DE102014107540B4

DE102014107540B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer störbehafteten Größe

Info

Publication number: DE102014107540B4
Application number: DE102014107540.4A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: US20170115330A1; CN105301341B; US10048297B2; DE102014107540A1; CN105301341A

Abstract

Es werden Vorrichtungen und Verfahren bereitgestellt, bei welchen eine störbehaftete Messgröße in ein Digital-Signal gewandelt wird. Das digitale Signal wird dann über eine Anzahl von Abtastwerten gemittelt, welche einer Periode der Störungen entspricht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Messen von störbehafteten Größen, insbesondere von Spannungen oder Strömen, welche mit einer periodischen Störung behaftet sind.
HINTERGRUND
Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Größe, beispielsweise einen Strom oder eine Spannung, zu messen und auf Basis dieser Messung eine Steuerung oder Regelung durchzuführen. Ein Beispiel hierfür ist das Messen eines Stroms in einem Elektromotor, wobei auf Basis der Strommessung dann wiederum der Elektromotor gesteuert wird. Eine andere Anwendung ist das Messen von Strömen in Gleichrichtern, beispielsweise für Solarzellen. Bei derartigen Vorrichtungen werden periodische Steuersignale, beispielsweise zum Antreiben des Motors oder zum Steuern des Gleichrichtens, verwendet. Diese periodischen Steuersignale können periodische Störungen in zu messenden Signalen verursachen, so dass z.B. bei einer Strom- oder Spannungsmessung ein mit einer periodischen Störung beaufschlagtes Signal gemessen wird. Für manche Anwendungen können diese periodischen Störungen in dem gemessenen Signal unerwünscht sein. Neben den periodischen Störungen können bedingt durch die Steuersignale auch einzelne Spitzen in dem gemessenen Signal auftreten, welche ebenfalls unerwünscht sein können. Auch bei anderen Anwendungen kann ein interessierendes Signal von periodischen Störungen überlagert sein.
Verschiedene, herkömmliche Lösungen weisen verschiedene Nachteile wie beispielsweise Empfindlichkeit gegenüber Spannungs- oder Stromspitzen oder vergleichsweise hohe Verzögerungen auf, wobei derartige hohe Verzögerungen beispielsweise bei Regelschleifen zu Instabilitäten führen können.
Aus der DE 102 52 756 A1 ist ein Analog-Digital-Wandler mit verbesserter Auflösung bekannt. Um die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers zu verbessern, wird dabei vorgeschlagen, ein zu wandelndes Analogsignal mit einem periodischen Hilfssignal zu überlagern, das überlagerte Signal abzutasten und mittels des Analog-Digital-Wandlers in digitale Ausgangswerte zu wandeln. Aus den digitalen Ausgangswerten lässt sich z.B. durch Mittelwertbildung ein Ausgangswert mit höherer Auflösung ermitteln.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Möglichkeiten bereitzustellen, eine störbehaftete Größe wie beispielsweise einen Strom mit möglichst geringer Verzögerung messen zu können.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 14 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt Signale zur Veranschaulichung von Ausführungsbeispielen.
4 ist ein Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
5 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise von Ausführungsbeispielen.
6 ist ein Diagramm mit Signalen zur Veranschaulichung von Ausführungsbeispielen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiel dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind.
Auch wenn manche Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Eigenschaften oder Merkmalen beschrieben werden, ist dies nicht dahingehend auszulegen, dass diese Eigenschaften oder Merkmale essentiell sind. Andere Ausführungsbeispiele können weniger Merkmale oder Eigenschaften und/oder alternative Merkmale oder Eigenschaften aufweisen. Zudem können Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird ein mit einer periodischen Störung beaufschlagtes Signal mit einer Abtastfrequenz digitalisiert, insbesondere in Multibit-Abtastwerte gewandelt. Dann wird eine Mittelung über eine Anzahl der Multibit-Abtastwerte durchgeführt, welche der Periodendauer der Störung oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann eine derartige Mittelung mehrmals zeitlich versetzt in jeder Periode der Störungen beginnen. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Verzögerung, welche durch die Mittelwertbildung entsteht, verringert werden.
Beispiele für die oben erläuterten Konzepte werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt. Die Vorrichtung der 1 umfasst ein Sensorelement 10 zum Erfassen einer zu messenden Größe, welche schematisch durch einen Pfeil 14 dargestellt ist. Die zu messende Größe kann beispielsweise ein Strom sein. In diesem Fall kann das Sensorelement 10 ein beliebiges herkömmliches Strommesselement sein, beispielsweise ein auf einer Magnetfeldmessung basierendes Sensorelement wie ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistives Element, oder ein Sensorelement, welches einen Spannungsabfall über einen definierten Widerstand misst. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Messgröße 14 eine andere Größe, beispielsweise eine Spannung, eine mechanische Größe wie beispielsweise ein Druck oder eine Kraft oder irgendeine andere interessierende Größe. Ein Ausgangssignal des Sensorelements 10, welches die zu messende Größe in analoger Form angibt, wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC, vom Englischen „Analog to Digital Converter“) 11 digitalisiert. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Analog-Digital-Wandler 11 dabei ein Multibit-Wandler, d.h. er gibt als Ausgangsabtastwerte n-Bit-Werte aus, wobei n > 1 ist. Der Analog-Digital-Wandler 11 wird mit einem Wandlertaktsignal ADCclk betrieben, welches die Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers 11 bestimmt. Der Analog-Digital-Wandler 11 kann beispielsweise ein Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler, beispielsweise ein zeitkontinuierlich arbeitender Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler, sein.
Die Messgröße 14 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 1 eine störungsbehaftete Messgröße, wobei die Störungen periodische Störungen, welche eine Periodendauer aufweisen, umfassen. Derartige periodische Störungssignale können beispielsweise durch den Betrieb einer Einrichtung, in welcher die Messgröße 14 gemessen wird, verursacht werden. Beispielsweise können Steuersignale für einen Elektromotor oder für einen Gleichrichter entsprechende periodische Störungen verursachen. Derartige durch Steuersignale erzeugte periodische Störungen werden später unter Bezugnahme auf 3 noch näher erläutert. Die Anwendung der hier beschriebenen Techniken und Ausführungsbeispiele ist jedoch nicht auf von Steuersignalen hervorgerufene periodische Störungen beschränkt. Beispielsweise können durch Messen von Magnetfeldsignalen gemäß einem so genannten Spinning-Current-Hallsensor-Prinzip periodische Offset-Ripple-Signale (z.B. bei einem 4-Phasen-Current-Spinning-Verfahren) als periodische Störsignale entstehen. Auch beim Verstärken eines Signals mit einem Chopper-Verstärker können periodische Störungen erzeugt werden.
Die von dem Analog-Digital-Wandler 11 ausgegebenen Werte werden in einer Mittelungseinrichtung 12 gemittelt, wobei eine Anzahl von Abtastwerten, über die gemittelt wird, einer Periodendauer oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht. So ermittelte Mittelwerte werden als Ausgangssignal out ausgegeben.
Die Mittelungseinrichtung 12 empfängt bei dem Ausführungsbeispiel der 1 dabei ein Signal ap von einem Zähler 13, wobei das Signal ap eine Anzahl von Abtastwerten entsprechend der Periodendauer angibt, über welche die Mittelung durchzuführen ist. Der Zähler 13 ermittelt dabei den Wert ap auf Basis des Wandlertaktsignals ADCclk und eines Synchronisationssignals sync, welches eine Periode entsprechend der Perioden der Störungen aufweist. Derartige Signale, welche als Synchronisationssignal sync dienen können, liegen bei vielen Einrichtungen, bei welchen derartige periodische Störungen auftreten, ohnehin vor und dienen beispielsweise zur Steuerung einer derartigen Einrichtung. Der Zähler 13 zählt dabei die Anzahl von Perioden des Wandlertaktsignals ADCclk während einer Periode des Synchronisationssignals sync. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Wert ap anhand des von dem Sensorelement 10 gemessenen Signals ermittelt werden, beispielsweise durch Analysieren des von dem Analog-Digital-Wandler 11 ausgegebenen Signals. Dies ist durch einen gepunkteten Pfeil in 1 angedeutet. In diesem Fall kann der Zähler 13 beispielsweise die Anzahl von Perioden des Wandlertaktsignals ADCclk während einer Störungsperiode Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 11 zählen. Dies kann gegebenenfalls über mehrere Störungsperioden durchgeführt werden, um einen zuverlässigen Wert zu erhalten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Wert ap basierend auf einem Systemdesign vorgegeben sein.
Es ist zu bemerken, dass neben einer Mittelung über eine Dauer, welche einer Störungsperiode entspricht, auch eine längere Mittelung beispielsweise über ein ganzzahliges Vielfaches der Störungsperiode durchgeführt werden kann. Zudem ist zu bemerken, dass zwar die bei dem Ausführungsbeispiel der 1 die Anzahl der Abtastwerte, über die gemittelt wird, einer Periode der Störung entspricht, der Beginn der Mittelung jedoch nicht mit einem Beginn der Störung synchronisiert sein muss. Zudem können, wie später unter Bezugnahme auf die 4 und 5 näher erläutert werden wird, auch mehrere Mittelungen zeitlich versetzt durchgeführt werden, um Ausgangswerte mit einer höheren Frequenz, als es der Periode der Störung entsprechen würde, auszugeben.
In 2 ist eine Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte ist nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere können dargestellte Verfahrensschritte mehrmals periodisch oder auch gleichzeitig in verschiedenen Schaltungsteilen durchgeführt werden. Das Verfahren der 2 kann beispielsweise in der Vorrichtung der 1 oder auch in der unten stehend diskutierten Vorrichtung der 4 ausgeführt werden, ist aber nicht hierauf beschränkt.
Bei 20 wird eine Messgröße, beispielsweise ein Strom, erfasst. Bei 21 wird die erfasste Messgröße dann in ein digitales Signal, beispielsweise in eine Multibit-Signal mit einer Vielzahl von aufeinander folgenden n-Bit-Abtastwerten, wobei n > 1 ist, gewandelt. Bei 22 werden dann die Abtastwerte des digitalen Signals über eine Dauer einer Periode einer Störung gemittelt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Dabei muss der Beginn der Mittelung nicht mit dem Beginn einer Störperiode eines der Messgröße überlagerten Störsignals zusammenfallen, sondern lediglich die Dauer stimmt im Wesentlichen überein.
Dabei können auch mehrere zeitversetzte Mittelungen, welche sich teilweise überlappen, durchgeführt werden, um das so erzeugte Ausgangssignal häufiger zu aktualisieren. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen zu einer geringeren Verzögerung des Ausgangssignals führen, was beispielsweise bei Anwendungen hilfreich ist, bei welchen die Messgröße auf Basis des Ausgangssignals geregelt wird.
Um die Vorrichtung der 1 und das Verfahren der 2 näher zu erläutern, zeigt 3 einige Signale für ein Beispiel einer Motorsteuerung, bei welchem ein Motor mit einem pulsbreitenmodulierten (PWM) Steuersignal 32 angesteuert wird. Zur Steuerung des Motors werden weiterhin Synchronisationssignale 33, 34 verwendet, deren Periodendauer der Periode des pulsbreitenmodulierten Steuersignals 32 entspricht. Mit dem pulsbreitenmodulierten Steuersignal 32 wird beispielsweise ein Motorstrom erhöht oder erniedrigt. Bei einem hohen Wert (beispielsweise 200 Volt) des Steuersignals 32 steigt beispielsweise ein Strom in einem Motor an, und bei einem niedrigen Wert (beispielsweise 0 Volt) fällt er ab, was zu der Dreiecksform der Kurve 31 führt. Eine gestrichelte Kurve 30 zeigt dabei ein sinusförmiges Signal, welches einem interessierenden Wechselstrom, entspricht, und eine durchgezogene Kurve 36 zeigt das Signal mit Störungen, auch als „ripples“ bezeichnet, welche in dem Signal durch das pulsbreitenmodulierte Steuersignal verursacht werden, so dass zunächst ein störbehaftetes Signal gemäß der durchgezogenen Kurve 36 vorliegt. Dieses störbehaftete Signal kann beispielsweise von einem Stromsensor wie einem Hallsensor erfasst werden. Für manche Anwendungen ist jedoch das Signal entsprechend der Kurve 30 von Interesse. Beispielsweise kann das sinusförmige Signal gemäß der Kurve 30 für Regelungszwecke, z.B. zur Motorregelung, verwendet werden. Das Signal entsprechend der Kurve 30 kann auch als Grundsignal bezeichnet werden, welches von Störungen überlagert ist, so dass sich ein Signal entsprechend der Kurve 36 ergibt.
Mit 31 ist ein vergrößerter Ausschnitt dieser durchgezogenen Kurve 36 gezeigt, bei welchem die dreiecksförmigen „ripple“ zusammen mit Spitzen, welche beispielsweise durch das Einschalten und Ausschalten des pulsweitenmodulierten Steuersignals 32 oder durch die Synchronisationssignale 33, 34 verursacht werden, dargestellt sind. Die Synchronisationssignale 33 und 34 weisen eine Frequenz gleich einer Frequenz des Steuersignals 32 und somit einer Frequenz der Störungen beispielsweise entsprechend der Kurve 31 oder der durchgezogenen Kurve 30 auf. Dieses Dreiecksignal stellt ein Beispiel für ein periodisches Störsignal dar, mit welchem die eigentliche Messgröße (gestrichelte Kurve 30) beaufschlagt ist. Durch eine Mittelung, wie sie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 diskutiert wurde, kann der Einfluss des Störsignals beseitigt oder zumindest verringert werden.
Zudem ist zur Veranschaulichung in 3 mit 35 ein Taktsignal eines Analog-Digital-Wandlers wie des Analog-Digital-Wandlers 11 der 1 bezeichnet, welches eine Frequenz f_ADC aufweist. Bei den Beispielsignalen der 3 würde der Zähler 13 beispielsweise die Anzahl von Perioden des Analog-Digital-Wandlertaktsignals 35 zwischen zwei Pulsen eines der Synchronisationssignale 33, 34 zählen, um somit die Periodendauer der Störungen bzw. die Anzahl von Abtastwerten ap, über welche gemittelt wird, zu ermitteln. Während bei dem dargestellten Beispiel die Synchronisationssignale 33, 34 Pulse im Abstand einer Periodendauer der Störungen aufweisen, um so eine Information über die Periodendauer zu geben, können derartige Pulse bei anderen Ausführungsbeispielen auch Abstände eines Vielfachen oder eines Bruchteils der Periodendauer aufweist, was ebenfalls eine Information über die Periodendauer darstellt.
Eine Taktfrequenz des Signals 35 ist dabei deutlich größer als eine Frequenz des PWM-Steuersignals 32 bzw. der Synchronisationssignale 33, 34, beispielsweise zwischen 10 und 20 Mal größer.
In 4 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 wird ein Strom mittels eines Sensors 40, im dargestellten Beispiel mittels eines Hall-Sensors, gemessen. Der Strom kann beispielsweise ein Strom in einem Elektromotor oder ein Strom in einem Wechselrichter, beispielsweise einen Wechselrichter einer Solarzelle, sein, ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Statt des Hall-Sensors 40 kann auch eine andere Art von Sensor verwendet werden, beispielsweise ein XMR-Magnetfeldsensor oder ein auf einer Spannungsmessung über einen definierten Widerstand basierender Sensor.
Ein Ausgangssignal des Sensors wird bei dem Ausführungsbeispiel der 4 einem Analog-Digital-Wandler 44 zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der Analog-Digital-Wandler 44 ein Multibit-Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler mit digitaler Nachverfolgung und einer Multibit-Ausgabe, wie in 4 durch die Bezeichnung „> 1 Bit“ angedeutet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der Analog-Digital-Wandler 44 zudem ein zeitkontinuierlich arbeitender Analog-Digital-Wandler. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten von Analog-Digital-Wandlern, beispielsweise Analog-Digital-Wandler mit geschalteten Kapazitäten oder andere Arten von Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlern, verwendet werden.
Der Analog-Digital-Wandler 44 umfasst einen Subtrahierer 45, wobei einem positiven Eingang des Subtrahierers 45 ein Signal des Sensors 40 und einem negativen Eingang des Subtrahierers 45 das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 44 über eine Rückkopplungsschleife mit einem Multibit-Digital-Analog-Wandler 49 zugeführt wird. Der Multibit-Digital-Analog-Wandler (DAC) 49 dient dabei dazu, das digitale Ausgangssignal in ein Analogsignal zu wandeln.
Ein Ausgangssignal des Subtrahierers 45 wird einem analogen Integrator 46 zugeführt. Ein Ausgangssignal des analogen Integrators 46 wird einem mehrstufigen Komparator 47 zugeführt, welcher das Ausgangssignal des analogen Integrators 46 mit einer Wandlertaktfrequenz f_ADC abtastet und beispielsweise mit mehreren Schwellenwerten vergleicht, um abhängig von diesem Vergleich einen zugeordneten Wert eines Multibit-Digitalsignals auszugeben (beispielsweise ein 2-Bit Signal, 3-Bit Signal, 4-Bit Signal und dergleichen). Ein Ausgangssignal des Komparators 47 wird dann von einem digitalen Integrator 48 integriert, um das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 44 zu bilden. Ein Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler mit dem in 4 dargestellten Aufbau weist dabei eine inhärente Tiefpassfilterfunktion auf, mit welcher Spitzen, wie beispielsweise der Kurve 31 der 3, zumindest bis zu einem gewissen Maß bereits unterdrückt werden können.
Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 44 wird einem Block 410 zur Mittelung durchgeführt. Der Block 410 umfasst dabei vier digitale Integratoren 411–414, welche das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 44 jeweils über eine Periodendauer einer Störung integrieren, wobei die Mittelung durch die vier Integratoren 411–414 bei dem Ausführungsbeispiel der 4 zeitversetzt erfolgt. Die digitalen Integratoren 411–414 werden dabei, wie dargestellt, von Signalen update1 bis update4 angesteuert, welche in einer Einrichtung 42 erzeugt werden. Die Einrichtung 42 empfängt das Analog-Digital-Wandler-Taktsignal mit der Frequenz f_ADC sowie ein Synchronisationssignal sync, welches eine Periodendauer der Störung angibt, und erzeugt daraus die Signale update1 bis update4 sowie optional ein Signal update. Diese Signale geben den Integratoren 411–414 Anfang bzw. Ende der Mittelungsperioden vor. Hierzu umfasst die Einrichtung 42 einen Zähler 43, welche die Anzahl der Taktzyklen des Analog-Digital-Wandler-Taktsignals während einer Periode des Synchronisationssignals sync zählt, wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Durch Verzögerung werden dann die verschiedenen Signale update1 bis update4 erzeugt. Ein Multiplexer 415 gibt dann, beispielsweise gesteuert durch das Signal update, alternierend die Ausgangssignale der Integratoren 411–414 aus. Das Multibit-Ausgangssignal des Multiplexers 415 kann dann optional noch einem Parallel-Serienwandler 416 zugeführt werden, welcher auf Basis einer Aktualisierungsfrequenz f_update, der Analog-Digital-Wandler-Taktfrequenz f_ADC und/oder einer Synchronisationsfrequenz f_sync des Synchronisationssignals sync ein serielles 1 Bit Ausgangssignal out erzeugt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch direkt das Multibit-Signal, welches durch den Multiplexer 415 ausgegeben wird, als Ausgangssignal verwendet werden.
Zudem kann optional zur Erzeugung des Analog-Digital-Wandler-Taktsignals ein Oszillator 41 mit einer fraktionalen Phasenregelschleife (PLL) verwendet werden, mit welcher das Taktsignal bis zu einem gewissen Grad an das Synchronisationssignal sync angepasst werden kann. Je nach verwendetem Analog-Digital-Wandler kann dabei die Möglichkeit der Anpassung begrenzt sein. Beispielsweise kann üblicherweise bei einem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler, wie in 4 dargestellt, lediglich eine Anpassung um einige Prozente erfolgen, ohne dass Stabilitätsprobleme erzeugt werden. Über eine derartige Anpassung kann beispielsweise die Taktfrequenz f_ADC derart angepasst werden, dass eine ganzzahlige Anzahl von Abtastwerten in einer Periode der Störungen vorliegt, z.B. f_ADC ein ganzzahliges Vielfaches einer Frequenz der Störungen ist.
Während bei dem Ausführungsbeispiel der 4 vier Integratoren 411–414 verwendet werden, um vier versetzte Mittelwerte zu bilden, kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch eine andere Anzahl von Integratoren verwendet werden.
Optional kann, wie durch einen gestrichelten Pfeil 417 angedeutet, das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 44 zudem für andere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann dieses Ausgangssignal einem digitalen Filterpfad 418 zugeführt werden, über welchen z.B. eine Amplitude der „ripples“ oder andere Eigenschaften der „ripples“, d.h. der Störungen, überwacht werden können. Über eine derartige Überwachung können z.B. im Falle eine Motorregelung Fehlfunktionen des Motors, z.B. ein blockieren des Motors, erkannt werden.
Um die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der 4 weiter zu veranschaulichen, werden in den 5 und 6 schematisch Beispiele für mögliche Signalverläufe gezeigt. Diese Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung, und je nach Anwendung und Implementierung können die Signalverläufe auch andere Formen annehmen.
Eine Kurve 55 zeigt einen störungsfreien Signalverlauf, in diesem Fall einen sinusförmigen Signalverlauf. Dem sinusförmigen Signalverlauf sind bei dem Beispiel der 5 dreiecksförmige Störungen überlagert, welche zu Abtastwerten 54 am Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers, wie dem Digital-Analog-Wandler 44 der 4, führen. Klammern 53, mit Σ bezeichnet, deuten eine Mittelwertbildung jeweils über eine Periode der Störungen an. Dies entspricht der Mittelwertbildung durch einen einzigen Integrator, beispielsweise den Integrator 411 der 4. Auf Basis dieser Mittelwerte ergibt sich dann beispielsweise eine Kurve 57, aus welcher dann eine Sinuskurve 56 rekonstruiert werden kann. Gegenüber der ursprünglichen Kurve 55 weist die Kurve 56 eine relativ hohe Verzögerung auf.
Klammern 50–52 und die Klammer 53 in 5 illustrieren die zeitversetzte Mittelwertbildung durch mehrere Integratoren, beispielsweise vier Integratoren, wie in 4 dargestellt (Integratoren 411–414). Hier wird also in jeder Periode der Störungen vier Mal mit einer Mittelwertbildung begonnen. Dies führt zu einem Ausgangssignal, wie durch eine Kurve 59 angegeben, aus welcher wiederum ein Sinussignal 58 rekonstruiert werden kann. Dieses Sinussignal 58 weist gegenüber der Kurve 55 eine deutlich geringere Verzögerung auf, als die Kurve 56. Somit kann bei Ausführungsbeispielen durch eine zeitversetzte Mittelwertbildung eine Verzögerung des Ausgangssignals verringert werden, was beispielsweise beim Einsatz in Regelschleifen hilfreich sein kann, d.h., wenn die Messgröße auf Basis des Ausgangssignals geregelt wird. Bei Anwendungen, bei welchen die Verzögerung unkritisch ist, kann beispielsweise auch eine Ausgestaltung mit einer einzigen Mittelwertbildung, beispielsweise einem einzigen Integrator, implementiert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann durch die dargestellte Mittelwertbildung eine geringere Verzögerung bei der Erzeugung des Ausgangssignals erreicht werden als bei anderen Herangehensweisen, z.B. beim Einsatz eines Tiefpassfilters mit nachgeschaltetem Analog/Digital-Wandler.
In 6 ist ein Synchronisieren der Aktualisierungsrate des Ausgangssignals auf das Synchronisationssignal sync und die Bestimmung der Anzahl N von Abtastwerten der Phasenverschiebung zwischen den Signalen update1 bis update4 dargestellt. 6 zeigt dabei das Wandlertaktsignal mit der Frequenz f_ADC sowie ein Beispiel für ein Synchronisationssignal. Die Dauer der Mittelwertbildung kann beispielsweise von einer fallenden Flanke des Synchronisationssignals zur nächsten fallenden Flanke des Synchronisationssignals sein. Mit update1 bis update4 sind dann Beispiele für entsprechende Signale aus 4 bezeichnet, welche jeweils über N Abtastwerte gehen. Die Phasenverschiebung zwischen zweien dieser update-Signale beträgt dann N/M-Abtastwerte, wobei M die Anzahl der update-Signale (im Beispiel 4) darstellt.
Eine sich so ergebende Aktualisierungsrate f_update kann somit ein Vielfaches der Frequenz der Störungen sein, beispielsweise, wie dargestellt, die vierfache Frequenz der Störungen. Um Beispiele für Zahlenwerte zu geben, kann beispielsweise die Frequenz f_ADC in der Größenordnung 10 MHz liegen, und das Multibit-Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers kann ein 6-Bit Ausgangssignal mit Abtastwerten sein, welche bei diesem Beispiel in Zeitabständen von 100 ms erzeugt werden. Bei einer Frequenz des Synchronisationssignals f_sync (entsprechend der Frequenz der Störungen) von 50 kHz und vier zeitversetzten Mittelwertbildungen, wie dargestellt, würde eine Verzögerung, wie in 5 für die Kurve 58 dargestellt, beispielsweise 5µs betragen. Eine Durchschnittsbildung würde über 200 Abtastwerte erfolgen, wobei die Durchschnittswertung über 200 6-Bit Abtastwerte zu einer effektiven Auflösung von etwa 14 Bit führen würde. Die Aktualisierungsrate wäre bei diesem Beispiel 200 kHz. Allgemein ist die Aktualisierungsrate f_update größer oder gleich der Frequenz der Störungen f_ripple, aber deutlich kleiner als die Frequenz des Analog-Digital-Wandler-Taktsignals f_ADC. Dies kann eine elektromagnetische Emission der Ausgangsleitung verringern.
Bei diesen Zahlenwerten kann der Oszillator 41 beispielsweise dazu dienen, die Frequenz f_ADC zwischen zwei benachbarten ganzzahligen Werten des fraktionalen Teilers anzupassen, d.h., beispielsweise zwischen 50 oder 51 in dem oben diskutierten Fall f_ADC = 10MHz, f_update = 200kHz, f_ripple = f_sync = 50kHz. Dies führt zu einer effektiven Verzögerung von 10µs und einer update-Periode von 5µs. In diesem Fall muss beispielsweise der interne Oszillator nur um 2 Prozent angezeigt werden. Die obigen Zahlenwerte dienen lediglich der Veranschaulichung, und je nach Implementierung und Anwendung sind andere Werte möglich.
Die oben diskutierten Ausführungsbeispiele dienen lediglich als Beispiel, und es sind verschiedene Abwandlungen und Variationen möglich. Beispielsweise kann das gemittelte Ausgangssignal (zum Beispiel das Ausgangssignal des Blocks 12 der 2 oder des Blocks 410 der 4) einer weiteren Filterung unterzogen werden. Bei einer derartigen Filterung können vorherige Ausgangswerte mit Gewichtungsfaktoren addiert werden, beispielsweise mittels eines Dreiecksfilters, bei welchem ein vorhergehendes Ausgangssignal mit 1/2 gewichtete wird, das Ausgangssignal davor mit 1/4 etc. Bei dem Beispiel der 5 kann eine derartige Filterung auch auf Basis der versetzten Mittelungen vorgenommen werden, z.B. z.B. ein momentanes, z.B. gerade ausgegebenes Summensignal 50 + ½ mal ein vorhergehendes Summensignal 51 + 1/4 mal ein vorhergehendes Summensignal 52 + 1/8 mal ein vorhergehendes Summensignal 53 + 1/16 mal ein vorhergehendes Summensignal 50. Es können auch mehr oder weniger vorhergehende Summensignale berücksichtigt werden. Hierdurch kann die Filterung von Störungen noch verbessert werden, auf der anderen Seite erhöht sich bei Ausführungsbeispielen durch diese Herangehensweise eine Verzögerung.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann zusätzlich oder alternativ ein Vorhersagealgorithmus verwendet werden, um beispielsweise den Rückkopplungs-Analog-Digital-Wandler 49 auf einen Zielwert voreinzustellen, was die Bearbeitung beschleunigen kann. In anderen Worten, wird beispielsweise bei einem Wandler, der nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitet, auf Basis eines vorhergehenden Ausgangssignals ein Zielwert voreingestellt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein verwendeter Analog-Digital-Wandler, wie der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 44 der 4, mit einer Chopper-Frequenz eines verwendeten Chopper-Verstärkers und/oder mit einer Frequenz eines sogenannten „spinning current“ des Hall-Sensors 40 synchronisiert sein. Bei der „spinning current“-Technik werden die Anschlüsse des Hall-Sensors wechselnd, beispielsweise als Eingänge und Ausgänge, verwendet, um so einen Offset zu kompensieren.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann zur Verringerung des Einflusses von Spitzen ein sogenanntes „guard bending“-Schema benutzt werden, bei welchem zum Beispiel der erste und letzte Abtastwert einer Mittelungsperiode verworfen werden und nicht in die Mittelung eingehen, da insbesondere beim Umschalten, beispielsweise des PWM-Steuersignals 230 Spitzen auftreten können. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von Analog-Digital-Wandlern mit geschalteten Kapazitäten hilfreich sein, während es bei zeitkontinuierlich arbeitenden Sigma-Delta-Wandlern weniger Effekt hat.
Wie bereits erwähnt, kann statt der Verwendung eines Synchronisationssignals die Zeitdauer der Mittelwertbildung auch direkt aus der Messgröße durch Ermitteln einer Periode der Störungen bestimmt werden.
Zudem wurde bei dem dargestellten Beispiel eine einphasige Störung, d.h., beispielsweise ein einphasiges PWM-Steuersignal 32 in 3, verwendet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können mehrphasige Signale zum Einsatz kommen, was die Störungen dann entsprechend beeinflusst. In diesem Fall liegt ein Synchronisationssignal gegebenenfalls nur für eine der Phasen vor und kann dann für die anderen Phasen durch Phasenverschiebung ermittelt werden, um dann letztendlich auf Basis der Synchronisationssignale jeweilige Mittelungsperioden zu bestimmen.
Wie ersichtlich ist, sind somit viele Variationen und Abwandlungen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich. Diese sind somit nicht als einschränkend auszulegen.

Claims

Vorrichtung zur Verarbeitung eines Messsignals, umfassend: einen Analog-Digital-Wandler (11; 44) zum Empfangen eines Messsignals und zum Ausgeben von digitalen Abtastwerten, wobei das Messsignal eine Überlagerung eines Grundsignals mit einer unerwünschten periodischen Störung beinhaltet, und eine Mittelungseinrichtung (12; 410), wobei die Mittelungseinrichtung eingerichtet ist, einen Mittelwert von Abtastwerten über einen Zeitraum, der einer Periodendauer der unerwünschten periodischen Störung oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht, zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Analog-Digital-Wandler (11; 44) einen Multibit-Analog-Digital-Wandler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Analog-Digital-Wandler (11, 44) einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler, insbesondere einen zeitkontinuierlichen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mittelungseinrichtung (410) eingerichtet ist, eine Vielzahl um einen Bruchteil einer Periodendauer der unerwünschten periodischen Störung phasenversetzter Mittelungen durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mittelungseinrichtung (12; 410) einen digitalen Integrator (411–414) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Analog-Digital-Wandler (11; 44) durch ein Analog-Digital-Wandler-Taktsignal getaktet wird, wobei die Vorrichtung weiter einen Zähler (13; 43) umfasst, welcher eingerichtet ist, eine Anzahl von Perioden des Analog-Digital-Wandler-Taktsignals während einer Periode der unerwünschten periodischen Störung zu bestimmen, um eine Anzahl von Abtastwerten für die Mittelung über den Zeitraum, der der Periodendauer der unerwünschten periodischen Störung entspricht zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Zähler (13; 43) eingerichtet ist, ein Synchronisationssignal zu empfangen, welche eine Information über die Periodendauer der unerwünschten periodischen Störung anzeigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, umfassend: eine Oszillatoreinrichtung (41) zum Erzeugen des Analog-Digital-Wandler-Taktsignals, wobei die Oszillatoreinrichtung (41) eine Regelungseinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, eine Frequenz des Analog-Digital-Wandler-Taktsignals derart zu Regeln, dass innerhalb der Periodendauer eine ganzzahlige Anzahl von Abtastwerten vorliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter umfassend einen Sensor (10; 40) zum Bereitstellen des Messsignals.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Sensor (10; 40) einen Stromsensor umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Einrichtung zur Mittelwertbildung (12; 410) eingerichtet ist, mindestens einen Abtastwert an einem Anfang und/oder an einem Ende einer Mittelungsperiode zu verwerfen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, eine Filterung auf Basis einer Vielzahl von Ausgangssignalen der Einrichtung zur Mittelwertbildung (12; 410) durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiter umfassend eine Filtereinrichtung (418), welche mit einem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (44) gekoppelt ist, um die unerwünschte periodische Störung zu überwachen.
Messverfahren, umfassend: Erfassen eines Messsignals, das eine Überlagerung eines Grundsignals mit einer unerwünschten periodischen Störung beinhaltet, Wandeln des Messsignals in ein digitales Signal mit einer Folge von digitalen Abtastwerten, und Durchführen einer Mittelung der Abtastwerte über einen Zeitraum, welche einer Periodendauer der unerwünschten periodischen Störung entspricht.
Messverfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend das Zählen einer Anzahl von Perioden eines das Wandeln steuernden Taktsignals während einer Periode der unerwünschten periodischen Störung, um eine Anzahl der Abtastwerte für die Mittelung über den Zeitraum, welche der Periodendauer der unerwünschten periodischen Störung oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht, zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Mittelung eine digitale Integration umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Durchführen der Mittelung ein Durchführen mehrerer zeitlich versetzter Mittelungen umfasst, wobei der zeitliche Abstand der Mittelungen einem Bruchteil der Periode der unerwünschten periodischen Störung entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Erfassen der Messgröße ein Erfassen eines Motorstroms umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Wandeln der Messgröße in ein digitales Signal eine Durchführung einer Sigma-Delta-Wandlung, insbesondere eine zeitkontinuierliche Sigma-Delta-Wandlung, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das digitale Signal ein Multibit-Signal ist.