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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zur Ansteuerung eines Elektromotors.
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Zum Betrieb eines Stromrichters ist es notwendig, in den Elektromotor fließende Ansteuerströme zu messen. Hierzu werden herkömmlich beispielsweise dedizierte Shunt-Widerstände verwendet, über die ein jeweiliger Ansteuerstrom geführt wird, wobei eine sich am jeweiligen Shunt-Widerstand einstellende Spannung ein Maß für die Stromstärke des Ansteuerstroms ist. Alternativ werden herkömmlich Stromwandler bzw. magnetische Sensoren eingesetzt.
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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zur Ansteuerung eines Elektromotors, der eine möglichst einfache und zuverlässige Messung der Stromstärke eines oder mehrerer Ansteuerströme ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Stromrichter nach Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter, insbesondere in Form eines Frequenzumrichters oder Servoumrichters, dient herkömmlich zur Ansteuerung eines Elektromotors. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Der Stromrichter weist einen elektrischen Leiter auf, beispielsweise in Form einer Leiterbahn, über den ein Ansteuerstrom für den Elektromotor fließt bzw. geführt ist. Der elektrische Leiter ist hierbei kein herkömmlicher Shunt-Widerstand, der als diskretes Bauelement im Strompfad des Ansteuerstroms angeordnet ist.
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Der Stromrichter weist weiter eine Spannungsmesseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, einen Spannungsabfall auf dem elektrischen Leiter zu messen. Die Spannungsmesseinheit kann als herkömmlicher Spannungsmesser ausgebildet sein, wobei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen sei.
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Der Stromrichter weist weiter eine Referenzsignalerzeugungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den elektrischen Leiter mit einem Referenzsignal zu beaufschlagen. Das Referenzsignal kann beispielsweise ein Referenzstrom mit bekannter Stromstärke sein.
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Der Stromrichter weist weiter eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den gemessenen Spannungsabfall auf dem elektrischen Leiter zur Bestimmung einer Stromstärke des Ansteuerstroms auszuwerten. Bei bekanntem elektrischem Widerstand des elektrischen Leiters kann beispielsweise über den bekannten formelmäßigen Zusammenhang zwischen Stromstärke, elektrischem Widerstand und Spannung die Stromstärke einfach berechnet werden.
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In einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine Leiterplatte auf, wobei auf der Leiterplatte eine Leiterbahn vorgesehen ist, über die der Ansteuerstrom geführt ist, wobei die Leiterbahn den elektrischen Leiter bildet.
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In einer Ausführungsform weist der Stromrichter ein Leistungshalbleitermodul mit einem oder mehreren Leistungshalbleitern auf, wobei der elektrische Leiter Bestandteil des Leistungshalbleitermoduls ist. Das Leistungshalbleitermodul kann beispielsweise einen so genannten B6-Wandler bilden.
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In einer Ausführungsform ist die Referenzsignalerzeugungseinheit dazu ausgebildet, den elektrischen Leiter mit einem Referenzsignal in Form eines Referenzstroms, insbesondere mit bekannter Stromstärke, zu beaufschlagen. Der Referenzstrom kann dem Ansteuerstrom überlagert sein. Alternativ kann der Frequenzumrichter die Erzeugung des Ansteuerstroms unterbinden, während der Referenzstrom in den elektrischen Leiter eingeprägt wird.
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In einer Ausführungsform ist die Referenzsignalerzeugungseinheit dazu ausgebildet, den elektrischen Leiter mit dem Referenzsignal während sich wiederholender Zeitabschnitte zu beaufschlagen, insbesondere periodisch zu beaufschlagen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, einen mittels des Referenzsignals bewirkten bzw. von dem Referenzsignal erzeugten Spannungshub auf dem elektrischen Leiter zur Kalibrierung der Bestimmung der Stromstärke des Ansteuerstroms auszuwerten. Wenn das Referenzsignal beispielsweise ein Referenzstrom mit bekannter Stromstärke ist, kann basierend auf dem Wert des Spannungshubs der Widerstand des elektrischen Leiter berechnet werden. Auf diese Weise kann auch bei einer schleichenden Veränderung des Widerstands des elektrischen Leiters, beispielsweise aufgrund einer Temperaturänderung, eine temperaturunabhängige Strommessung sichergestellt werden.
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In einer Ausführungsform weist der Stromrichter eine Anzahl von Halbbrücken auf, beispielsweise drei Halbbrücken. Die Leiterbahn ist für diesen Fall zwischen einem Mittenanschluss einer der Halbbrücken und einem Phasenanschluss des Elektromotors eingeschleift.
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In einer Ausführungsform weist die Spannungsmesseinheit einen Delta-Sigma-Wandler auf, der dazu ausgebildet ist, den Spannungsabfall auf dem elektrischen Leiter in einen Bitstrom zu wandeln. Für diesen Fall kann die Auswerteeinheit ein Field Programmable Gate Array (FPGA) aufweisen, das dazu ausgebildet ist, den mittels des Delta-Sigma-Wandlers erzeugten Bitstrom zur Bestimmung der Stromstärke des Ansteuerstroms auszuwerten.
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Erfindungsgemäß wird anstelle eines dedizierten Shunt-Widerstandes zur Strommessung eine bereits vorhandene stromdurchflossene Leiterbahn oder beispielsweise ein bereits vorhandenes Leistungsmodul (beispielsweise dessen Emitter-/Hilfsemitter-Anschlüsse) als Strom-Sensor verwendet, die bzw. das einen bekannten und/oder messbaren Widerstand bzw. Innenwiderstand aufweist.
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Der Spannungsabfall an dem resultierenden Widerstand wird beispielsweise mittels eines A/D-Wandlers, beispielsweise in Form eines Delta-Sigma-Wandlers, erfasst und zur Bestimmung der Stromstärke des Ansteuerstroms verwendet.
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Da der Widerstand der stromdurchflossenen Leiterbahn bzw. des Leistungsmoduls temperatur- und/oder alterungsabhängig sein kann, kann dem zu messenden Ansteuerstrom wiederholt, beispielsweise periodisch wiederholt, ein Referenzsignal bzw. ein Referenzstrom überlagert werden. Um den Energiebedarf für dieses Referenzsignal gering zu halten, wird ein Tastverhältnis der periodischen Wiederholung gering gewählt, beispielsweise 1:1000 (20 µs Referenzsignal, 20 ms Pause). Das Referenzsignal wird in der Auswerteeinheit vom Nutzsignal getrennt und dient als Referenz für die Kalibrierung der zu messenden Stromstärke. Das Referenzsignal kann positive, negative oder beide Polaritäten aufweisen.
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Optional kann auch ein zweiter A/D Wandler bzw. Delta-Sigma-Wandler zusätzlich verwendet werden, der das Referenzsignal bzw. den Referenzstrom mittels eines Shunt-Widerstands misst. Somit ist es nicht zwingend notwendig, das Referenzsignal exakt und mit bekanntem Pegel zu erzeugen, da beispielsweise eine Drift in der Erzeugung dieses Signal vom zweiten Wandler gemessen wird und als Referenz für die Kalibrierung mit verwendet werden kann.
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Mittels der Erfindung können Kosten eingespart werden und verglichen mit der Verwendung von Stromwandlern zur Strommessung reduziert sich der notwendige Bauraum signifikant. Da bereits vorhandene Widerstände zur Strommessung verwendet werden, entsteht keine zusätzliche Verlustleistung durch die Verwendung zusätzlicher Shunt-Widerstände. Weiterhin ist es nicht notwendig, den Motor- bzw. Ansteuerstrom über ein dediziertes Bauteil (beispielsweise Shunt-Widerstand) oder durch ein Bauteil (beispielsweise Stromwandler) zu führen, so dass weniger Bauteile/Übergänge der Stromleiter vorhanden sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromrichters, der einen Elektromotor ansteuert.
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1 zeigt einen Stromrichter 1 in Form eines Frequenzumrichters, der herkömmlich zur Ansteuerung eines Drehstrom-Elektromotors 2 dient. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Der Stromrichter 1 weist einen elektrischen Leiter 3 auf, über den ein Ansteuerstrom IA für den Elektromotor 2 fließt. In 1 ist lediglich ein einzelner elektrischer Leiter 3 dargestellt, der elektrisch mit einem zugehörigen Phasenanschluss 10 des Elektromotors 2 verbunden ist. Es versteht sich, dass beispielsweise bei einem dreiphasigen Elektromotor 2 drei derartige Leiter vorhanden sein können, die elektrisch mit zugehörigen Phasenanschlüssen des Elektromotors 2 verbunden sind und deren Ströme, wie weiter unten exemplarisch für den elektrischen Leiter 3 beschrieben, ermittelt werden.
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Der Stromrichter 1 weist weiter eine Leiterplatte 7 auf, wobei auf der Leiterplatte 7 der elektrische Leiter 3 als Leiterbahn vorgesehen ist, über die der Ansteuerstrom IA geführt ist. Auf der Leiterplatte 3 sind selbstverständlich noch weitere, nicht dargestellte Bauelemente angeordnet, die zur Funktion des Stromrichters 1 notwendig sind.
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Der Stromrichter 1 weist weiter eine Spannungsmesseinheit mit einem bzw. in Form eines Delta-Sigma-Wandlers 4 auf, wobei die Spannungsmesseinheit 4 dazu ausgebildet ist, einen Spannungsabfall auf dem elektrischen Leiter 3 zu messen bzw. in einen Bitstrom umzuwandeln.
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Der Stromrichter 1 weist weiter eine Referenzsignalerzeugungseinheit 5 in Form einer steuerbaren Stromquelle auf, die dazu ausgebildet ist, den elektrischen Leiter 3 periodisch mit einem Referenzsignal in Form eines Referenzstroms IR mit definierter bzw. bekannter Stromstärke zu beaufschlagen, wobei der Referenzstrom IR einen pulsweitenmodulierten Verlauf mit einem vorgegebenen Tastverhältnis aufweist.
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Der Stromrichter 1 weist weiter eine Auswerteeinheit 6 in Form eines FPGA auf, die bzw. das dazu ausgebildet ist, den gemessenen Spannungsabfall auf dem elektrischen Leiter 3 zur Bestimmung einer Stromstärke des Ansteuerstroms IA auszuwerten. Hierzu wertet das FPGA 6 den mittels des Delta-Sigma-Wandlers 4 erzeugten Bitstrom aus und wandelt diesen beispielsweise in einen Spannungswert in digitaler Darstellung um.
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Die Auswerteeinheit 6 bzw. das FPGA kann dazu ausgebildet sein, die Referenzsignalerzeugungseinheit 5 anzusteuern. Alternativ kann hierfür eine nicht dargestellte Steuereinheit des Stromrichters 1 vorgesehen sein, die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet sein kann.
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Die Referenzsignalerzeugungseinheit 5 ist dazu ausgebildet, den elektrischen Leiter 3 mit dem Referenzstrom IR während sich wiederholender Zeitabschnitte ZA zu beaufschlagen, wobei die Auswerteeinheit 6 dazu ausgebildet ist, einen mittels des Referenzstroms IR bewirkten Spannungshub auf dem elektrischen Leiter 3 zur Kalibrierung der Bestimmung der Stromstärke des Ansteuerstroms IA auszuwerten. Die Referenzsignalerzeugungseinheit 5 kann beispielsweise alle 20 ms für 20 µs einen Strom von beispielswiese 10 A auf dem elektrischen Leiter 3 dem Ansteuerstrom IA überlagern, wobei für die verbleibende Zeitdauer kein Strom mittels der Referenzsignalerzeugungseinheit 5 auf dem elektrischen Leiter 3 überlagert wird. Anstelle einer Überlagerung des Referenzstroms IR kann der Referenzstrom IR auch eingeprägt werden, so dass der elektrische Leiter 3 ausschließlich den Referenzstrom IR führt.
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Der durch das Referenzsignal bzw. den Referenzstrom IR von hier exemplarisch 10 A bewirkte Spanungshub ist proportional zum elektrischen Widerstand des elektrischen Leiters 3, so dass basierend auf dem Spannungshub der elektrischen Widerstand des elektrischen Leiters 3 berechnet werden kann. Wenn der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters 3 bekannt ist, kann wiederum der Ansteuerstrom IA basierend auf dem Spannungsabfall auf dem elektrischen Leiter 3 bestimmt werden.
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Typisch sei davon ausgegangen, dass eine Stromstärke des Referenzstroms IR während der Zeitabschnitte ZA konstant und bekannt ist. Für den Fall, dass beispielsweise aufgrund von Alterung oder größeren Temperaturschwankungen die Stromstärke des Referenzstroms IR Schwankungen unterworfen ist, kann die Stromstärke des Referenzstroms IR während der Zeitabschnitte ZA mittels eines optionalen zweiten Delta-Sigma-Wandlers 11 und eines Shunt-Widerstands 12 gemessen werden, so dass der Widerstand des elektrischen Leiters 3 trotz eines Drifts des Referenzstroms IR exakt gemessen werden kann.
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Der Stromrichter 1 weist weiter drei herkömmliche Halbbrücken 8 auf, wobei aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung exemplarisch lediglich eine einzelne Halbbrücke 8 dargestellt ist. Die Halbbrücke(n) kann/können Bestandteil eines nicht näher dargestellten Leistungshalbleitermoduls sein. Die Halbbrücke 8 kann auf der Leiterplatte 7 angeordnet sein. Die Leiterbahn 3 ist zwischen einem Mittenanschluss 9 der dargestellten Halbbrücke 8 und dem zugehörigen Phasenanschluss 10 des Elektromotors 2 eingeschleift. Die Halbbrücke 8 und die nicht dargestellten Halbbrücken sind herkömmlich dazu ausgebildet, Ansteuerspannungen und/oder Ansteuerströme für den Elektromotor 2 derart zu erzeugen, dass sich eine gewünschte Drehzahl, ein gewünschtes Drehmoment, usw. einstellt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Die dargestellte Ausführungsform ermöglicht die Motorstrommessung in einem Frequenzumrichter/Servoumrichter, wobei ein bereits vorhandener elektrischer Leiter anstelle eines dedizierten Shunt-Widerstands als Sensor verwendet wird.
