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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur offsetfreien diskontinuierlichen
Messung des einem stromgesteuerten Verbraucher ein- oder mehrphasig
zugeführten
oder des von einer stromgesteuerten Quelle ein- oder mehrphasig
abgeführten
Stromes, der pro Phase mittels eines im wesentlichen offsetfreien
Sensors als Strommesswert zyklisch erfasst und dem Eingang eines
Signalverarbeitungspfades zugeführt wird,
an dessen Ausgang zur Steuerung des Verbrauchers bzw. der Quelle
ein vom erfassten Strommesswert abgeleitetes Signal abgegeben wird
und dessen Eingang vom Sensor zum Ermitteln eines etwaigen Signalverarbeitungspfad-Offsets
zeitweise getrennt und kurzgeschlossen wird, so dass sich während eines
Offset-Abgleichvorgangs bei laufendem Betrieb das den Verbraucher
bzw. die Quelle steuernde Signal um den Signalverarbeitungspfad-Offset-Fehler
korrigieren lässt.
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Umrichter
für mehrphasige
Servomotoren, z.B. in Form von Dreiphasen-Drehstrommotoren, benötigen zur
Strommessung Sensoren, mit denen für die unterlagerte Stromregelung
der Strom in den Motorphasen gemessen werden kann. Für eine solche Messung
kommen vorwiegend auf einem Hall-Sensor basierende Sensoren oder
Shunt-Widerstände zum
Einsatz. Es sind aber auch noch andere Messprinzipien zum Zweck
einer derartigen Strommessung bekannt.
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Den
meisten bisher bekannten Messverfahren ist es aber gemeinsam, dass
im Sensor selbst oder auf dem Weg der weiteren Signalverarbeitung im
Umrichter das Signal mit ungewünschten Strom-Offsets
behaftet wird. Aus diesem Grund erfolgt bei vielen Umrichtern beim
Einschalten und zwar noch im Motor-Stillstand ein Abgleich des Strom-Offsets.
Dieser Stand der Technik ist z.B. aus
US 6 515 446 B1 und aus
JP 07271445 A bekannt.
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Es
ist aus
DE 101 40
605 A1 auch bekannt, den Offset-Strom mit einem konstanten
Wert vorzugeben. Anhand dieses vorgegebenen Offset-Stroms und des
aktuell gemessenen Stroms wird eine Korrekturspannung ermittelt,
die herangezogen wird, um bei der Steuerung eines umrichtergespeisten
Asynchronmotors einen zu dessen Regelung vorgesehenen Spannungssollwert
je Phase zu korrigieren.
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Weil
die Offset-Ströme
aber unter anderem von der Temperatur abhängig sind, können während des
Motorbetriebs trotzdem wieder störende Strom-Offsets
auftreten.
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Das
Auftreten von Strom-Offsets führt
dazu, dass auch eine ideale Grundwellenmaschine beim stromgeregelten
Betrieb am vorgeschalteten Umrichter drehwinkelabhängige Pendelmomente
erzeugt. Diese Pendelmomente werden bei kommerziellen Umrichtern
bei niedrigen Drehzahlen durch überlagerte
Geschwindigkeits- und Positionsregelkreise unterdrückt, können aber
bei höheren
Drehzahlen zu Geräuschen
und Anregungen des Antriebsstrangs führen.
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Wird
der Motor nur stromgeregelt oder mit einem überlagerten Impedanzregler
betrieben, dann können
diese Pendelmomente prinzipbedingt nicht ausgeregelt werden. Es
ist lediglich möglich,
eine zusätzliche
Momentenmessung einzuführen
oder die Pendelmomente zu vermessen und dann entgegengesetzt vorzusteuern.
Letzteres setzt allerdings voraus, dass die Offsets auf den Motorphasenströmen zeitlich
unveränderlich
sind, was aber in der Praxis gerade nicht der Fall ist, wie vorher
bereits erläutert worden
ist.
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Strom-
oder impedanzgeregelte Elektromotoren werden unter anderem für Anwendungen
benötigt,
bei denen Kräfte
und Momente an einen Bediener zurückgegeben werden sollen, also
insbesondere bei haptischen Eingabegeräten aller Art. Hier machen
sich die beschriebenen Pendelmomente durch ihre ansteuerungsunabhängige Amplitude
besonders bei kleinen Sollwerten störend als Ruckeln bemerkbar.
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Aus
EP 1 193 854 A1 ist
ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors durch Regeln einer von
einer Stromquelle an die Spule des Motors zugeführten Spannung bekannt. Bei
diesem bekannten Verfahren wird eine Spannung der Stromquelle geschätzt, eine
voreingestellte Detektionsspannung dieser Spule auf der Grundlage
der geschätzten Spannung
zugeführt,
ein Wert des elektrischen Stromes gemessen, der durch diese Spule
in Reaktion auf die zugeführte
Detektionsspannung fließt,
ein Fehler der zugeführten
Spannung spezifiziert, die auf der geschätzten Spannung und auf dem
beobachteten Wert des elektrischen Stromes beruht, und der Betrieb
des Motors unter Berücksichtigung
des spezifizierten Fehlers geregelt. Bei diesem bekannten Verfahren
mit Offsetfehlerkorrektur erfolgt bei der Strommessung eine Integration,
so dass keine Momentanwerte erfasst werden können.
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Aus
DE 199 08 635 B4 ist
eine während
eines laufenden Betriebs arbeitende Anordnung zum Erfassen des Stromes
durch einen Messwiderstand eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker bekannt,
dem der Spannungsabfall am Messwi derstand zugeführt wird und der am Ausgang
ein dem erfassten Strom proportionales Ausgangssignal abgibt. Der
Messwiderstand ist in Reihe zu einem zusätzlichen Spannungsteiler geschaltet,
an dem bei abgeschaltetem Laststromkreis eine Steuerspannung für den Operationsverstärker abgegriffen
wird, die größer als
dessen maximale Offsetspannung ist. Die dabei auftretende Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers
wird einem Mikroprozessor oder ASIC zugeführt, der diese Ausgangsspannung
dem Stromwert null durch den Messwiderstand zuordnet. Bei geschlossenem
Laststromkreis steigt durch den Spannungsabfall am Messwiderstand
die Steuerspannung am Operationsverstärker an und der Mikrocomputer
bzw. ASIC gibt ein der Spannungserhöhung proportionales Ausgangssignal
ab. Es wird also hier das Potential des Messwiderstands um die Offsetspannurig
des Operationsverstärkers
angehoben. Der Laststromkreis umfasst eine Reihenschaltung aus Last,
Schalter und Messwiderstand, was bedeutet, dass der Messwiderstand
im Laststromkreis selbst liegt.
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Aus
DE 102 00 369 C1 ist
ein Verfahren zum Korrigieren der Messsignale bei einer dreiphasigen Strommessung
mit einer Strommesseinrichtung mit drei Phasenstrommesseinrichtungen
und einer Auswerteeinrichtung während
des laufenden Betriebs bekannt. Fehlmessungen an dreiphasigen Strommesseinrichtungen
werden hier vermieden, wenn bei Betrieb des Verbrauchers laufend
phasenweise ein Abgleich der Strommesseinrichtung hinsichtlich eines
Offset- oder anderen Abgleichfehlers durchgeführt wird, indem die jeweils
zu korrigierende Phase kurzzeitig in einen Abgleichbetrieb geschaltet,
ein Abgleichfehler gemessen und von der Auswerteeinrichtung der
Strommesseinrichtung zwecks Korrektur des Messsignals registriert
wird, und für
die Zeit des Abgleichs der Strom in dieser Phase aus der Summe der
Ströme
in den beiden übrigen
Phasen nachgebildet wird. Ein Abgleich erfolgt hier also nur phasenweise
und während
des Abgleichs wird der fehlende Strom aus den zwei anderen Strommesswerten nachgebildet.
Bei der dreiphasigen Messung in den Motorzuleitungen ist die Berücksichtigung
eines Summenstromes ungleich null erforderlich. Die Sensoren zur
Strommessung befinden sich auch hier direkt in den Motorzuleitungen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, für einen stromgesteuerten Verbraucher
oder eine stromgesteuerte Quelle ein Verfahren und eine Schaltung
anzugeben, die ohne Sensoreinwirkung auf stromführende Phasen und ohne Nachbildung
eines fehlenden Stromes aus Strommesswerten anderer Phasen einen
Abgleich von störenden
Offsets während
des laufenden Betriebs möglich
machen.
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Gemäß der Erfindung,
die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird
diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass pro Phase der die Ermittlung des Signalverarbeitungspfad-Offsets
einschließende
Offset-Abgleichvorgang während
jedes Zyklus zu einem anderen Zeitpunkt als die Erfassung des Strommesswertes
durchgeführt
wird und dass pro Phase die Erfassung des Strommesswertes mittels
des offsetfreien Sensors nicht direkt in der Verbraucherstromzuleitung
bzw. Quellenstromableitung, sondern kopf- oder fußpunktseitig
vorgenommen wird.
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Durch
Einsatz des gemäß der Erfindung
arbeitenden Verfahrens lässt
sich in vorteilhafter Weise ein quasi-kontinuierlicher Abgleich
der Strom-Offsets im laufenden Umrichterbetrieb synchron zur Messung
der Motorphasenströme
im Gegensatz zu einem einmaligen Abgleich beim Einschalten des Motors,
also noch während
des Motorstillstands, erreichen.
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Es
ergibt sich bei Anwendung der Erfindung im Rahmen einer Motorsteuerung
in besonders vorteilhafter Weise eine hervorragende Rundlaufgenauigkeit
der jeweiligen elektromotorischen Antriebe.
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Eine
Schaltung zur Durchführung
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass pro Phase als im wesentlichen offsetfreier Sensor im Fuß- oder
Kopfpunkt ein Shunt-Widerstand vorgesehen ist und dass pro Phase
zur Trennung des Eingangs des Signalverarbeitungspfades vom Shunt-Widerstand
und zum Kurzschließen
dieses Eingangs ein Analogschalter vorgesehen ist.
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Der
Signalverarbeitungspfad pro Phase besteht zweckmäßig aus einer Verstärkerschaltung
und einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler. Anstelle mehrerer
Analog/Digital-Wandler bei mehrphasigen Systemen kann auch ein einzelner
nachgeschalteter Analog/Digital-Wandler mit mehreren Abtast- und
Halteeingängen
vorgesehen werden.
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Werden
für die
Strommessung wie bei der Schaltung nach der vorliegenden Erfindung
als Sensoren Shunt-Widerstände
eingesetzt, dann ist der primäre
Sensor, also der Shunt-Widerstand für sich genommen, prinzipbedingt
offsetfrei, zumindest, wenn von Thermospannungseinflüssen abgesehen wird,
die sehr klein sind und außerdem
nicht auftreten, wenn alle Anschlüsse dieses Shunt-Widerstands die
gleiche Temperatur haben. Der Strom-Offset bei diesem Messprinzip
entsteht erst durch die Offsets einer im Signalverarbeitungspfad
nachgelagerten Verstärkerschaltung
und einer sich daran anschließenden
Schaltung zur Analog/Digital-Wandlung, wobei es sich hierbei auch
um einen einzelnen Analog/Digital-Wandler mit mehreren Abtast- und
Halteeingängen
handeln kann. Wenn also wie bei der Schaltung gemäß der Erfindung
der Eingang der Verstärkerschaltung
mittels eines Analogschalters in geeigneter Weise vom Shunt-Widerstand
getrennt und kurzgeschlossen wird, dann kann der momentane Offset-Strom
des Signalverarbeitungspfades einschließlich des Analog/Digital-Wandlers
bestimmt und anschließend
von den Strom-Messwerten in der betreffenden Phase abgezogen werden.
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Im
Gegensatz zu dem aus
DE
102 00 369 C1 bekannten Verfahren ist eine redundante Ausführung der
Stromsensoren nicht notwendig. Die Steuerung des Verbrauchers oder
der Quelle arbeitet beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
in einem festen Takt und verarbeitet Strommesswerte, die bis auf die
Einschwingzeit des Analog/Digital-Wandlers Momentanwerten entsprechen,
so dass der Offset-Abgleich auch bei nicht redundanten Stromsensoren
im laufenden Betrieb durchgeführt
werden kann, indem einfach die Strommessung für die Steuerung und der Offsetabgleich
nacheinander innerhalb eines Steuerungstaktes durchgeführt werden.
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Wird
wie beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung der Offset-Abgleich
im Betrieb mit nicht-redundanten Stromsenso ren durchgeführt, dann
ist auch eine Anwendung des Verfahrens bei einphasigen Verbrauchern
und damit speziell auch bei Gleichstrommotoren möglich.
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Insbesondere
bei der Verwendung von Shunt-Widerständen als Stromsensoren ist
es technisch oft erheblich einfacher, nicht in den Zu- oder Ableitungen
selbst zu messen, sondern wie beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
in den Fuß- oder Kopfpunkten.
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Die
Schaltung nach der Erfindung lässt
sich vorteilhaft und allgemein bei Servo-Umrichtern mit Shunt-Widerstand-Strommessung
und damit bei Geräten
und Anlagen anwenden, in die derartige Servo-Umrichter integriert
sind, insbesondere bei Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit
der Antriebe. Außerordentliche
Verbesserungen sind vor allem bei sogenannten Force-Feedback-Anwendungen
zu erzielen, also vor allem bei haptischen Eingabegeräten, bei
Telerobotik-Systemen wie z.B. bei der robotergestützten minimalinvasiven
Chirurgie, bei Steer-by-Wire-Lenkungen in Fahr- und Flugzeugen, bei
Fahr- und Flugsimulatoren,
bei Trainingsgeräten und
bei impedanzgeregelten Antrieben oder damit angetriebenen Systemen,
z.B. Servicerobotern.
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In
vorteilhafter Weise kann pro Phase mittels des um den Signalverarbeitungspfad-Offset-Fehler korrigierten,
vom erfassten Strommesswert abgeleiteten Signals eine Regelung des
dem Verbraucher zugeführten
bzw. von der Quelle abgeführten,
gemessenen Stromes pro betreffender Phase vorgenommen werden.
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Das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung lässt sich beispielsweise zur
Regelung der gemessenen Ströme
bei einem Elektromagneten oder bei einem Elektromotor einsetzen,
der ein Gleichstrommotor, ein Schrittmotor oder ein umrichtergesteuerter
Wechselstrommotor, speziell ein Drehstrommotor (Asynchronmotor,
Synchronmotor), sein kann.
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Das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung lässt sich zweckmäßig für eine Stromregelung einsetzen,
bei der benötigte
Spannungen über
Halbleiterschalter gestellt werden. Die Halbleiterschalter können dabei
vorteilhaft in Halb- oder Vollbrückenanordnungen
eingesetzt werden. Die Erfassung der Strommesswerte wird dabei mittels
der offsetfreien Sensoren an den Kopf- oder Fußpunkten der Halbleiter-Brückenanordnungen
vorgenommen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich
auf die Patentansprüche
1 und 14 unmittelbar oder mittelbar rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Figur dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die
Figur zeigt eine Schaltung zur Messung des Stroms der Phase X eines
dreiphasigen Elektromotors. Hierzu wird in einem den Motor ansteuernden
Umrichter als offsetfreier Stromsensor ein Shunt-Widerstand R verwendet,
mit dessen Hilfe der Strom nicht unmittelbar in der Motorphase X,
sondern im Fußpunkt
einer Umrichter-Halbbrücke
HB gemessen wird. Mit dem masseabgewandten Anschluss des Shunt-Wider stands
R ist über
einen niederohmigen Widerstand R1 ein erster Eingang eines CMOS-Analogschalters
AS verbunden, dessen zweiten Eingang ein entsprechend niederohmiger
Widerstand R2 mit Masse verbindet. Der Ausgang des CMOS-Analogschalters
AS ist über
ein Parallelglied aus einem Widerstand R3 und einem Kondensator C1
an einen ersten Eingang eines invertierenden Verstärkers V
angeschlossen, dessen zweiter Eingang zum einen über ein aus einem Widerstand
R4 und einem Kondensator C2 bestehendes Parallelglied an Masse liegt
und zum anderen über
einen Widerstand R5 mit dem positiven Pol der Umrichter-Versorgungsgleichspannung
U verbunden ist, deren negativer Pol an Masse liegt. Der mit dem
ersten Verstärkereingang über einen
Widerstand R6 rückgekoppelte
Ausgang des Verstärkers
V ist über
einen Widerstand R7 mit einem ersten Eingang eines Analog/Digital-Wandlers
ADW verbunden, dessen zweiter Eingang an Masse liegt, wobei zwischen
den beiden Eingängen
des Analog/Digital-Wandlers ADW ein Kondensator C3 angeordnet ist,
der zusammen mit dem Widerstand R7 ein optionales Filter bildet. Zwischen
den beiden Polen der Referenzspannung U-Ref ist ein Kondensator
C4 vorgesehen. In dem den Verstärker
V und den Analog/Digital-Wandler ADW enthaltenden Signalverarbeitungspfad
des Umrichters ist somit der CMOS-Analogschalter AS vorgesehen,
der mittels eines Zero-X-Signals gesteuert wird.
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Der
als Stromsensor eingesetzte Shunt-Widerstand R ist für sich genommen
prinzipbedingt offsetfrei, abgesehen von minimalen Thermospannungseinflüssen, die
aber bei gleicher Temperatur seiner beiden Anschlüsse nicht
auftreten. Der erst durch die Verstärkerschaltung mit dem Verstärker V und
durch den Analog/Digital-Wandler ADW auftretende Strom-Offset kann
mit Hilfe des in den Signalverarbeitungspfad eingefügten CMOS-Analogschalter
AS unwirksam gemacht werden. Wenn durch das Steuersignal Zero-X
der Eingang des Verstärkers
V vom Shunt-Widerstand R getrennt wird und über den niederohmigen Widerstand
R2 im wesentlichen kurzgeschlossen wird, dann kann der momentane Strom-Offset des Signalverarbeitungspfades
einschließlich
des Analog/Digital-Wandlers ADW bestimmt werden und anschließend von
den Messwerten des Stromes in der Motorphase X abgezogen werden.
In der an den Shunt-Widerstand R angeschlossenen Stellung des CMOS-Analogschalters AS
liegt somit am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers ADW der momentane
Strom-Messwert der Phase X an und in der kurzgeschlossenen Stellung
des CMOS-Analogschalters AS der betreffende momentane Strom-Offset.
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- ADW
- Analog/Digital-Wandler
- AS
- Analogschalter
- C1
bis C4
- Kondensatoren
- HB
- Halbbrücke
- R
- Shunt-Widerstand,
Sensor
- R1
bis R7
- Widerstände
- U
- Versorgungsgleichspannung
- V
- Verstärker
- X
- Motorphase
- Zero-X
- Steuersignal