DE3708892C2

DE3708892C2 - Strommeßeinrichtung, insbesondere zur Bestimmung des Motorstroms eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE3708892C2
Application number: DE3708892A
Authority: DE
Inventors: Bertold Dipl Ing Gruetzmacher; Helmut Dipl Ing Meyer
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2007-03-20
Also published as: GB8805725D0; JPS63252264A; FR2612644B1; JPH071283B2; FR2612644A1; US4851763A; GB2202338A; GB2202338B; DE3708892A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Strommeßeinrichtung mit Ausregelung der Nullpunktdrift eines berührungslos arbeitenden Stromsensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Strommeßeinrichtungen, die eine potentialfreie Messung eines Gleich- und Wechselstroms ermöglichen, sind beispielsweise berührungslose Stromwandler, die das Magnetfeld des Meßstroms sensieren und dessen Stärke, z.B. mit Hall-Effekt-Sensoren in elektrische Signale umwandeln. Dabei wird in der Regel eine sehr kleine, dem Meßstrom entsprechende Spannung erzeugt, die elektronisch verstärkt wird.

Eine Meßeinrichtung dieser Art ist beispielsweise ein Stromwandler der Serie IB-5000 M der Firma Cunz, Frankfurt. Bekanntlich weisen solche Stromwandler einen Null-Offset-Strom auf, der ein gewisses Driftverhalten zeigt. So entsteht beispielsweise durch Temperaturänderung, Alterung oder Schwankung der Versorgungsspannung eine solche Nullpunktdrift. Diese verfälscht, auch wenn sie gering ist, das Meßergebnis wegen des relativ kleinen Nutzsignals erheblich. Es ist zwar möglich, z. B. eine temperaturbedingte Nullpunktsdrift mit entsprechenden Schaltungen oder Bauelementen zu kompensieren, wenn der Zusammenhang zwischen Temperatur und Verschiebung bekannt ist. Dies ist jedoch in der Regel aufwendig; wegen der Materialstreuungen ist bei jedem Exemplar ein neues Justieren erforderlich. Eine Kompensation der Nullpunktsdrift, die alle Fehlereinflüsse berücksichtigt, war deshalb bisher nicht möglich.

Aus der EP 01 31 718 A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung eines Erdschlusses in der Rotorwicklung einer elektrischen Maschine bekanntgeworden. Bei dieser Einrichtung wird über mindestens einen vornehmlich als Ringkernwandler ausgebildeten Stromwandler der von einer in eine Erdleitung geschalteten und an die Rotorwicklung kapazitiv angekoppelten Verlagerungsspannungsquelle im Erdschlußfall eingeprägte Erdstrom sowohl in dieser Erdleitung als auch im Erregerkreis erfaßt. Diese Einrichtung dient dazu, einen selektiven Rotor-Erdschlußschutz zu schaffen.

Aus dem Zeitschriftenartikel "Amplitudenmeß- und Kontrolleinrichtung für Signale niedriger Frequenz", Schröter K., Radio-Fernsehen-Elektronik 31 (1982), Heft 7, Seite 455-457, 464 wird eine Amplitudenmeß- und Kontrolleinrichtung für Signale niedriger Frequenz beschrieben. Um vom mittleren Potential des Eingangssignals unabhängig zu sein, werden für den positiven und den negativen Extremwert des Sginals getrennte Analogspeicher eingesetzt. Anschließend wird in einem Differenzverstärker der Spitze-Spitze-Wert gebildet und dessen Abweichung von einem positiven Nenn-Referenzwert festgestellt. Insbesondere werden die Zeitpunkte der Extremwerte ermittelt und daraus Übernahmesignale zur Amplitudenregelung gewonnen. Die den Nulldurchgang markierenden Rücksetzsignale werden zeitlich symmetrisch zu den Extremwerten gesetzt. Diese zeitliche Mittelwertbildung ist problematisch, da sie stets voraussetzt, daß die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit gleich groß sind. Eine Nullpunktsdrift läßt sich mit der in dieser Entgegenhaltung beschriebenen Einrichtung nicht ausschließen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer Strommeßeinrichtung bei der eine Nullpunktsdrift, die aufgrund beliebiger Störeinflüsse entsteht, kompensiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Vorteil dieser Anordnung ist die völlig selbständige Ausregelung der Nullpunktdrift, die eine Vorjustierung oder einen Abgleich überflüssig macht. Außerdem ist es möglich, eine Nullpunktdrift auszuregeln, die nicht nur von einer einzigen Störgröße verursacht wird, sondern deren Ursache in beliebigen Störgrößen zu suchen ist. So können beispielsweise schnelle Änderungen der Störgrößen, die durch Schwankungen der Versorgungsspannung auftreten, sowie sehr langsam ablaufende Änderungen der Störgrößen, beispielsweise durch Alterung, ausgeregelt werden.

Die Strommeßeinrichtung findet beispielsweise Anwendung in einem Vier-Quadranten-Leistungssteller. Die Steuerelektronik bei solchen Stellgliedern befindet sich normalerweise nicht auf dem Potential, auf dem sich die Leistungshalbleiter befinden, insbesondere dann, wenn die Leistungshalbleiter mit dem Netz verbunden sind. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Laststromstärke mit einer isolierten Meßeinrichtung, wie sie diese Strommeßeinrichtung darstellt, zu erfassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Schaltungsaufbau eines Vier-Quadranten-Gleichstromstellers;

Fig. 2 den Zeitverlauf des Motorspulenstroms;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der Nullpunktsdrift.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Schaltung eines über Transistoren geschalteten Vier-Quadranten-Gleichstromstellers mit ohmsch-induktiver Last dargestellt. Eine hier nicht dargestellte Steuerschaltung schaltet die Transistoren 1 bis 4 derart, daß Ströme mit wechselnder Richtung durch die Motorspule 5, die mit dem Widerstand 6 behaftet ist, fließen. Den Transistoren 1 bis 4 sind Freilaufdioden 7-10 parallelgeschaltet. Ein Strom i_L(t) durch die Motorspule 5 in Pfeilrichtung wird dadurch erzeugt, daß die Transistoren 1 und 4 durchgeschaltet sind. Ein Strom in Gegenrichtung wird durch Einschalten der Transistoren 2 und 3 gebildet. Zum Messen des Stroms ist eine Strommeßeinrichtung 11 vorgesehen, die in bekannter Weise berührungslos, beispielsweise mit einem Hall-Sensor, den Eingangsstrom i(t) mißt.

Zur Erzeugung eines bestimmten Motormoments wird der Spulenstrom getaktet, d.h. die Schalttransistoren 1 bis 4 werden mit einer bestimmten Frequenz angesteuert.

Fig. 2a zeigt den Zeitverlauf des Motorstroms i_L(t), während in Fig. 2b der Zeitverlauf des Eingangsstroms i(t) dargestellt ist. Befinden sich die Schalttransistoren 1 und 4 im angesteuerten Zustand, dann steigt der Motorstrom i_L ausgehend vom Zeitpunkt t₀ durch die Induktivität bedingt, verzögert an, bis zum Abschaltzeitpunkt t_1. Nach dem Abschalten fließt er durch die Freilaufdioden 8 und 10 weiter und klingt ab bis die Schalttransistoren wieder angesteuert (Zeitpunkt 2) oder bis er den Betrag Null erreicht hat. Der Eingangsstrom i(t) zeigt gemäß Fig. 2b zum Zeitpunkt t₁ seinen positiven Spitzenwert und wechselt im Ausschaltzeitpunkt seine Richtung und wird nunmehr in das Netz zurückgespeist. Der Übergang vom positiven zum negativen Eingangsstrom oder umgekehrt erfolgt sprunghaft, dies bedeutet, daß bei richtig eingestellter Offsetspannung der Strommeßeinrichtung 11 die positive und die negative Flanke des Stromsignals i_s(t) zum Zeitpunkt t₁ betragsgleich sind. Eine Abweichung von dieser Betragsgleichhalt kann also als Maß für die Nullpunktsverschiebung der Meßeinrichtung dienen. Der Meßwert i_s(t) des Eingangsstroms wird als Regelgröße für die Regelung des Motors benutzt oder angezeigt. Mittels einer geeigneten Schaltung kann die Differenz der beiden Spitzenwerte des Eingangsstromssignals i_s(t) festgestellt werden, und mit einer nachgeschalteten Regelschaltung kann die Offsetspannung bzw. die Nullpunktsdrift des Strommessers so beeinflußt werden, daß die Differenz kleiner als ein vorgegebener Maximalwert wird.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der Nullpunktsdrift. Der Eingangsstrom i(t) wird mit dem Sensor 12 der Strommeßeinrichtung 11 erfaßt und über die Vorwiderstände 13, 14 einem Verstärker 15 als Meßsignale zugeführt. Das Ausgangssignal i_s(t) des Verstärkers 15 ist proportional dem Eingangsstrom i(t), wie er in Fig. 2b dargestellt ist. Aufgrund einer Offsetspannung des Sensors 12 kann dieses Ausgangssignal jedoch um einen bestimmten Betrag vom Nullpunkt verschoben sein. Dieses Ausgangssignal i_s(t) wird auf zwei Verstärker 16, 17 geschaltet, deren Ausgänge mit Dioden unterschiedlicher Durchflußrichtung versehen sind. Mit den Ausgängen der Dioden 18, 19 sind Kondensatoren 20, 21 verbunden, die mit ihrem freien Ende gemeinsam auf Masse gelegt sind. Die positiven Flanken des Stroms i_s bewirken ein Aufladen des Kondensators 20, während die negativen Flanken des Stroms i_s ein Aufladen des Kondensators 21 bewirken. Die Differenz der Ladespannungen der beiden Kondensatoren 20, 21 wird einem Komparator 22 zugeführt. Dieser bildet, je nach Vorzeichen der Differenzspannung, ein Ausgangssignal 0 oder 1, welches einem Zähler 23 zugeführt wird. Der Zähler 23 erhält über den Clockeingang 24 Impulse einer beliebigen Frequenz. Diese Impulse werden von dem Zähler, je nach Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22, auf- oder abgezählt. So bewirkt ein High-Pegel des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 22 ein Erhöhen des Ausgangszählerstandes, während ein Low-Pegel eine Verringerung des Ausgangszählerstandes bewirkt. Der Zählerstand liegt an den Ausgängen A, B, C, D des Zählers 23 an und wird über die Widerstände 25 bis 28 dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 29 zugeführt. Die Widerstände 25 bis 28 sind derart bemessen, daß, ausgehend von höherwertigen Ausgang die Widerstandswerte sich pro Ausgang um die Hälfte verringern. In Verbindung mit dem Verstärker 29 wird somit der Zählerstand des Zählers 23 in einen Korrekturwert umgewandelt, der am Ausgang des Verstärkers 29 ansteht und dem Meßsignal des Sensors 12 über den Widerstand 30 aufgeschaltet wird. Dieser Korrekturwert bewirkt eine Verschiebung des Ausgangssignals des Verstärkers 15 in der Weise, daß eine Nullpunktsymmetrie erreicht wird. Damit ist der gemessene Wert i_s(t) des Eingangsstroms i(t) nicht mehr durch eine Nullpunktdrift bzw. durch eine Offsetspannung fehlerbehaftet und ermöglicht somit eine sehr genaue Regelung des Motorstroms.

In vorteilhafter Weise können die dem Clockeingang 24 zugeführten Impulse aus den Ansteuersignalen für die Schalttransistoren 1 bis 4 abgeleitet werden. Damit wird sichergestellt, daß bei einem aussetzenden Taktbetrieb der Motoransteuerung der letzte Zählerstand an den Ausgängen des Zählers 23 bestehen bleibt und somit der letzte Korrekturwert auf einem konstanten Wert verharrt.

Um vor einem Anlaufen des Motors die Offsetspannung abzugleichen, ist es zweckmäßig, dem Clockeingang 24 des Zählers 23 Taktimpulse aufzuschalten, die solange den Korrekturwert verändern, bis das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 von Low auf High bzw. umgekehrt springt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Signal i_s(t) nullpunktsymmetrisch und damit der Abgleich beendet. Diese Maßnahme ist jedoch nur dann erforderlich, wenn gleich zu Beginn des Motorbetriebs eine absolut korrekte Messung des Motorstroms erforderlich ist.

Bezugszeichenliste

1 Schalt-Transistor
2 Schalt-Transistor
3 Schalt-Transistor
4 Schalt-Transistor
5 Motorspule
6 Widerstand
7 Freilaufdiode
8 Freilaufdiode
9 Freilaufdiode
10 Freilaufdiode
11 Strommeßeinrichtung
12 Sensor
13 Vorwiderstand
14 Vorwiderstand
15 Verstärker
16 Verstärker
17 Verstärker
18 Diode
19 Diode
20 Kondensator
21 Kondensator
22 Komparator
23 Zähler
24 Clockeingang
25 Widerstand
26 Widerstand
27 Widerstand
28 Widerstand
29 Verstärker
30 Widerstand

Claims

1. Strommeßeinrichtung mit Ausregelung der Nullpunktsdrift eines berührungslos arbeitenden Stromsensors, wobei eine diesem nachgeschaltete Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines dem Meßstrom proportionalen Ausgangssignals dient, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Leistungssteller für ohmsche-induktive Lasten der sprunghafte Übergang vom positiven zum negativen Eingangsstrom erfaßt und der Spitzenwert des Meßstsroms in positiver und negativer Richtung gemessen wird, daß eine Vergleichsschaltung (16-21) vorgesehen ist, welche die Differenz aus dem positiven und dem negativen Spitzenwert ermittelt, wobei diese Differenz ein Maß für die Nullpunktsdrift der Strommeßeinrichtung darstellt, und daß die Differenz der zwei Spitzenwerte einem Regler zugeführt wird, welcher einen Korrekturwert für die Nullpunktsdrift bildet.

2. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwerte gespeichert und die Mittelwerte der Spitzenwerte gebildet werden.

3. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen Komparator (22) aufweist, der das Vorzeichen der Differenz bildet und einen Zähler (23) aufweist, dessen Zählerrichtung durch das Vorzeichen bestimmt wird und dessen Zählerstand als Korrekturwert dient.

4. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nichtvorhandensein eines Signals des Differenzverstärkers (22), das von "low" auf "high" springt, der Zähler (23) in seinem Zustand verharrt.

5. Strommeßeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Vier-Quadranten-Leistungssteller (1-10) die Stromstärke dadurch variiert wird, daß eine Gleichspannung über Schalttransistoren (1 bis 4) mit hoher Frequenz und variablen Taktverhältnis an die Last geschaltet wird.

6. Strommeßeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Bestimmen des Motorstroms eines Gleichstrommotors.