeldung

Intelligente Motortreiber, ausgefeilte Stromversorgungen und Signalverarbeitung ermöglichen zusammen eine exakte Drehzahl- und Drehmomentregelung, wobei die Positionsrückmeldung ein entscheidendes Subsystem darstellt.

Auch wenn magnetoresistive und auf Hall-Sensoren basierende Ansätze im Automobilbereich und in integrierten Motoranwendungen langsam Fuß fassen, konzentriert sich dieser Beitrag vorrangig auf Winkel/Positions-Encoder (inkrementell und absolut) sowie Resolver, da sie bislang noch am häufigsten zum Einsatz kommen.

Werden Encoder eingesetzt, spielt die analoge Signalverarbeitung nach wie vor die dominierende Rolle bei der Decodierung inkrementeller Positionsinformationen. Dabei kommen sinusförmige Signale mit einer Amplitude von 1 V Spitze–Spitze zum Einsatz. Dieses Konzept erfordert den geringsten Arbeits- und Kostenaufwand für die Software-Implementierung. Bei der absoluten Positionskodierung gewinnen serielle Protokolle an Bedeutung, die jedoch mehr Aufwand und höhere Kosten für die Hard- und Software mit sich bringen. Sehr gebräuchlich sind nach wie vor analog/digitale Hybridlösungen. Werden Resolver eingesetzt, eignen sich analoge, frequenzmodulierte Signale zum Decodieren von Winkel- und Positionsinformationen unter rauen Umgebungsbedingungen, was sie zur idealen Wahl für Fabriken oder Automobil-Anwendungen macht.

Anforderungen
an Positionsrückmeldungssysteme

Ein Sinus/Cosinus-Encoder oder die Sekundärwicklungen eines Resolvers können die differenziellen Eingangssignale von 1 V (A+, A–, B+ und B–) erzeugen, wobei der Hauptunterschied im interessierenden Frequenzbereich des Signals (0 bis 400 kHz für optische Encoder und 10 kHz bis 20 kHz bei typischen Resolvern) sowie in der Amplitude liegt. Dahinter steht die Idee, die relevanten Signale in ihrem Pegel umzusetzen, zu verstärken und zu filtern, während man unerwünschte Gleichtakt-Störungen unterdrückt und die differenziellen Eingangssignale in Single-Ended-Ausgangssignale (AOUT und BOUT) umwandelt – und zwar alles gleichzeitig.

Nach Aufbereitung der Eingangssignale können die resultierenden Signale einem A/D-Wandler (ADC) zugeführt werden, der die präzise Digitalisierung und das Extrahieren der Positions- bzw. Winkelinformation übernimmt.

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Tabelle 1: Systemanforderungen an einen Positionsrückmeldungs-Signalpfad

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für die systemseitigen Anforderungen, wobei die angegebenen Spezifikationen die Mindest-Performance in der Signalkette wiedergeben, um eine Winkelmessung mit dem angestrebten maximalen Phasenfehler von <0,2 % zu ermöglichen. Auch wenn sich die Angaben auf die Winkelmessung beziehen, lässt sich die Prozedur ohne Weiteres auch auf lineare Positionsmessungen anwenden. Der Unterschied sowohl des Offsets als auch der Verstärkung zwischen den beiden Kanälen (Sinus und Cosinus) trägt aufgrund der Asymmetrie in der Signalausbreitung entscheidend zum Gesamtphasenfehler bei.

Auch die Temperaturdrift ist ein entscheidender Aspekt, da eine Kalibrierung bei mehr als einem Temperaturpunkt aus Kostengründen meist ausscheidet. Die geforderte Gleichtaktunterdrückung (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR) gewährleistet, dass Störgrößen bis zu ±10 V auf einen Pegel gedrückt werden, der weniger als 0,1 % des voll ausgesteuerten Eingangssignals (Full-Scale Range, FSR) ausmacht. Dies entspricht einem maximal tolerierbaren Unterdrückungsverhältnis von 0,1 % × 1 V/10 V = 100 µV/V bzw. 80 dB. Gleichtaktstörungen können z.B. durch Potenzialunterschiede der Signalmasse infolge langer Kabel zwischen Sensor und Signalaufbereitungs-Platine entstehen.

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Tabelle 2: Baustein-Anforderungen für Differenzverstärker-Stufe mit Positionsrückmeldung

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1. Diskret oder monolithisch?
2. Anforderungen an die Signalkette (statisch)
3. Dynamische Anforderungen

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