DE19746349A1

DE19746349A1 - Arrangement for detecting the mean current flowing through a load with an inductive component

Info

Publication number: DE19746349A1
Application number: DE1997146349
Authority: DE
Inventors: Peter Sinn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 1999-05-06

Abstract

The load (1) is connected through a square wave controlled semiconductor switch (4) of a low setting controller. A current proportional signal (UT) and an auxiliary signal are fed to an integrator (8). The auxiliary signal is derived by interrupting the integrator output voltage during the periods when the current is not equal to zero. The output voltage of the integrator provides a measure of the mean current

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines durch eine Last mit induktivem Anteil, insbesondere einen Gleichstrommotor, fließenden mittleren Stroms, wobei die Last über einen pulsierend gesteuerten Halbleiterschalter eines Tiefsetzstellers an eine Betriebsspannung angeschlossen ist.The invention relates to an arrangement for detecting a by a load with an inductive component, especially one DC motor, flowing medium current, the Load via a pulsed semiconductor switch of a buck converter to an operating voltage connected.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere bei batteriebetriebenen Elektrowerkzeugen, wird ein Gleichstrommotor mit Hilfe eines Tiefsetzstellers bezüglich der Drehzahl und/oder des Drehmoments gesteuert. Dabei ist häufig eine Messung des Motorstroms erforderlich, beispielsweise zur Begrenzung des abgegebenen Drehmomentes oder zum Abschalten des Antriebs bei unzulässig hoher Stromaufnahme. Bei bekannten Anordnungen wird der Motorstrom dadurch erfaßt, daß in Reihe mit dem Motor ein Strommeßwiderstand angeordnet ist, dessen Spannungsabfall entsprechend ausgewertet wird. Durch den Strommeßwiderstand entstehen jedoch erhebliche Kosten. Ferner wird ein Teil der zugeführten Leistung verbraucht.In a variety of applications, particularly in battery powered power tools, will DC motor with the help of a buck converter regarding the speed and / or the torque controlled. It is measurement of the motor current is often required, for example to limit the torque delivered or to switch off the drive at an impermissibly high level Power consumption. In known arrangements, the motor current thereby detected that in series with the engine Current measuring resistor is arranged, the voltage drop is evaluated accordingly. Through the current measuring resistor however, there are considerable costs. Furthermore, part of the supplied power consumed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Erfassung eines durch eine Last mit induktivem Anteil, insbesondere einen Gleichstrommotor, fließenden mittleren Stroms ohne Benutzung eines Strommeßwiderstandes in der Zuleitung der Last anzugeben.The object of the present invention is an arrangement for detection of a load with an inductive component, especially a DC motor, flowing middle Current without using a current measuring resistor in the Specify supply line of the load.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dem Strom durch den Halbleiterschalter proportionales Signal und ein Hilfssignal einem Integrator zuführbar sind, daß das Hilfssignal durch Unterbrechen der Ausgangsspannung des Integrators während derjenigen Zeiten, in denen der Strom durch den Halbleiterschalter nicht null ist, ableitbar ist und daß die Ausgangsspannung des Integrators den mittleren Strom kennzeichnet.This object is achieved in that a signal proportional to the current through the semiconductor switch and an auxiliary signal can be fed to an integrator that the Auxiliary signal by interrupting the output voltage of the Integrators during those times when the current is not zero by the semiconductor switch, can be derived and that the output voltage of the integrator is the middle one Electricity.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann derart ausgebildet sein, daß der Integrator invertierend ausgebildet ist und daß die Ausgangsspannung des Integrators zur Bildung einer dem mittleren Strom proportionalen Spannung invertiert wird und/oder daß der Integrator von einem Operationsverstärker mit einem Kondensator im Gegenkopplungszweig gebildet ist.The arrangement according to the invention can be designed such that the integrator is inverted and that the Output voltage of the integrator to form a dem mean current proportional voltage is inverted and / or that the integrator is from an operational amplifier is formed with a capacitor in the negative feedback branch.

Für eine unipolare Spannungsversorgung, d. h. mit nur einer Betriebsspannung gegen Masse, ist eine Ausgestaltung der Erfindung besonders gut geeignet, die darin besteht, daß der Integrator als Differenz-Integrator ausgebildet ist.For a unipolar power supply, i.e. H. with only one Operating voltage to ground, is an embodiment of the Invention particularly well suited, which is that the Integrator is designed as a differential integrator.

Neben der Einsparung des Strommeßwiderstandes hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß sie in einfacher Weise als integrierte Schaltung ausgebildet werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch für andere Lasten als Gleichstrommotore verwendet werden. In addition to saving the current measuring resistor Arrangement according to the invention the advantage that it is easier Way can be formed as an integrated circuit. The The arrangement according to the invention can also be used for loads other than DC motors are used.

Für den Fall, daß die erfindungsgemäße Anordnung auch bei sehr kleinen Tastverhältnissen, insbesondere bei 0%, funktionsfähig sein soll, ist bei einer Weiterbildung vorgesehen, daß dem Kondensator ein Widerstand parallelgeschaltet ist. Dabei soll die an dem Widerstand und dem Kondensator gebildete Zeitkonstante der elektrischen Zeitkonstanten der Last etwa entsprechen.In the event that the arrangement according to the invention also at very small duty cycles, especially at 0%, is to be functional is in further training provided that the capacitor have a resistor is connected in parallel. The aim of the resistance and the time constant of the electrical formed the capacitor Time constants approximately correspond to the load.

Zur Ableitung des dem Strom durch den Halbleiterschalter proportionalen Signals sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, daß das dem Strom durch den Halbleiterschalter proportionale Signal aus einem einer zusätzlichen Elektrode des Halbleiterschalters entnommenen schwächeren Strom mit Hilfe eines Widerstandes ableitbar ist. Derartige Feldeffekttransistoren sind beispielsweise unter der Bezeichnung SENSEFET von der Firma Motorola erhältlich und in der Firmendruckschrift Motorola: "POWER MOSFET TRANSISTOR DATA", 1989, S. 2-9-1 bis 2-9-7 beschrieben.To derive the current through the semiconductor switch proportional signal are different options known. Preferably in the invention Arrangement provided that the current through the Solid state switch proportional signal from one additional electrode of the semiconductor switch removed weaker current can be derived with the help of a resistor is. Such field effect transistors are, for example under the name SENSEFET from Motorola available and in the company brochure Motorola: "POWER MOSFET TRANSISTOR DATA ", 1989, pp. 2-9-1 to 2-9-7 described.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß das dem Strom durch den Halbleiterschalter proportionale Signal und das Hilfssignal über je einen Widerstand dem invertierenden Eingang eines den Integrator bildenden Operationsverstärkers zuführbar ist, daß der Ausgang des Operationsverstärkers über einen zweiten Operationsverstärker mit einem Ausgang für die dem mittleren Strom proportionale Spannung verbunden ist und daß der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Widerstand mit einem Eingang eines dritten Operationsverstärkers verbunden ist, wobei der Eingang über einen weiteren Halbleiterschalter periodisch mit festem Potential verbindbar ist und daß der Ausgang des dritten Operationsverstärkers das Hilfssignal führt.An advantageous embodiment of the invention The arrangement is that the current through the Semiconductor switch proportional signal and the auxiliary signal the inverting input of a resistor the operational amplifier forming the integrator can be supplied is that the output of the operational amplifier via a second operational amplifier with an output for the average current proportional voltage is connected and that the output of the operational amplifier through a resistor with an input of a third operational amplifier is connected, the input via another Semiconductor switch periodically with fixed potential is connectable and that the output of the third Operational amplifier carries the auxiliary signal.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are in the drawing represented with several figures and in the following Description explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 1 is a block diagram of an arrangement according to the invention,

Fig. 2 eine bekannte Anordnung, Fig. 2 shows a known arrangement,

Fig. 3 Zeitdiagramme der bei der bekannten Anordnung auftretenden Ströme und Spannungen, Fig. 3 time diagrams of the currents and voltages which occur in the known arrangement,

Fig. 4 ein ausführlicheres Schaltbild eines Ausführungsbeispiels, Fig. 4 is a more detailed schematic diagram of an embodiment

Fig. 5 Zeitdiagramme von bei der Anordnung nach Fig. 4 auftretenden Signalen und Spannungen und Fig. 5 shows time diagrams of the arrangement according to Fig. 4 and signals voltages that occur and

Fig. 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels. Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 6 is a circuit diagram of another embodiment. Identical parts are provided with the same reference symbols in the figures.

Bei der bekannten Einrichtung nach Fig. 2 wird ein Gleichstrommotor 1 bei einem Tiefsetzsteller aus einer bei 2, 3 zugeführten Batteriespannung U_B betrieben. Der Tiefsetzsteller besteht aus einem Halbleiterschalter 4, vorzugsweise einem Feldeffekttransistor, und einer Freilaufdiode 5. In Reihe mit dem Gleichstrommotor 1 ist ein Strommeßwiderstand 6 geschaltet.In the known device according to FIG. 2, a DC motor 1 is operated with a step-down converter from a battery voltage U _B supplied at 2 , 3 . The buck converter consists of a semiconductor switch 4 , preferably a field effect transistor, and a free-wheeling diode 5. A current measuring resistor 6 is connected in series with the DC motor 1 .

Der Halbleiterschalter 4 wird mit Rechteckimpulsen u_S (Fig. 3, Diagramm c) gesteuert, deren Frequenz beispielsweise 10 kHz beträgt und deren Tastverhältnis je nach gewünschter Drehzahl eingestellt wird. Es ergibt sich dann der Strom i_T durch den Transistor 4, der während der leitenden Phase, wie aus Fig. 3, Diagramm b ersichtlich, ansteigt. Zusätzlich ist als gestrichelte Linie noch der mittlere Strom I_T durch den Transistor dargestellt, der nicht dem mittleren Strom I_M entspricht.The semiconductor switch 4 is controlled with rectangular pulses u _S ( FIG. 3, diagram c), the frequency of which is, for example, 10 kHz and the pulse duty factor is set according to the desired speed. This then results in the current i _T through the transistor 4 , which increases during the conducting phase, as can be seen in FIG. 3, diagram b. In addition, the average current I _T through the transistor is shown as a dashed line, which does not correspond to the average current I _M.

Während der leitenden Phase erhält der Gleichstrommotor 1 seinen Strom über den Transistor 4, während der Sperrphase des Transistors 4 sorgt die in dem induktiven Anteil des Gleichstrommotors 1 gespeicherte Energie für einen weiteren Stromfluß durch die Freilaufdiode 5, wobei der Strom abfällt, was aus Fig. 3, Diagramm a ersichtlich ist. Es ergibt sich der für das Drehmoment maßgebende mittlere Strom I_M, während am Strommeßwiderstand 6 eine sich dreieckförmig ändernde Spannung u_iM meßbar ist.During the conducting phase, the DC motor 1 receives its current via the transistor 4 , during the blocking phase of the transistor 4 , the energy stored in the inductive portion of the DC motor 1 ensures a further current flow through the freewheeling diode 5 , the current falling, which is shown in FIG. 3, diagram a can be seen. The result is the mean current I _M which is decisive for the torque, while a triangularly changing voltage u _{iM can be} measured at the current measuring resistor 6 .

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist kein Strommeßwiderstand in Reihe mit dem Gleichstrommotor 1 vorgesehen. Der Halbleiterschalter 4' gibt über einen separaten Ausgang 10 einen Strom i_sT ab, der proportional zum Strom I_T, jedoch größenordnungsmäßig kleiner als dieser ist.In the embodiment of FIG. 1, no current measuring resistor is provided in series with the DC motor 1 . The semiconductor _switch 4 'outputs a current i _sT via a separate output 10, which current is proportional to the current I _T , but is of an order of magnitude smaller than this.

Der Strom i_sT bewirkt an einem Widerstand 11 einen Spannungsabfall u_T, der proportional zum Strom durch den Transistor ist. Der Verlauf der Spannung ist in Fig. 5, in Diagramm a dargestellt. Diese Spannung wird einem Subtrahierer 7 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Integrators 8 verbunden ist. Die Ausgangsspannung U_M des Integrators wird über einen Multiplizierer 9 dem Subtrahierer 7 zugeleitet. Der Multiplizierer 9 erhält das negierte Schaltsignal u_s, das als binäres Signal die Werte 0 und 1 einnehmen kann, so daß der Multiplizierer 9 als Zerhacker arbeitet. Damit entsteht am Ausgang 18 des Integrators 8 eine Spannung U_M, welche die Größe des Motorstroms I_M darstellt. The current i _sT causes a voltage drop u _T across a resistor 11 which is proportional to the current through the transistor. The course of the voltage is shown in Fig. 5, in diagram a. This voltage is fed to a subtractor 7 , the output of which is connected to the input of an integrator 8 . The output voltage U _{M of} the integrator is fed to the subtractor 7 via a multiplier 9 . The multiplier 9 receives the negated switching signal u _s , which can assume the values 0 and 1 as a binary signal, so that the multiplier 9 works as a chopper. This creates a voltage U _M at the output 18 of the integrator 8 , which represents the magnitude of the motor current I _M.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel in ausführlicherer Darstellung, bei dem als Halbleiterschalter ein N-Kanal-Feldeffekttransistor 24 verwendet wird, der neben den üblichen Elektroden S, D und G eine Sensorelektrode 25 aufweist, die einen dem Drain-Source-Strom i_T proportionalen Strom i_sT abgibt. Über einen Widerstand 26 wird hieraus eine entsprechende Spannung gewonnen. Da die Source-Elektrode S des Feldeffekttransistors 24 nicht auf Massepotential liegt, sondern mit der Motorspannung veränderlich ist, wird der Spannungsabfall am Widerstand 26 mit einem Differenzverstärker 27 erfaßt. Fig. 4 shows an embodiment in more detailed representation is used in which the semiconductor switch is a N-channel field effect transistor 24, which has in addition to the conventional electrodes S, D and G is a sensor electrode 25, having a drain-source current proportional i _T Current i _sT delivers. A corresponding voltage is obtained from this via a resistor 26 . Since the source electrode S of the field effect transistor 24 is not at ground potential, but is variable with the motor voltage, the voltage drop across the resistor 26 is detected with a differential amplifier 27 .

Das Ausgangssignal u_T des Differenzverstärkers ist dann proportional zum Strom i_T. Es wird über einen Widerstand 12 dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 13 zugeführt, der über einen Kondensator 14 und gegebenenfalls einen Widerstand 15 gegengekoppelt ist. Der Ausgang 18 des Operationsverstärkers 13 führt die Spannung u_I, die mit Hilfe eines weiteren Operationsverstärkers 28 und zweier Widerstände 29, 30 invertiert wird, so daß am Ausgang 31 eine Spannung u_A zur Verfügung steht, die proportional zum Motorstrom I_M ist.The output signal u _{T of} the differential amplifier is then proportional to the current i _T. It is fed via a resistor 12 to the inverting input of an operational amplifier 13 , which is negative-coupled via a capacitor 14 and possibly a resistor 15 . The output 18 of the operational amplifier 13 carries the voltage u _I , which is inverted with the aid of a further operational amplifier 28 and two resistors 29 , 30 , so that a voltage u _A is available at the output 31 which is proportional to the motor current I _M.

Die Ausgangsspannung u_I des Operationsverstärkers 13 wird ferner über einen Widerstand 32 einem dritten Operationsverstärker 33 zugeführt, der als Impedanzwandler mit der Verstärkung v = 1 geschaltet ist. Der Operationsverstärker 33 bildet zusammen mit einem als Schalter dargestellten weiteren Transistor 34 den Multiplizierer bzw. Zerhacker 16 (Fig. 1). Das somit entstandene Hilfssignal u_H wird über den Widerstand 17 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 13 zugeleitet. The output voltage u _{I of} the operational amplifier 13 is also fed via a resistor 32 to a third operational amplifier 33 which is connected as an impedance converter with the gain v = 1. The operational amplifier 33 forms, together with a further transistor 34 shown as a switch, the multiplier or chopper 16 ( FIG. 1). The resulting auxiliary signal u _H is fed via the resistor 17 to the inverting input of the operational amplifier 13 .

Fig. 5 zeigt verschiedene Signale und Spannungen, die in der Anordnung nach Fig. 4 auftreten. So ist beispielsweise in den Diagrammen a und b das Signal u_T dargestellt und die Ausgangsspannung u_I des Integrators. In Diagramm c folgt das Hilfssignal u_H, wobei die Amplitude der einzelnen Impulse -U_M beträgt. Die Diagramme d und e zeigen das Schaltsignal u_S, das dem Transistor 24 zugeführt wird und das negierte Schaltsignal u_S, das den Transistor 34 steuert. In Diagramm f ist die Spannung u_A = U_M am Ausgang 31 angedeutet. FIG. 5 shows various signals and voltages that occur in the arrangement according to FIG. 4. For example, diagrams a and b show the signal u _T and the output voltage u _{I of} the integrator. In diagram c the auxiliary signal u _H follows, the amplitude of the individual pulses being -U _M. The diagrams d and e show the switching signal u _S , which is fed to the transistor 24 and the negated switching signal u _S , which controls the transistor 34 . The voltage u _A = U _M at the output 31 is indicated in diagram f.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird ein nichtinvertierender Differenz-Integrator verwendet, der aus einem Operationsverstärker 35, Widerständen 36, 37, 40, 41 und zwei Kondensatoren 38, 39 besteht. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 entfällt eine anschließende Invertierung. Die Bildung und Rückführung des Signals u_H erfolgt wie bei Fig. 4. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere zur unipolaren Spannungsversorgung geeignet.In the embodiment according to FIG. 6, a non-inverting differential integrator is used which consists of an operational amplifier 35, resistors 36, 37, 40, 41 and two capacitors 38, composed. 39 Compared to the exemplary embodiment according to FIG. 4, there is no subsequent inversion. The signal u _H is generated and _{fed back} as in FIG. 4. This exemplary embodiment is particularly suitable for the unipolar voltage supply.

Claims

1. An arrangement for detecting a through a load (1) with an inductive component, in particular a DC motor, fluid medium stream, wherein the load (1) (4 ', 24) of a step-down converter is connected to an operating voltage for a pulsating controlled semiconductor switch, characterized characterized in that a signal proportional to the current through the semiconductor switch ( 4 ', 24 ) and an auxiliary signal can be fed to an integrator ( 8 ; 13 , 14 ; 35 to 39 ), that the auxiliary signal by interrupting the output voltage of the integrator ( 8 ; 13 , 14 ; 35 to 39 ) can be derived during those times in which the current through the semiconductor switch ( 4 ', 24 ) is not zero and that the output voltage of the integrator ( 8 ; 13 , 14 ; 35 to 39 ) characterizes the average current .

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the integrator ( 13 , 14 ) is inverted and that the output voltage of the integrator ( 13 , 14 ) is inverted to form a voltage proportional to the average current.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the integrator is designed as a differential integrator ( 35 to 39 ).

4. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the integrator is formed by an operational amplifier ( 13 ) with a capacitor ( 14 ) in the negative feedback branch.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the capacitor ( 14 ), a resistor ( 15 ) is connected in parallel.

6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the current through the semiconductor switch ( 24 ) proportional signal from an additional electrode ( 25 ) of the semiconductor switch ( 24 ) withdrawn weaker current can be derived with the aid of a resistor ( 26 ).

7. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the current through the semiconductor switch ( 4 ', 24 ) proportional signal and the auxiliary signal via a resistor ( 12 , 17 ) to the inverting input of an operational amplifier forming the integrator ( 13 ) it can be supplied that the output ( 18 ) of the operational amplifier ( 13 ) is connected via a second operational amplifier ( 28 ) to an output ( 31 ) for the voltage proportional to the mean current and that the output ( 18 ) of the operational amplifier ( 13 ) is connected via a resistor ( 32 ) to an input of a third operational amplifier ( 33 ), the input being periodically connectable to a fixed potential via a further semiconductor switch ( 34 ) and the output of the third operational amplifier ( 33 ) carrying the auxiliary signal.