DE102006039413A1

DE102006039413A1 - Messvorrichtung zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung

Info

Publication number: DE102006039413A1
Application number: DE102006039413A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Leibl
Original assignee: Berger Lahr GmbH and Co KG
Current assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-03-13
Also published as: US20080048637A1; US7521920B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung (1), bei der wechselweise in Halbbrückenabschnitten (2a, 2b) befindliche Halbleiterschalter (5a, 5b) im Gegentakt gesperrt oder durchgeschaltet werden und dabei in einem Ausgangsstromkreis einen Wechselstrom bewirken. Es wird eine Strommessung des durch einen ersten Halbleiterschalter (5a) fließenden Stroms vorgenommen. Der durch einen ersten Halbleiterschalter (5a) fließende Strom wird induktiv in einen Sekundärstrom transformiert. Für den Sekundärstrom werden mindestens zwei Messwertsignale erzeugt, von denen ein erstes Messwertsignal dem Sekundärstrom bei durchgeschaltetem erstem Halbleiterschalter (5a) und ein zweites Messwertsignal dem Sekundärstrom bei gesperrtem erstem Halbleiterschalter (5b) entspricht. Der Ausgangsstrom wird durch Bildung der Differenz aus dem ersten und zweiten Messwertsignal bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung, bei der wechselweise in Halbbrückenabschnitten befindliche Halbleiterschalter im Gegentakt gesperrt oder durchgeschaltet werden und dabei in einem Ausgangsstromkreis einen steuerbaren Stromfluss bewirken, wobei eine Strommessung des durch einen ersten Halbleiterschalter fließenden Stroms vorgenommen wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Messvorrichtung zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung, die mindestens eine Halbbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Halbbrückenabschnitten hat, deren Verbindungsknoten an einem Ausgangsanschluss angeschlossen ist, wobei in einem ersten Halbbrückenabschnitt ein erster Halbleiterschalter und in einem zweiten Halbbrückenabschnitt ein zweiter Halbleiterschalter angeordnet sind, die mittels einer Ansteuereinrichtung im Gegentakt ansteuerbar sind, sowie mit einem Wechselstromwandler, dessen Ausgang an einem Messsignaleingang der Messwertaufbereitungseinrichtung angeschlossen ist, die einen Messausgang für ein Ausgangsstrom-Messsignal hat.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Messvorrichtung sind aus DE 41 17 505 C2 bekannt. Die Messvorrichtung weist zur Ansteuerung der Wicklung eines Elektromotors eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Halbbrückenabschnitten auf, die an einem Verbindungsknoten an einen die Motorwicklung aufweisenden Ausgangskreis angeschlossen sind. In einem ersten Halbbrückenabschnitt ist eine Reihenschaltung, bestehend aus einem ersten Halbleiterschalter und einem Shunt und in einem zweiten Halbbrückenabschnitt ein zweiter Halbleiterschalter angeordnet. Mittels einer Ansteuereinrichtung werden die Halbleiterschalter wechselweise im Gegentakt angesteuert. Dabei wird jeweils während eines ersten Betriebszustands der erste Halbleiterschalter und während eines zweiten Betriebszustands der zweite Halbleiterschalter durchgeschaltet. In den ersten Betriebszuständen wird jeweils ein Messwert für den durch den ersten Halbleiterschalter fließenden Strom mit Hilfe des Shunts erfasst. Dieser Messwert liefert das Messergebnis für den Ausgangsstrom. In den ersten Betriebszuständen wird außerdem mittels eines Wechselstromwandlers ein zweiter Messwert für den Wechselstrom im Ausgangskreis erfasst. Dieser wird zu dem ersten Messwert hinzuaddiert, dann wird das Ergebnis dieser Addition invertiert und gespeichert. Im zweiten Betriebszustand, wird mit Hilfe des Wechselstromwandlers ein Messwert für den im Ausgangskreis fließenden Wechselstrom erfasst und zu dem gespeicherten Wert hinzuaddiert. Die so erhaltene Summe bildet in dem zweiten Betriebszustand das Messergebnis.
Die Messvorrichtung hat sich in der Praxis vor allem deshalb bewährt, weil sie eine Strommessung in einem Ausgangskreis ermöglicht, der ein hohes elektrisches Potential gegenüber dem Messkreis hat. Ein Nachteil der Messvorrichtung besteht jedoch noch darin, dass durch die Verwendung des Shunts keine galvanische Trennung zwischen Leistungskreis und Messkreis besteht. Außerdem ist die Verlustleistung in dem Shunt störend.
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der Eingangs genannten Art zu schaffen, das auf einfache und kostengünstige Weise eine verlustarme und gegebenenfalls galvanisch getrennte Messung des Ausgangsstroms ermöglicht. Ferner besteht die Aufgabe, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass der durch einen ersten Halbleiterschalter fließende Strom transformatorisch in einen Sekundärstrom übertragen wird, dass für den Sekundärstrom mindestens zwei Messwertsignale erzeugt werden, von denen ein erstes Messwertsignal dem Sekundärstrom bei durchgeschaltetem erstem Halbleiterschalter und ein zweites Messwertsignal dem Sekundärstrom bei gesperrtem erstem Halbleiterschalter entspricht, und dass der Ausgangsstrom durch Bildung der Differenz aus dem ersten und zweiten Messwertsignal bestimmt wird.
In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, mit Hilfe eines kostengünstigen, mit dem ersten Halbleiterschalter in Reihe geschalteten Wechselstromwandler (Wandlertrafo) den Ausgangsstrom nahezu verlustfrei sowohl hinsichtlich seines Gleichstromanteils als auch hinsichtlich des Wechselstromanteils zu messen. Die untere Grenzfrequenz des Wechselstromwandlers wird wesentlich kleiner gewählt als die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das erste und zweite Messsignal durch Abtasten des Sekundärstroms erzeugt. Die abgetasteten Messsignale können dann in Digitalsignale konvertiert und auf einfache Weise in einem Mikrocomputer oder einem Signalverarbeitungsprozessor verarbeitet werden.
Vorteilhaft ist, wenn die Abtastung für das erste Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, und/oder die Abtastung für das zweite Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter gesperrt ist. Dadurch wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Ausgangskreis eine Wechselstrommessung vorgenommen, wobei in einem ersten Betriebszustand, in dem der erste Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, Messwerte für den mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelten Ausgangsstrom und den Wechselstrom im Ausgangskreis addiert werden und das Ergebnis der Addition invertiert und gespeichert wird, wobei in dem ersten Betriebszustand der mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelte Ausgangsstrom das Messergebnis liefert, wobei in einem zweiten Betriebszustand, in dem der zweite Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, zu dem im zweiten Betriebszustand im Ausgangskreis gemessenen Wechselstrommesswert der gespeicherte Wert hinzuaddiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das Messergebnis bildet. Der Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung kann dann kontinuierlich gemessen werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird im Ausgangskreis eine Wechselstrommessung vorgenommen, wobei in einem ersten Betriebszustand, in dem der erste Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, Messwerte für den mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelten Ausgangsstrom und den Wechselstrom im Ausgangskreis addiert und gespeichert werden, wobei in dem ersten Betriebszustand der mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelte Ausgangsstrom das Messergebnis liefert, wobei in einem zweiten Betriebszustand, in dem der zweite Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, von dem im zweiten Betriebszustand im Ausgangskreis gemessenen Wechselstrommesswert der gespeicherte Wert subtrahiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das Messergebnis bildet.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird bezüglich der Messvorrichtung dadurch gelöst, dass der Eingang des Wechselstromwandlers in dem ersten Halbbrückenabschnitt mit dem ersten Halbleiterschalter in Reihe geschaltet ist, dass die Messwertaufbereitungseinrichtung Mittel zum Erzeugen von mindestens zwei Messwertsignalen aufweist, von denen ein erstes Messwertsignal dem Ausgangsstrom des Wechselstromwandlers bei durchgeschaltetem ersten Halbleiterschalter und ein zweites Messwertsignal dem Ausgangsstrom des Wechselstromwandlers bei gesperrtem ersten Halbleiterschalter entspricht, und dass die Messwertsignale aufweisende Anschlüsse über ein Differenzglied mit dem Messausgang verbunden sind.
Der Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung kann dadurch nahezu verlustfrei mit Hilfe eines kostengünstigen und kompakten Wechselstromwandlers gemessen werden, und zwar sowohl hinsichtlich seines Gleichstromanteils als auch hinsichtlich seines Wechselstromanteils. Der Wechselstromwandler weist bevorzugt galvanisch voneinander getrennte Wicklungen auf Er kann aber auch ein Spartransformator sein, bei dem die Sekundärwicklung einen Teil der Primärwicklung bildet. Die untere Grenzfrequenz des Wechselstromwandlers ist bevorzugt wesentlich kleiner als die Schaltfrequenz der Halbleiterschalter.
Vorteilhaft ist, wenn die Messvorrichtung zum Erzeugen der Messwertsignale mindestens ein mit seinem Eingangsanschluss mit dem Ausgang des Wechselstromwandlers verbundenes Abtasthalteglied aufweist, und wenn ein Ausgangsanschluss des Abtasthalteglieds vorzugsweise über einen Analog-Digital-Konverter mit dem Ausgangsstrom-Messausgang verbunden ist. Das Messsignal für den Ausgangsstrom kann dann in der Ansteuereinrichtung digital weiterverarbeitet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht das Abtasthalteglied derart mit der Ansteuereinrichtung für die Halbleiterschalter in Steuerverbindung, dass die Abtastung für das erste Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, und/oder die Abtastung für das zweite Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter gesperrt ist. Der Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung kann dann mit großer Präzision gemessen werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wechselstromwandler eine Hauptinduktivität und einen ohmschen Sekundärwiderstand auf, wobei zwischen dem Ausgang des Wechselstromwandlers und dem Messausgang eine aktive Kompensationsschaltung angeordnet ist, welche den durch einen Stromfluss in dem Sekundärwiderstand an der Hauptinduktivität bewirkten Spannungsabfall durch Aufschalten einer Spannung am Ausgang des Wechselstromwandlers zumindest teilweise kompensiert. In vorteilhafter Weise kann dadurch die untere Grenzfrequenz des Wechselstromwandlers verringert und somit ein kleines Volumen des Wechselstromwandlers erreicht werden.
Die Kompensationsschaltung ist bevorzugt als INIC ausgestaltet. Sie kann dann kostengünstig mit Hilfe eines Operationsverstärkers und ohmschen Widerständen realisiert sein.
Zweckmäßigerweise ist der Ausgang des Wechselstromwandlers mit einem ersten Eingang eines Differenzglieds verbunden, wobei der Ausgang des Differenzglieds mit dem Messausgang und einem Eingang eines weiteren Abtast-Halteglieds verbunden ist, dessen Ausgang an einem zweiten Eingang des Differenzglieds angeschlossen ist, und wobei ein Abtast-Eingang des weiteren Abtast-Halteglieds derart mit der Ansteuereinrichtung in Steuerverbindung steht, dass der Messausgang bei durchgeschaltetem oder gesperrtem ersten Halbleiterschalter auf einem vorgegebenen elektrischen Potential liegt. Das Ausgangssignal der Messvorrichtung kann dann zu Zeiten, an denen in dem Wechselstromwandler kein Primärstrom fließt, beispielsweise auf Null geregelt werden. Ein das Ausgangssignal abtastender Analog-Digital-Konverter kann dann einen entsprechend reduzierten Aussteuerungsbereich aufweisen.
Vorteilhaft ist, wenn in den Ausgangsstromkreis ein zweiter Wechselstromwandler geschaltet ist, wenn der Ausgang des ersten Wechselstromwandlers und der Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers an die Eingänge eines ersten Summierglieds und dessen Ausgang an einen Zwischenspeicher angeschlossen sind, wenn der Zwischenspeicher eine Steuerverbindung zu der Ansteuereinrich tung aufweist, zum Schließen der Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten Summierglieds und dem Zwischenspeicher bei leitendem ersten Halbleiterschalter, wenn nach dem Zwischenspeicher an diesem ein zweites Summierglied angeschlossen ist, dessen einer Eingang mit dem Zwischenspeicher und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers verbunden ist, und wenn der Ausgang des zweiten Summierglieds den Ausgangsstrom-Messausgang bildet. Der Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung kann dann kontinuierlich gemessen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Wechselstromwandler eine zweite Hauptinduktivität und einen zweiten ohmschen Sekundärwiderstand auf, wobei zwischen dem Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers und den Eingängen des ersten Summierglieds eine zweite aktive Kompensationsschaltung angeordnet ist, welche den durch einen Stromfuß in dem zweiten Sekundärwiderstand an der zweiten Hauptinduktivität bewirkten Spannungsabfall durch Aufschalten einer Spannung am Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers zumindest teilweise kompensiert. Die Messvorrichtung ermöglicht dann eine noch größere Messgenauigkeit.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausgangsanschluss mit der Wicklung eines Elektromotors verbunden, insbesondere eines Schrittmotors. Bei dem aus der Messvorrichtung und dem Elektromotor gebildeten elektrischen Antrieb erfolgt die Ansteuerung der Wicklung bevorzugt mittels dreier zu einer Vollbrücke miteinander verbundenen Halbbrücken.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Halbbrückenschaltung,
2 eine graphische Darstellung, welche die Generierung eines Pulsweitenmodulationssignals verdeutlicht, wobei in dem oberen Diagramm der Zählerstand eines Zählers sowie ein Vergleichwert und in dem unteren Diagramm das Pulsweitenmodulationssignal dargestellt sind, wobei auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Amplitude aufgetragen sind,
3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Wechselstromwandlers,
4 eine graphische Darstellung des Sekundärstroms (durchgezogene Linie) eines in einem Halbbrückenabschnitt angeordneten Wechselstromwandlers und des Ausgangsstroms (punktiert) der Halbbrücke, wobei auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Stromstärke aufgetragen sind,
5 eine Darstellung, welche die Berechnung des Strommesswertes verdeutlicht,
6 ein Flussdiagramm, welches die Berechnung des Strommesswertes verdeutlicht,
7 ein Teilschaltbild einer Messvorrichtung zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung, und
8 eine graphische Darstellung der Sprungantworten eines mit einem INIC kompensierten Wechselstromwandlers und eines unkompensierten Wechselstromwandlers, wobei auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate der Strom aufgetragen ist und wobei der Primärstrom mit i_p bezeichnet ist.
Eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Messvorrichtung zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung, die zur Ansteuerung eines Elektromotors vorgesehen ist, hat eine Halbbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Halbbrückenabschnitten 2a, 2b. Die Halbbrückenabschnitte 2a, 2b sind an einem Verbindungsknoten an einem Ausgangsanschluss 3 angeschlossen, der mit einem Wicklungsanschluss des Elektromotors verbunden ist. Ein erster Halbbrückenabschnitt 2a ist mit seinem von dem Ausgangsanschluss 3 entfernten Ende an einem ersten Pol 4a einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Stromversorgung und ein zweiter Halbbrückenabschnitt 2b ist mit seinem von dem Ausgangs anschluss 3 entfernten Ende an einem zweiten Pol 4b der Stromversorgung angeschlossen.
Wie in 1 erkennbar ist, sind in dem ersten Halbbrückenabschnitt 2a eine Reihenschaltung, bestehend aus einem ersten Halbleiterschalter 5a und der Primärspule eines Wechselstromwandlers 6 und in dem zweiten Halbbrückenabschnitt 2b ein zweiter Halbleiterschalter 5b angeordnet. Parallel zu den Halbleiterschaltern 5a, 5b ist jeweils eine Freilaufdiode 7a, 7b geschaltet, welche den Emitter mit dem Kollektor des Halbleiterschalters 5a, 5b verbindet. Die Steuereingänge 8a, 8b der Halbleiterschalter 5a, 5b sind mit einer Ansteuereinrichtung verbunden, die derart Pulsweitenmodulationssignale an die Steuereingänge 8a, 8b anlegt, dass die Halbleiterschalter 5a, 5b wechselweise gesperrt bzw. durchgeschaltet werden.
Zum Erzeugen der Pulsweitenmodulationssignale hat die Ansteuereinrichtung einen Zähler, der periodisch inkrementiert wird, bis ein vorgegebener Maximalzählerstand erreicht ist (2). Danach wird der Zähler bis zum Erreichen eines Mindestzählerstands dekrementiert. Dann wird der Zyklus periodisch erneut durchlaufen. Der Zählerstand wird mit einem vorgegebenen Vergleichwert 9 verglichen. Ist der Zählerstand größer als der Vergleichswert, wird einem Ansteuersignal (2 unten) ein erstes Potential, anderenfalls ein zweites Potential zugewiesen. Der erste Steuereingang 8a wird mit dem Ansteuersignal und der zweite Steuereingang 8b mit einem dazu inversen Signal angesteuert.
Der Wechselstromwandler 6 erzeugt aus dem durch den ersten Halbleiterschalter 5a fließenden Strom transformatorisch einen wesentlich kleineren Sekundärstrom, der einer Messwertaufbereitungseinrichtung zugeführt wird. In 3 ist erkennbar, dass das Ersatzschaltbild des Wechselstromwandlers 6 eine Hauptinduktivität L_H aufweist, die parallel zu den Wandler-Eingangsanschlüssen 10 angeordnet ist. Außerdem weist der Wechselstromwandler 6 einen ohmschen Sekundärwiderstand R_S auf, der ausgehend von einem ersten Ausgangsanschluss 11a zu einem zweiten Wandler-Ausgangsanschluss 11b mit der Hauptinduktivität L_H in Reihe geschaltet ist. Ein zwischen den Wandler-Ausgangsanschlüssen 11a, 11b fließender Sekundärstrom verursacht an dem Sekundärwiderstand R_S einen Spannungsabfall.
Die Messwertaufbereitungseinrichtung hat eine aktive Kompensationsschaltung 12, die zwischen den Wandler-Ausgangsanschlüssen 11 eine zu dem Spannungsabfall an dem Sekundärwiderstand R_S entgegengesetzt gerichtete Spannung aufschaltet, die den durch den Stromfluss in dem Sekundärwiderstand R_S an der Hauptinduktivität L_H auftretenden Spannungsabfall weitgehend kompensiert.
An einem Ausgang 13 der Kompensationsschaltung 12 ist ein in der Zeichnung nur schematisch dargestellter Analog-Digital-Konverter 14 angeschlossen, der die an dem Kompensationsschaltungs-Ausgang 13 anliegende Spannung abtastet und digitalisiert. Wie in 4 erkennbar ist, erfolgt die Abtastung des Sekundärstroms jeweils mittig zu den Pulsphasen (z.B. Zeitpunke t₁, t₃) sowie mittig zu den Pulspausen (z.B. Zeitpunkt t₂) des Ansteuersignals.
Die Messwertaufbereitungseinrichtung weist Mittel zum Erzeugen von zwei in 4 dargestellten Messwertsignalen I_sek(t₁), I_sek(t₂) auf, von denen ein erstes Messwertsignal I_sek(t₁) dem Ausgangsstrom des Wechselstromwandlers 6 bei durchgeschaltetem ersten Halbleiterschalter 5a und ein zweites Messwertsignal dem Ausgangsstrom des Wechselstromwandlers 6 bei gesperrtem ersten Halbleiterschalter 5a entspricht. Wie in 5 schematisch dargestellt ist, werden die Messwertsignale I_sek(t₁), I_sek(t₂) werden in einem Mikrocomputer in Form von Digitalsignalen bereitgestellt und zwischengespeichert. Aus den Messwertsignalen I_sek(t₁), I_sek(t₂) wird mit Hilfe eines Mikroprozessors die Differenz gebildet (5 und 6). Diese entspricht dem durch den Ausgangsanschluss fließenden Ausgangsstrom. Das entsprechende Differenzsignal wird an einen Messausgang angelegt.
Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des Wechselstromwandlers 6 mit dem Eingang eines INIC 15 verbunden, der den Ausgang des Wechselstromwandlers 6 mit einem negativen ohmschen Widerstand belastet, der idealerweise negativ genauso groß ist wie der ohmsche Sekundärwiderstand R_S des Wechselstromwandlers 6. Damit die Schaltung stabil bleibt, kann der negative Widerstand allerdings nicht genauso groß gemacht werden. In der Praxis wird der negative Widerstand etwas kleiner gewählt als der Sekundärwiderstand R_S. Durch den INIC 15 wird die ungünstige Wirkung des Sekundärwiderstands R_S weitgehend kompensiert. Da der negative ohmsche Eingangswiderstand des INIC 15 etwas kleiner ist als der ohmsche Sekundärwiderstand R_S des Wechselstromwandlers 6, arbeitet die Schaltung stabil.
Wie in 7 erkennbar ist, hat der INIC 15 einen Operationsverstärker 16, der mit seinem invertierenden Eingang an einem Ausgangsanschluss des Wechselstromwandlers 6 angeschlossen ist. Der andere Ausgang des Wechselstromwandlers 6 liegt auf Massepotential. Der invertierende Eingang der Operationsverstärkers 16 ist über einen ersten Widerstand 17 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 16 verbunden. Dieser ist am Eingang des Analog-Digital-Konverters 14 angeschlossen. Der nicht invertierende Eingang der Operationsverstärkers 16 ist über einen zweiten Widerstand 18 mit dem Ausgang des der Operationsverstärkers 16 verbunden. Zusätzlich ist der nicht invertierende Eingang der Operationsverstärkers 16 über einen dritten Widerstand 19, mit dem Ausgang eines weiteren Abtast-Halteglieds 20 verbunden. Durch den INIC 15 wird die elektrische Spannung an der Hauptinduktivität L_H des Wechselstromwandlers 6 auf einen Wert nahe Null geregelt. Der Wechselstromwandler 6 überträgt daher auch bei niedrigen Frequenzen den Strom proportional. In 8 ist erkennbar, dass die Sprungantwort 25 eines mit dem INIC 15 kompensierten Wechselstromwandlers 6 einen flacheren Verlauf aufweist als die Sprungsantwort 26 eines entsprechenden unkompensierten Wechselstromwandlers 6.
Das weitere Abtast-Halteglied 20 hat einen zweiten Operationsverstärker 21, der über einen vierten Widerstand 22 und einen elektronischen Schalter 23 am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 21 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang ist außerdem über ein RC-Glied 24 mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 21 verbunden. Der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 21 liegt auf Massepotential. Ein in der Zeichnung nicht näher dargestellter Abtast-Eingang des elektronischen Schalters 23 steht derart mit der Ansteuereinrichtung in Steuerverbindung, dass der Schalter 23 bei gesperrtem ersten Halbleiterschalter 5a leitend ist.

Claims

Verfahren zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung (1), bei der wechselweise in Halbbrückenabschnitte (2a, 2b) befindliche Halbleiterschalter (5a, 5b) im Gegentakt gesperrt oder durchgeschaltet werden und dabei in einem Ausgangsstromkreis einen steuerbaren Stromfluss bewirken, wobei eine Strommessung des durch einen ersten Halbleiterschalter (5a) fließenden Stroms vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der durch einen ersten Halbleiterschalter (5a) fließende Strom transformatorisch in einen Sekundärstrom übertragen wird, dass für den Sekundärstrom mindestens zwei Messwertsignale erzeugt werden, von denen ein erstes Messwertsignal dem Sekundärstrom bei durchgeschaltetem erstem Halbleiterschalter (5a) und ein zweites Messwertsignal dem Sekundärstrom bei gesperrtem erstem Halbleiterschalter (5b) entspricht, und dass der Ausgangsstrom durch Bildung der Differenz aus dem ersten und zweiten Messwertsignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Messsignal durch Abtasten des Sekundärstroms erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung für das erste Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter (5a) durchgeschaltet ist, und/oder die Abtastung für das zweite Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter (5a) gesperrt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselstrommessung im Ausgangskreis vorgenommen wird, dass in einem ersten Betriebszustand, in dem der erste Halbleiterschalter (5a) durchgeschaltet ist, Messwerte für den mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelten Ausgangsstrom und den Wechselstrom im Ausgangskreis addiert werden und das Ergebnis der Addition invertiert und gespeichert wird, dass in dem ersten Betriebszustand der mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelte Ausgangsstrom das Messergebnis liefert, dass in einem zweiten Betriebszustand, in dem der zweite Halbleiterschalter (5b) durchgeschaltet ist, zu dem im zwei ten Betriebszustand im Ausgangskreis gemessenen Wechselstrommesswert der gespeicherte Wert hinzuaddiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das Messergebnis bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wechselstrommessung im Ausgangskreis vorgenommen wird, dass in einem ersten Betriebszustand, in dem der erste Halbleiterschalter (5a) durchgeschaltet ist, Messwerte für den mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelten Ausgangsstrom und den Wechselstrom im Ausgangskreis addiert und gespeichert werden, dass in dem ersten Betriebszustand der mit Hilfe des Sekundärstroms ermittelte Ausgangsstrom das Messergebnis liefert, dass in einem zweiten Betriebszustand, in dem der zweite Halbleiterschalter (5b) durchgeschaltet ist, von dem im zweiten Betriebszustand im Ausgangskreis gemessenen Wechselstrommesswert der gespeicherte Wert subtrahiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das Messergebnis bildet.
Messvorrichtung zur Messung des Ausgangsstroms einer getakteten Halbbrückenschaltung (1), die mindestens eine Halbbrücke mit zwei in Reihe geschalteten Halbbrückenabschnitten (20, 2b) hat, deren Verbindungsknoten an einem Ausgangsanschluss (3) angeschlossen ist, wobei in einem ersten Halbbrückenabschnitt (2a) ein erster Halbleiterschalter (50) und in einem zweiten Halbbrückenabschnitt (2b) ein zweiter Halbleiterschalter (5b) angeordnet sind, die mittels einer Ansteuereinrichtung im Gegentakt ansteuerbar sind, sowie mit einem Wechselstromwandler (6), dessen Ausgang an einem Messsignaleingang der Messwertaufbereitungseinrichtung angeschlossen ist, die einen Messausgang für ein Ausgangsstrom-Messsignal hat, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Wechselstromwandlers (6) in dem ersten Halbbrückenabschnitt (2a) mit dem ersten Halbleiterschalter (50) in Reihe geschaltet ist, dass die Messwertaufbereitungseinrichtung Mittel zum Erzeugen von mindestens zwei Messwertsignalen aufweist, von denen ein erstes Messwertsignal dem Ausgangsstrom des Wechselstromwandlers bei durchgeschaltetem ersten Halbleiterschalter (5a) und ein zweites Messwertsignal dem Ausgangsstrom des Wechselstromwandlers bei gesperrtem ersten Halbleiterschalter (5a) entspricht, und dass die Messwertsig nale aufweisende Anschlüsse über ein Differenzglied (15) mit dem Messausgang verbunden sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Erzeugen der Messwertsignale mindestens ein mit seinem Eingangsanschluss mit dem Ausgang des Wechselstromwandlers (6) verbundenes Abtasthalteglied (13, 14a, 14b) aufweist, und dass ein Ausgangsanschluss des Abtasthalteglieds (13, 14a, 14b) vorzugsweise über einen Analog-Digital-Konverter (11) mit dem Ausgangsstrom-Messausgang verbunden ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasthalteglied (13, 14a, 14b) derart mit der Ansteuereinrichtung für die Halbleiterschalter (5a, 5b) in Steuerverbindung steht, dass die Abtastung für das erste Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter (5a) durchgeschaltet ist, und/oder die Abtastung für das zweite Messwertsignal mittig zu einem Zeitintervall erfolgt, während dem der erste Halbleiterschalter (5a) gesperrt ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromwandler (6) eine Hauptinduktivität (L_H) und einen ohmschen Sekundärwiderstand (R_S) aufweist, dass zwischen dem Ausgang des Wechselstromwandlers (6) und dem Messausgang eine aktive Kompensationsschaltung (12) angeordnet ist, welche den durch einen Stromfuß in dem Sekundärwiderstand (R_S) an der Hauptinduktivität (L_H) bewirkten Spannungsabfall durch Aufschalten einer Spannung am Ausgang des Wechselstromwandlers (6) zumindest teilweise kompensiert.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (12) ein INIC (15) ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Wechselstromwandlers (6) mit einem ersten Eingang eines Differenzglieds (16) verbunden ist, dass der Ausgang des Differenzglieds (16) mit dem Messausgang und einem Eingang eines weiteren Abtast-Halteglieds (20) verbunden ist, dessen Ausgang an einem zweiten Eingang des Differenzglieds (15) angeschlossen ist, und dass ein Abtast-Eingang des weiteren Abtast-Halteglieds (20) derart mit der Ansteuereinrichtung in Steuerverbindung steht, dass der Messausgang bei durchgeschaltetem oder gesperrtem ersten Halbleiterschalter (5a) auf einem vorgegebenen elektrischen Potential liegt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ausgangsstromkreis ein zweiter Wechselstromwandler geschaltet ist, dass der Ausgang des ersten Wechselstromwandlers (6) und der Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers an die Eingänge eines ersten Summierglieds und dessen Ausgang an einen Zwischenspeicher angeschlossen sind, dass der Zwischenspeicher eine Steuerverbindung zu der Ansteuereinrichtung aufweist, zum Schließen der Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten Summierglieds und dem Zwischenspeicher bei leitendem ersten Halbleiterschalter, dass nach dem Zwischenspeicher an diesem ein zweites Summierglied angeschlossen ist, dessen einer Eingang mit dem Zwischenspeicher und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers verbunden ist, und dass der Ausgang des zweiten Summierglieds den Ausgangsstrom-Messausgang bildet.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wechselstromwandler eine zweite Hauptinduktivität und einen zweiten ohmschen Sekundärwiderstand aufweist, und dass zwischen dem Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers und den Eingängen des ersten Summierglieds eine zweite aktive Kompensationsschaltung angeordnet ist, welche den durch einen Stromfuß in dem zweiten Sekundärwiderstand an der zweiten Hauptinduktivität bewirkten Spannungsabfall durch Aufschalten einer Spannung am Ausgang des zweiten Wechselstromwandlers zumindest teilweise kompensiert.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsanschluss (3) mit der Wicklung eines Elektromotors verbunden ist, insbesondere eines Schrittmotors.