DE102015200654A1

DE102015200654A1 - Verfahren zur Kompensation parasitärer Induktivitäten in Strommesswiderständen

Info

Publication number: DE102015200654A1
Application number: DE102015200654.9A
Authority: DE
Inventors: Robin Gruber; Alexander Nothhelfer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-17
Also published as: DE102015200654B4

Abstract

Mit dem Verfahren lässt sich der Einfluss einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes (10) auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf kompensieren, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist. Hierbei wird der Verlauf des Spannungsabfalls über einem von dem zu vermessenden Strom mit dem obigen Zeitverlauf durchflossenen Widerstand ermittelt, der einen rein ohmschen Widerstandswert aufweist, welcher gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes (10) ist. Der ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls weicht von dem sich über dem Strommesswiderstand (10) einstellenden, messtechnisch ermittelten Verlauf des Spannungsabfalls um einen aus der parasitären Induktivität resultierenden Offset ab. Der Messzeitpunkt wird innerhalb des Messintervalls soweit vorverlegt, bis der messtechnisch erfasste Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) im Wesentlichen gleich dem ermittelten Verlauf des Spannungsabfalls über dem Widerstand mit rein ohmschem Anteil, der gleich dem ohmschen Anteil des Stromwiderstandes ist, und damit um den Offset kompensiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist.
Zur messtechnischen Erfassung des Versorgungsstroms einer elektrischen Komponente bzw. eines elektrischen Geräts ist es bekannt, Strommesswiderstände (sogenannte Shunts) einzusetzen. Bei Stromverläufen mit Wechselanteilen ist man mitunter nicht an dem Stromverlauf selbst sondern an dem Mittelwert des Stroms interessiert. Um eine mehr oder weniger aufwendige Mittelwertbildung zu vermeiden, geht man daher mitunter derart vor, dass die Größe des Stroms innerhalb eines Messintervalls zu demjenigen Zeitpunkt ermittelt bzw. abgetastet wird, zu dem der Abtastwert den Mittelwert des Stroms, bezogen auf das Messintervall, liefert. Bei einem Stromverlauf, der linear ansteigende oder linear abfallende Zeitabschnitt aufweist, müsste man also bei einem Messintervall mit einer Zeitspanne von T zum Zeitpunkt 1/2 T abtasten.
Ein gewisses Problem bei der Verwendung von Shunts können deren parasitäre Induktivitäten sein. Diese führen nämlich bei Stromverläufen mit Wechselanteilen zu einem Offset im Zeitverlauf des Spannungsabfalls über dem SHUNT. Auch wenn dieser Offset im Sub-mV-Bereich liegt, kann er nichtsdestotrotz störend sein.
Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines Strommesswiderstandes anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem sich der Einfluss einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf kompensieren lässt, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlaufs des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist, wobei bei dem Verfahren

– der Verlauf des Spannungsabfalls über einem von dem zu vermessenden Strom mit dem obigen Zeitverlauf durchflossenen Widerstand ermittelt wird, der einen rein ohmschen Widerstandswert aufweist, welcher gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes ist,
– wobei der ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls von dem sich über dem Strommesswiderstand einstellenden, messtechnisch erfassten Verlauf des Spannungsabfalls um einen aus der parasitären Induktivität resultierenden Offset abweicht und
– wobei der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls soweit vorverlegt wird, bis der messtechnisch erfasste Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand im Wesentlichen gleich dem ermittelten ”idealen” Verlauf des Spannungsabfalls über dem Widerstand mit rein ohmschen Anteil, der gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes ist, und damit von dem Offset befreit ist.

Gemäß dieser zuvor genannten erste Variante der Erfindung wird empirisch der Verlauf des Spannungsabfalls, der sich während des Messintervalls über dem eine parasitäre Induktivität aufweisenden Strommesswiderstand einstellt, mit dem Verlauf desjenigen Spannungsabfalls verglichen, der sich rechnerisch bzw. durch Simulation für den Fall ermitteln lässt, dass der Strommesswiderstand ausschließlich den bekannten ohmschen Anteil, also keine parasitäre Induktivität aufweist. Es ist auch möglich, diesen realen Stromwert durch ein zusätzliches Messgerät zu bestimmen, welches beispielsweise nur im Rahmen der Inbetriebnahme oder nur für den Abgleich angeschlossen wird. Die Abweichung (Offset) beider Spannungsverläufe über dem Messintervall resultiert aus der parasitären Induktivität des ”realen” Strommesswiderstandes, und zwar unter der Voraussetzung, dass andere Offset erzeugende Quellen/Störungen ausgeschlossen bzw. bekannt sind. Dieser Offset kann nun dadurch kompensiert werden, dass der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls bezogen auf denjenigen Messzeitpunkt vorverlegt wird, zu dem der Wert des Stromverlaufs gleich dem Mittelwert des während des Messintervalls fließenden Stroms ist.
Gemäß einer Variante der eingangs beschriebenen Erfindung wird zur Lösung der obigen Aufgabe ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem

– die parasitäre Induktivität und der ohmsche Anteil des Strommesswiderstandes ermittelt oder bereitgestellt werden und
– der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls um eine Zeitspanne vorverlegt wird, die gleich dem Quotienten aus dem Wert der Induktivität und dem Wert des ohmschen Anteils des Strommesswiderstandes ist, wodurch der messtechnisch ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand um den aus seiner parasitären Induktivität resultierenden Offset kompensiert ist.

Gemäß dieser Variante der Erfindung wird die Zeitspanne, um die der zur Kompensation des Offset erforderliche Messzeitpunkt gegenüber demjenigen Messzeitpunkt, bei dem der Abtastwert des Stromverlaufs innerhalb des Messintervalls gleich dem Mittelwert des Stroms ist, verschoben ist, rechnerisch ermittelt werden, und zwar als Quotient aus den Werten der parasitären Induktivität des Strommesswiderstandes und dessen ohmschen Anteil.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß jeder der beiden zuvor beschriebenen Varianten kann vorgesehen sein, dass der messtechnisch ermittelte Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand mittels eines Tiefpassfilters gefiltert wird, das eine Gruppenlaufzeit aufweist, wobei der Messzeitpunkt um die Größe der Gruppenlaufzeit verzögert wird. Durch die an sich bekannte Verwendung eines Filters, bei dem es sich insbesondere um ein Tiefpassfilter handelt, tritt eine Verzögerung bei der Verarbeitung des Stromverlaufs ein. Diese Verzögerung ist durch die Gruppenlaufzeit des verwendeten Filters bestimmt. Insoweit muss also der ”reale” Messzeitpunkt gegenüber dem ”idealen” Messzeitpunkt verzögert werden.
Von besonderem Vorteil kann es daher sein, wenn das Tiefpassfilter und/oder der Strommesswiderstand derart gewählt wird/werden, dass die Gruppenlaufzeit im Wesentlichen gleich der Zeitspanne ist, um die der Messzeitpunkt zwecks Kompensation des Offset vorzuverlegen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:
1 ein Schaltungsteildiagramm zur Verdeutlichung einer möglichen Applikation der Erfindung zur Strommessung bei einem Stepup/Stepdown-Konverter,
2 ein Schaltungsteildiagramm zur Verdeutlichung einer möglichen Applikation der Erfindung zur Strommessung bei einem Sperr/Durchflusswandler, und
3 bis 5 verschiedene Strom- und Spannungsverlaufsdiagramme zur Verdeutlichung der Problemstellung und der erfindungsgemäßen Lösung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer einzelnen Halbbrücke erläutert, ist genauso aber auch für Vollbrückensysteme, Einzeltransistorsysteme (z. B. Sperrwandler) und mit kleinen Einschränkungen auch für 3-Phasen-Systeme gültig. Die Erfindung ist in all den Fällen einsetzbar, in denen der elektrische Strom innerhalb von Zeitabschnitten, in denen er sich insbesondere linear ändert, ermittelt werden soll.
Bei Schaltnetzteilen und Wechselrichtern, vor allem bei Wechsel- oder Umrichtern für die Ansteuerung bürstenloser Servomotoren wird häufig eine Strommessung benötigt, welche in vielen Fällen aufgrund der einfachen Realisierbarkeit dadurch ausgeführt wird, dass in einer oder mehreren verwendeten Schaltelement-Halbbrücken oder Einzelschaltelementen (beides bevorzugt mittels Transistoren realisiert) zwischen der Versorgungsspannung und dem Highside-Schaltelement oder der Masse und dem Lowside-Schaltelement ein Strommesswiderstand 10 (Shunt) eingefügt wird. Dieser Strommesswiderstand 10 wird, solange das mit diesem verbundene Schaltelement leitend geschaltet ist, vom Strom der Last 12 (z. B. Motorinduktivität, Speicherdrossel, Transformator) durchflossen, wodurch dieser Strom aufgrund des am Strommesswiderstand 10 entstehenden Spannungsabfalls gemessen werden kann (siehe 1 für die Applikation bei einem Stepup/Stepdown-Konverter für die Abtastung eines Motors und 2 für einen Sperr- oder Durchflusswandler).
Im Betrieb schalten die Highside- und die Lowside-Schaltelemente 14, 16 gemäß 1 abwechselnd leitend, wodurch (im Fall der Halbbrücke) einmal Versorgungsspannung und einmal Masse an der angeschlossenen (Motor-)Induktivität anliegen. Geht man von näherungsweise konstanter Spannung am nachgeschalteten Filterkondensator oder kurzzeitig konstanter Motorgegenspannung und vernachlässigbarem Innenwiderstand der (Motor-)Induktivität und der Schaltelemente aus und vernachlässigt man Sättigungseffekte, so wird der Stromverlauf durch diese Induktivität dreieckförmig. Von diesem dreieckförmigen ansteigenden und abfallenden Strom, welcher zumeist mit einem Gleichanteil überlagert ist, ist je nach Stromflussrichtung im Strommesswiderstand 10 (, weil dieser entweder abgeschaltet oder aufgeschaltet wird,) entweder nur die ansteigende oder abfallende Rampe sichtbar (siehe 3, in der der Motorspulenstrom als durchgezogene Linie und der Strom durch den Strommesswiderstand 10 als gestrichelte Linie dargestellt ist).
Der Momentanstrom in der zeitlichen Mitte eines Messzeitintervalls (z. B. eines Schalteransteuer-Pulses) entspricht dabei genau dem mittleren Strom durch die Motorinduktivität. Dieser Messwert, welcher von der eingestellten Pulsbreite unabhängig ist, wird in der hier beispielhaft beschriebenen Applikation der Erfindung für die Regelung von Wechselrichtern für bürstenlose Servomotoren verwendet.
Um eine akzeptable Effizienz des Systems zu erreichen, ist ein möglichst niederohmiger Strommesswiderstand zu bevorzugen, da hierdurch der durchfließende Strom eine möglichst kleine Verlustleistung erzeugt. Entsprechend klein ist aber auch der auswertbare Spannungsabfall. Neben der technischen Herausforderung, diesen kleinen Spannungsabfall zu verstärken, spielt die Fehlmessung aufgrund der parasitären Induktivität des Strommesswiderstands bei kleinen Widerständen bereits eine nicht mehr vernachlässigbare Rolle. Selbst oberflächenmontierbare niederohmige Leistungswiderstände besitzen bereits parasitäre Induktivitäten im Bereich 1 bis etwa 10 nH. Stromänderungen im Bereich von 1 A/μs verursachen hier Spannungsabfälle von 1 mV oder mehr, was in der gleichen Größenordnung wie der Spannungsabfall durch den eigentlichen Messstrom liegt und damit die Messung erheblich verfälscht. 4 zeigt den Spannungsabfall am Strommesswiderstand, wenn dieser einen Innenwiderstand von 1 mΩ und eine Induktivität von 1 nH aufweist. Dabei ist der ideale Spannungsverlauf am rein resistiven Anteil als gestrichelt und der tatsächliche Spannungsabfall, der aus ohmschem Widerstand und parasitärer Induktivität resultiert, als durchgezogene Linie dargestellt.
Anhand des Diagramms der 4 können zwei Effekte beobachtet werden. Ein erster Effekt betrifft das starke Überschwingen im Umschaltmoment, was aufgrund der schnellen Stromänderung beim Schalten einen hohen Spannungsabfall an der Induktivität des Messwiderstandes erzeugt. Dieser Effekt ist aber schnell abgeklungen und wird nach dem Stand der Technik dadurch umgangen, dass zu diesen Zeitpunkten das Signal verworfen wird. Darüber hinaus finden sich in der Praxis aufgrund von Umschalteffekten durch die verwendeten, dann nicht mehr idealen Schaltelemente nach den Umschaltpunkten noch zusätzliche Störungen, welche das Messsignal weiter verschlechtern.
Der zweite Effekt, welcher auffällt, ist ein Offset. Dieser entsteht durch den sich rampenförmig ändernden Strom an der parasitären Induktivität des Messwiderstandes. Somit wäre das Messsignal nicht nur vom eigentlichen Strom, sondern auch von dessen Änderung abhängig, die aber meist nicht genau bekannt ist, weil die Parameter der angeschlossenen (Motor-)Induktivität einer Fertigungsserienstreuung, einer Temperatur- und auch einer Stromabhängigkeit unterliegen, was eine Modellierung erschwert.
Im Folgenden wird ein Verfahren oder alternativ eine Anordnung beschrieben, welche den Messfehler durch den zusätzlichen stromänderungsabhängigen Spannungsabfall durch den Messwiderstand mit geringem Aufwand und ohne Kenntnis der angeschlossenen Induktivität kompensieren kann.
Für die weitere Beschreibung soll ohne Beschränkung der Allgemeinheit genau der (ideale) Abtast- bzw. Messzeitpunkt betrachtet werden, bei dem der momentane Strom gleich dem mittleren Strom durch die Induktivität innerhalb eines Messintervalls entspricht. Dieser Strom fließt zu den zeitlichen Mittelpunkten der Messintervalle (z. B. Schalteransteuer-Pulse) und wird im Folgenden als I₀ bezeichnet.
Unter den oben getroffenen Annahmen der konstanten Gegenspannung sowie der Ausführung von Spule und Schaltelementen ohne ohmsche Anteile beträgt der Strom um diesen Zeitpunkt herum: I(t) = I₀ + dI / dTt
Die Spannung am Strommesswiderstand setzt sich aus dessen resistiven und induktiven Anteilen zusammen: U_R = I(t)·R + dI / dT·L_R = I₀·R + dI / dT·t·R + dI / dT·L_R
Es zeigt sich, dass eine dem korrekten Messwert entsprechende Spannung gewonnen werden kann, wenn die Abtastung des Signals zu einem bezüglich der Mitte des Pulses (Messintervalls) vorverlegten Zeitpunkt stattfindet. Dieser Zeitpunkt ist dann gegeben, wenn sich die beiden von der Spannungsänderung abhängigen Terme der vorherigen Gleichung zu null kompensieren: U_RseiI₀·R ⇒ dI / dT·t·R + dI / dT·L_R = 0
Die Abtastung muss daher um die Zeitspanne
verschoben werden. Kenntnisse über die angeschlossene (Motor-)Induktivität sind für die Kompensation nicht erforderlich. 5 zeigt das Ergebnis der zeitlichen Verschiebung. Die Kurve des resitiven Anteils der Messspannung und damit das eigentlich gewünschte Signal (siehe durchgezogene Line) und die verschobene Gesamtmessspannung (siehe gestrichelte Linie) liegen innerhalb des Messintervalls deckungsgleich übereinander.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, die Gruppenlaufzeit eines Tiefpassfilters 18 (siehe 1 und 2) in der Auswerteschaltung zur Auswertung des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand so zu wählen, dass die Summe aus Gruppenlaufzeit und benötigter Verschiebungszeit zu null wird, so dass als Abtast- und dann Messzeitpunkt weiterhin die Puls- bzw. Messintervallmitte genutzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich beispielsweise zur Kompensation von Offset-Messspannungen nutzen, die sich an den parasitären Induktivitäten von Strommesswiderständen beispielsweise bei Invertern bei bürstenlosem Servomotoren ergeben. Dabei gilt, dass andere Offset erzeugende Quellen bzw. Störungen ausgeschlossen bzw. bekannt sind (beispielsweise ein potentieller Offset eines Messverstärkers o. dgl.). Ganz allgemein lässt sich die Erfindung unter anderem auch in der Robotik einsetzen, und zwar bei der Ansteuerung von bürstenlosen Servomotoren. Eine weitere Anwendung ist bei Schaltnetzteilen denkbar bzw. ganz allgemein bei geschalteten Lastinduktivitäten.

Claims

Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes (10) auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist, wobei bei dem Verfahren – der Verlauf des Spannungsabfalls über einem von dem zu vermessenden Strom mit dem obigen Zeitverlauf durchflossenen Widerstand ermittelt wird, der einen rein ohmschen Widerstandswert aufweist, welcher gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes (10) ist, – wobei der ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls von dem sich über dem Strommesswiderstand (10) einstellenden, messtechnisch erfassten Verlauf des Spannungsabfalls um einen aus der parasitären Induktivität resultierenden Offset abweicht und – wobei der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls soweit vorverlegt wird, bis der messtechnisch erfasste Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) im Wesentlichen gleich dem ermittelten Verlauf des Spannungsabfalls über dem Widerstand mit rein ohmschem Anteil, der gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes ist, und damit um den Offset kompensiert ist.
Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes (10) auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist, wobei bei dem Verfahren – die parasitäre Induktivität und der ohmsche Anteil des Strommesswiderstandes (10) ermittelt oder bereitgestellt werden und – der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls um eine Zeitspanne vorverlegt wird, die gleich dem Quotienten aus dem Wert der Induktivität und dem Wert des ohmschen Anteils des Strommesswiderstandes (10) ist, wodurch der messtechnisch ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) um den aus seiner parasitären Induktivität resultierenden Offset kompensiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der messtechnisch erfasste Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand (10) mittels eines Tiefpassfilters (18) gefiltert wird, das eine Gruppenlaufzeit aufweist, wobei der Messzeitpunkt um die Größe der Gruppenlaufzeit verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefpassfilter (18) und/oder der Strommesswiderstand (10) derart gewählt wird/werden, dass die Gruppenlaufzeit im Wesentlichen gleich der Zeitspanne ist, um die der Messzeitpunkt zwecks Kompensation des Offset vorzuverlegen ist.