DE19908635A1 - Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand eines Laststromkreises - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker, dem der Spannungsabfall am Meßwiderstand zuführbar ist und am Ausgang ein dem zu erfassten Strom proportionales Ausgangssignal abgibt. Die Strommessung wird von der Offsetspannung des Operationsverstärkers dadurch unabhängig gemacht, dass der Meßwiderstand in einen zusätzlichen Spannungsteiler einbezogen ist, an dem bei abgeschaltetem Laststromkreis eine Steuerspannung für den Operationsverstärker abgreifbar ist, die größer ist als dessen maximale Offsetspannung, dass die dabei auftretende Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einen Mikrocomputer zugeführt ist, der diese Ausgangsspannung dem Stromwert Null durch den Spannungsabfall am Meßwiderstand die Steuerspannung am Operationsverstärker ansteigt und der Mikrocomputer ein der Spannungserhöhung proportionales Ausgangssignal abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker, dem der Spannungsabfall am Meßwiderstand zuführbar ist und der am Ausgang ein dem erfassten Strom proportionales Ausgangssingal abgibt.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der EP 0 184 609 A1 bekannt. Bei dieser be­ kannten Anordnung ist der Meßwiderstand thermisch mit einem weiteren Wider­ stand gekoppelt. Beide Widerstände haben gleiche Materialeigenschaften und sind so miteinander gekoppelt, daß sich ihre Widerstandswerte über die gesamte Kopplungslänge nicht ändern, wenn die Widerstände als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildet sind. Die Widerstände sind an einen Operationsverstär­ ker als Vergleichsstufe angeschaltet, die am Ausgang ein dem erfassten Strom proportionales Ausgangssignal abgibt.

Mit dieser bekannten Anordnung ist eine mehr oder weniger gute Temperatur­ kompensation der Strommessung vornehmbar. Die Meßgenauigkeit ist jedoch in vielen Fällen nicht ausreichend, da der verwendete Operationsverstärker gerade im Bereich kleiner Steuerspannungen zu falschen Ergebnissen bei der Strom­ messung führt.

In der Kraftfahrzeugtechnik wird z. B. bei Gebläsereglern eine möglichst genaue Strommessung benötigt, um bei Überlast- bzw. Überstromfällen ein genaues Grenzkriterium ermitteln zu können. Davon ist zudem die Auslegung der Verka­ belung, der Steckkontakte, der Sicherungen, die Maximalbelastung der Lichtma­ schine und die Auslegung des Gebläsemotors betroffen.

Die größten Fehlereinflüsse bei der Strommessung mit Meßwiderstand im Last­ stromkreis mit nachgeschaltetem Operationsverstärker zur Verstärkung des Nutzsignalhubes ist in erster Linie der Offset des Operationsverstärkers. Als weitere Fehlereinflüsse kommen die Temperaturdrift des Meßwiderstandes und dessen Widerstandstoleranz in Betracht.

Bei typischen Operationsverstärkern für Kraftfahrzeug-Anwendungen beträgt die maximale Offsetspannung 3 mV bis 10 mV. Bei Meßwiderständen von 4 mΩ bis 20 mΩ beträgt die Fehlmessung aufgrund des Offsetfehlers daher 0,15 A bis 2,5 A.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der die Strommessung ohne Offsetfehler ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Meßwiderstand in einen zusätzlichen Spannungsteiler einbezogen ist, an dem bei abgeschalte­ tem Laststromkreis eine Steuerspannung für den Operationsverstärker abgreifbar ist, die größer ist als dessen maximale Offsetspannung, dass die dabei auftre­ tende Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einem Mikrocontroller oder ASIC zugeführt ist, der diese Ausgangsspannung dem Stromwert Null durch den Meßwiderstand zuordnet, und dass bei geschlossenem Laststromkreis durch den Spannungsabfall am Meßwiderstand die Steuerspannung am Operationsverstär­ ker ansteigt und der Mikrocomputer oder ASIC ein der Spannungserhöhung pro­ portionales Ausgangssignal abgibt.

Mit der so gewählten Ansteuerung des Operationsverstärkers wird bei abge­ schaltetem Laststromkreis ein definierter Ausgangszustand für den Stromwert Null geschaffen. Die dabei auftretende Ausgangsspannung am Operations­ verstärker kann durch den nachgeschalteten Mikrocomputer dem Stromwert Null zugeordnet und in seinem Ausgangssignal entsprechend berücksichtigt werden. Dieser Ausgangswert am Operationsverstärker kann leicht ermittelt und abge­ speichert werden.

Die Anordnung ist besonders vorteilhaft mit einem Mikrocomputer mit inte­ griertem Analog-Digital-Wandler darstellbar.

Nach einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Spannungsabfall am Meßwiderstand und die Steuerspannung für den Operationsverstärker positives Potential aufweisen und dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers zuführbar sind und dass der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers durch einen zweiten Spannungsteiler vorgebbar ist, dessen einer Widerstand den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Minus-Eingang verbindet und dessen anderer Widerstand vom Minus-Eingang zum Bezugspotential führt. Damit wird eine Aus­ gangskennlinie mit positiver Steigung erreicht. Durch andere Beschaltung des Operationsverstärkers kann auch eine Ausgangskennlinie mit negativer Steigung eingestellt werden.

Selbstverständlich kann der Meßwiderstand bei der erfindungsgemäßen An­ ordnung auch durch eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte realisiert sein.

Ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass in der Nähe des Meßwi­ derstandes ein Bauteil mit temperaturabhängiger Kennlinie angeordnet und die Temperatur des Meßwiderstandes erfaßbar ist und daß in Abhängigkeit der erfaßten Temperatur, d. h. Widerstandswert des Bauteils, der Mikrocomputer den Widerstandswert des Meßwiderstandes entsprechend korrigiert und ein tem­ peraturkompensiertes Ausgangssignal abgibt, dann ist die Temperaturdrift des Meßwiderstandes auf einfache Art durch Software kompensierbar. Der Wider­ standswert des Meßwiderstandes kann dabei über den bekannten Temperatur­ koeffizienten korrigiert werden. Der Einfluß der Temperatur auf den Meßwert ist dann minimiert.

Die Temperaturkompensation kann jedoch auch so vorgenommen werden, dass der Mikrocomputer oder ASIC die aufgrund der entstehenden Verlustleistung im Meßwiderstand auftretende Temperaturerhöhung und Widerstandsänderung mit­ tels einer produktspezifischen Kennlinie kompensietz ist. Das temperatur­ abhängige Bauteil kann dann entfallen.

Die Toleranz des Meßwiderstandes läßt sich dadurch eliminieren, dass der Mikro­ computer oder ASIC mit integriertem veränderbaren Datenspeicher versehen ist, daß bei definierten Betriebsverhältnissen der tatsächliche Widerstandswert des Meßwiderstandes über den Verstärkungsfaktor des Operationsverstärker und dessen Ausgangsspannung ermittelbar ist und daß der Unterschied zwischen dem Widerstandsnennwert und dem Widerstandsistwert oder ein entsprechender Korrekturfaktor in den Datenspeicher eingebbar und vom Mikrocomputer zur Abgabe eines toleranzkompensiertem Ausgangssignals verwertbar ist.

Bei der Warenausgangsprüfung wird unter definierten Betriebsverhältnissen die Anordnung betrieben. Bei dieser Prüfung kann aus der entstehenden Ausgangs­ spannung am Operationsverstärker und dessen bekanntem Verstärkungsfaktor der tatsächliche Widerstandswert des Meßwiderstandes ermittelt werden. Der Unterschied vom Widerstandsnennwert zum Widerstandsistwert oder ein ent­ sprechender Korrekturfaktor kann in den Datenspeicher des Mikrocomputers ein­ geschrieben werden und bei der Abgabe eines toleranzkompensierten Ausgangs­ signals am Mikrocomputer berücksichtigt werden. Dies macht einen Wider­ standsabgleichvorgang in der Anordnung (Hardwareabgleich) überflüssig.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spieles näher erläutert.

Wie die Zeichnung zeigt, umfaßt der Laststromkreis eine Reihenschaltung aus Elektromotor M, Schalter S und Meßwiderstand Ro, die von einer Batteriespan­ nung UBatt gespeist wird. Im Ausgangszustand ist der Schalter S geöffnet, so daß über den Elektromotor M ein Strom I = OA fließt.

Der Meßwiderstand Ro ist mit den Widerständen R1 und R2 in einen zusätz­ lichen Spannungsteiler einbezogen, der von einer stabilisierten Spannung Vcc gespeist ist. Daher steht auch im Ausgangszustand, d. h. Auschaltzustand des Laststromkreises, eine Steuerspannung Uo am Plus-Eingang des Operations­ verstärkers OV. Diese Steuerung Uo ist größer als die maximale Offsetspannung des Operationsverstärkers OV, so daß am Ausgang derselben eine definierte Ausgangsspannung Ua steht. Ein zweiter Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 bestimmt den Verstärkungsfaktor R3/(R3+R4) des Operationsver­ stärkers OV und damit bei der Steuerspannung Uo die entsprechend vergrößerte Ausgangsspannung Ua. Der Widerstand R3 verbindet den Ausgang des Opera­ tionsverstärkers OV mit seinem Minus-Eingang und der Widerstand R4 führt vom Minus-Eingang zum Bezugspotential (Masse).

Dor Ausgangsspannung Ua gelangt auf einen nachgeschalteten Mikrocomputer (Mikrocontroller, ASIC oder dgl.) µC mit integriertem Analog-Digital-Wandler und mit integriertem veränderbaren Datenspeicher. Dieser Mikrocomputer µC kann so eingestellt sein, daß er bei der Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers OV mit seiner Ausgleichsspannung Uac den Stromwert Null anzeigt.

Wird der Schalter S des Laststromkreises geschlossen, dann fließt ein Strom I im Laststromkreis, der zu einem erhöhten Spannungsabfall Us am Meßwiderstand Ro führt. Die Ausgangsspannung Ua am Operationsverstärker OV folgt propor­ tional dieser Spannungsänderung und der Mikrocomputer µC kann ein dem An­ stieg des Spannungsabfalles Us am Meßwiderstand Ro proportionales, digitales oder analoges Ausgangssignal Uac zur Steuerung des Schalters S abgeben. Es kann somit ein maximal oder minimal zulässiger Strom durch den Motor M eingestellt werden.

Da die Anordnung einen Mikrocomputer µC aufweist, kann über entsprechende Software auch eine Temperatur- und Toleranzkompensation ausgeführt werden. So kann in der Nähe des Meßwiderstandes Ro ein temperaturabhängiges Bauteil angeordnet werden, dessen Widerstandswert dem Mikrocomputer µC zugeführt wird und so ein der Temperatur und der Widerstandsänderung des Meßwider­ standes Ro entsprechendes Signal zur Verfügung stellt, mit dem der Mikro­ computer µC eine Temperaturkompensation durchführen kann. Ist der Tempe­ raturkoeffizent des Meßwiderstandes Ro bekannt, dann kann im Datenspeicher des Mikrocomputers µC auch eine produktspezifische Kennlinie gespeichert sein, die zur Temperaturkompensation, die aufgrund der Erwärumung des Meßwider­ standes durch den durchfließenden Strom erforderlich wird, verwendet werden kann.

Ist der Datenspeicher veränderbar, dann kann in einem Prüfvorgang bei vor­ gegebenen Betriebsverhältnissen der tatsächliche Widerstandswert des Meß­ widerstandes Ro ermittelt und ein entsprechender Korrekturfaktor abgespeichert werden, der zur Toleranzkompensation verwendet wird, ohne einen Wider­ standsabgleich vornehmen zu müssen.

Claims (9)

1. Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker, dem der Spannungs­ abfall am Meßwiderstand zuführbar ist und am Ausgang ein dem erfassten Strom proportionales Ausgangssingal abgibt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Meßwiderstand (Ro) in einen zusätzlichen Spannungsteiler (R1, R2) einbezogen ist, an dem bei abgeschaltetem Laststromkreis eine Steuerspannung (Uo) für den Operationsverstärker (OV) abgreifbar ist, die größer ist als dessen maximale Offsetspannung (z. B. 3 mV bis 10 mV), dass die dabei auftretende Ausgangsspannung (Ua) des Operationsver­ stärkers (OV) einem Mikrocomputer oder ASIC (µC) zugeführt ist, der diese Ausgangsspannung (Ua) dem Stromwert Null durch den Meßwider­ stand (Ro) zuordnet, und
dass bei geschlossenem Laststromkreis durch den Spannungsabfall (Us) am Meßwiderstand (Ro) die Steuerspannung (Uo) am Operationsver­ stärker (OV) ansteigt und der Mikrocomputer oder ASIC (µC) eine der Spannungserhöhung proportionales Ausgangssignal (Uac) abgibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Spannungsteiler (R1, R2) mit dem Meßwiderstand (Ro) von einer stabilisierten Spannung (Vcc) gespeist ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall (Us) am Meßwiderstand (Ro) und die Steuer­ spannung (Uo) für den Operationsverstärker (OV) positives Potential auf­ weisen und dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers (OV) zuführbar sind.

4. Anordnung nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers (OV) durch einen zweiten Spannungsteiler (R3, R4) vorgebbar ist, dessen einer Widerstand (R3) den Ausgang des Operationsverstärkers (OV) mit dem Minus-Eingang verbindet und dessen anderer Widerstand (R4) vom Minus-Eingang zum Bezugspotential (Masse) führt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocomputer (µC) mit integriertem Analog-Digital-Wandler ein­ gesetzt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßwiderstand (Ro) durch eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte realisiert ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Meßwiderstandes (Ro) ein Bauteil mit temperaturab­ hängiger Kennlinie (z. B. ein NCT) angeordnet und die Temperatur des Meßwiderstandes (Ro) erfaßbar ist und dass in Abhängigkeit der erfaßten Temperatur, d. h. dem erfaßten Wi­ derstandswert des Bauteils, der Mikrocomputer oder ASIC (µC) den Widerstandswert des Meßwiderstandes (Ro) entsprechend korrigiert und ein temperaturkompensiertes Ausgangssignal (Uac) abgibt.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer (µC) die aufgrund der entstehenden Verlust­ leistung im Meßwiderstand (Ro) auftretende Temperaturerhöhung und Wi­ derstandsänderung mittels einer produktspezifischen Kennlinie kompen­ siert.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer (µC) mit einem integrierten veränderbaren Daten­ speicher versehen ist,
dass bei definierten Betriebsverhältnissen der tatsächliche Widerstands­ wert des Meßwiderstandes (Ro) über den Verstärkungsfaktor des Opera­ tionsverstärker (OV) und dessen Ausgangsspannung (Ua) ermittelbar ist und
dass der Unterschied zwischen dem Widerstandsnennwert und dem Wi­ derstandsistwert oder ein entsprechender Korrekturfaktor in den Daten­ speicher eingebbar und vom Mikrocomputer (µC) zur Abgabe eines tole­ ranzkompensierten Ausgangssignals (Uac) verwertbar ist.