DE69218854T2

DE69218854T2 - Laststromüberwachungstechnik

Info

Publication number: DE69218854T2
Application number: DE69218854T
Authority: DE
Inventors: Francesco Carobolante
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1991-08-16
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2012-08-15
Also published as: EP0528658A1; JPH05215784A; EP0528658B1; DE69218854D1; US5450520A

Description

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen in Schaltungen zum Fühlen bzw. Lesen von Lastströmen, und insbesondere auch Verbesserungen in Laststromfühlschaltungen, die bei mehreren Lastanwendungen zum Fühlen von Strömen verwendet werden können, wie etwa in vielphasigen DC-Motorsystemen oder dergleichen.
Informationen, die den Stromfluß in einer Last betreffen, sind häufig für verschiedene Einsätze angestrebt worden, z.B. bei der Strombegrenzung, bei der Übertragungssteuerung, der Fehlererfassung usw. Es ist üblicherweise wünschenswert, daß eine derartige Information ohne den Verbrauch bzw. die Verschwendung von Energie erhalten wird, die ansonsten für die Last bereitgestellt wird. Folglich werden derartige Informationen häufig durch verschiedene sich nicht überlagernde Verfahren erhalten. Zum Beispiel ist ein Weg für derartige Informationen in der Vergangenheit entwickelt worden, wobei das Magnetfeld, das durch den in den ausgewählten Leitern fließenden Strom induziert wird, abgetastet bzw. gemessen wird. Dieser Versuch ist jedoch für eine vernünftige Genauigkeit unvorteilhaft teuer. Ein anderer Weg, der verwendet worden ist, ist es, einen Widerstand oder ein anderes Element in Serie bzw. Reihe mit der Last einzufügen und die darüber entwickelte Spannung zu messen. Obwohl dieser Versuch weniger aufwendig ist als der erste, erfordert er den Aufwand von etwas Ausgangsenergie bzw. -leistung in dem Fühl- bzw. Meßelement.
Die Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung Nr. WO89/02671 offenbart eine Schaltung, in der eine Motoreingangsstrombegrenzung erzielt wird, indem der Spannungsabfall über einen Widerstand erfaßt bzw. gemessen wird. Das US-Patent Nr. 4,870,332 offenbart eine Schaltung, in der ein Strommeßwiderstand ein Rückkopplungssignal zum Betreiben einer Steuereinrichtung erzeugt, wobei die Steuereinrichtung den Stromfluß durch Transistoren eines Leistungstreibers regelt.
Andere Versuche, wie etwa die Verwendung eines Fühl- bzw. Meß-FET oder über eine Stromspiegelung, sind ebenfalls bekannt. Ein allgemeiner Versuch besteht in dem Einfügen eines Widerstandes in Serie bzw. Reihe mit dem Netzteil bzw. der Leistungszufuhr (üblicherweise an dem Erdpotentialanschluß und dem Messen der darüber entwickelten Spannung. Dieser Versuch ist bei vielen Lastsystemen, wie etwa Lasten von Motoren mit mehreren Spulen bzw. Wicklungen, in denen eine oder mehr Wicklungen bzw. Spulen in Serie zu einer gegebenen Zeit erregt werden, verwendet worden. Ein Beispiel dieses Versuches wird in Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt, schaltet eine FET-Schaltschaltung 10 eine Spannung von Vcc über ausgewählte Wicklungen bzw. Spulen eines Motors 12 auf das Erdpotential. Ein Stromfühl- bzw. Meßwiderstand 13 ist in Serie zwischen der Schaltschaltung 10 und dem Erdpotential angeschlossen. Die Spannung über den Widerstand 13 zeigt den Strom an, der durch die Last, d.h. die ausgewählten Wicklungen bzw. Spulen des Motors 12, fließt. Dieser Versuch hat jedoch auch den Nachteil, daß er einen Teil der für den Motor verfügbaren Leistung bzw. Energie verschwendet.
Die Technik, die in Motortreiberschaltungen eingesetzt worden ist, verwendet mehrere Meßwiderstände, die jeweils in Serie mit einem oder mehreren der Treibertransistoren sind. Eine derartige Schaltung verwendet z.B. vier Transistoren, die in zwei seriellen Wegen angeschlossen sind, wobei jeder serielle Weg einen Meßwiderstand enthält. Der Motor ist zwischen Anschlußknoten von jedem Weg angeschlossen, und die Transistoren werden geschaltet, um Stromwege durch den Motor zur Verfügung zu stellen, die abwechselnd einen ersten Transistor von einem Weg und einen zweiten Transistor von dem anderen enthalten. Die Spannungsabfälle von jedem Widerstand werden durch einen Differenzverstärker verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, um die Vorspannung an den Treibertransistoren zu berichtigen. Jedoch erfordert ein derartiges System getrennte Widerstände für jeden seriellen Weg und erfordert komplexere Vergleichsschaltungen, falls mehr als zwei Stromwege eingesetzt werden.
Unter Berücksichtigung des obigen ist es deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Erfassen bzw. Messen von Strom zu einer Last zur Verfügung zu stellen, die die Verlustbeeinträchtigungen der der Last zuzuführenden Energie bzw. Leistungen minimiert.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung der beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die zum Messen von Strom zu mehreren Lastsystemen, wie etwa Motoren mit mehreren Spulen bzw. Windungen, vielphasigen DC-Motoren oder dergleichen verwendet werden kann.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Messen des Laststroms der beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die eine einzige Meßeinrichtung für mehrere Lastsysteme verwenden kann, und die die erforderliche Kompliziertzeit der verbundenen Laststrommeßschaltung verringert.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zum Messen bzw. Fühlen von Strom zu einer Last zur Verfügung gestellt, die einen Treibereingang hat, die aufweist, eine Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung, die in einen seriellen Weg zwischen einem Anschlußknoten und dem Treibereingang für die Zufuhr eines Ausgangsstroms zu der Last angeschlossen ist, und ein Fühl- bzw. Meßelement, das an den Anschlußknoten zum Fühlen bzw. Messen des der Last von der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung zugeführten Stroms angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Vortreiberschaltung enthält, die in einem Serienweg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen ist, und daß das Fühl- bzw. Meßelement in einen Serienweg zwischen dem Anschlußknoten und der Spannungsquelle angeschlossen ist.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Treiberschaltung zur Verfügung gestellt, um eine Last zu treiben, die mehrere Treibereingänge hat, die aufweist, mehrere Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen, die jeweils zwischen einem gemeinsamen bzw. allgemeinen Anschlußknoten und einem jeweiligen der mehreren Treibereingänge angeschlossen sind, und ein Fühl- bzw. Meßelement, das an den allgemeinen bzw. gemeinsamen Anschlußknoten angeschlossen ist, gekennzeichnet durch mehrere Vortreiberschaltungen, die jeweils in einen Serienweg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement einer jeweiligen der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen angeschlossen sind und dadurch, daß das Fühl- bzw. Meßelement zwischen dem allgemeinen bzw. gemeinsamen Anschlußknoten und der Spannungsquelle angeschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen eines Stroms zu einer Last zur Verfügung gestellt, das aufweist, daß eine Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung, die zum Übergeben eines Ausgangsstroms an eine Last vorgesehen ist, daß ein Fühl- bzw. Meßelement zur Verfügung gestellt ist, das in einem Serienweg zu der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen ist und die Spannung über das Fühl- bzw. Meßelement mißt, wodurch die Spannung den Strom zu der Last anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren auch eine Vortreiberschaltung zur Verfügung stellt, die in einem Serienweg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen ist, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Meß- bzw. Fühlelement zwischen der Leistungs- bzw. Energieübergabeschaltung und der Spannungsquelle angeschlossen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Fühl- bzw. Meßelement zur Verfügung, das in der Treiberschaltung angeordnet ist, so daß sie keine übermäßige Energie verschwenden wird, die ansonsten der Last zugeführt werden würde. Insbesondere ist die Erfindung besonders gut für die Verwendung in Schaltungen geeignet, in denen die Treiber in einer Pseudo-Darlington-Konfiguration angeschlossen sind. (Der Ausdruck "Pseudo-Darlington"- Konfiguration wird hier verwendet, um einen Transistoranschluß anzudeuten, in dem der Kollektor eines Transistors an die Basis des anderen angeschlossen ist, um eine PNP- Transistorstruktur mit äquivalent hoher Verstärkung zu bilden.) In derartigen Schaltungen wird, obwohl ein geringer Spannungsabfall über das Fühl- bzw. Meßelement auftreten kann, der Spannungsabfall die Funktion des Treibers nicht übermäßig verschlechtern, da sein Gesamspannungsabfall, wenn er leitet, durch die Basis-Emitter-Spannung des NPN-Transistors (der nicht gesättigt werden kann) und die Sättigungsspannung des PNP-Transistors begrenzt ist.
Folglich stellt die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren zur Verfügung, um den einer Last oder mehreren Lasten, wie etwa einem vielphasigen DC- Motor, zugeführten Strom zu fühlen bzw. zu messen, ohne die zugeführte Energie wesentlich zu verschwenden. Das Verfahren wird durch eine Schaltung realisiert, die eine Vortreiberschaltung und eine Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung für jede Last, wie etwa jeweilige Spulen bzw. Wicklungen oder Spulenkombinationen eines derartigen Motors, enthält. Die Vortreiberschaltung ist in einem seriellen Weg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen und die Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung ist zwischen einem Anschlußknoten und einer jeweiligen der Lasten angeschlossen. Ein Meß- bzw. Fühlelement ist in einem Serienweg bzw. seriellen Weg zwischen der Spannungsquelle und dem Anschlußknoten der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fühl- bzw. Meßelement ein Widerstand, die Vortreiberschaltung ist ein PNP-Transistor und die Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung ist ein NPN- Transistor. Die PNP- und NPN-Transistoren sind angeschlossen, um ein Pseudo-Darlington-Transistorpaar zu bilden, wobei die Kollektoren der NPN-Transistoren untereinander verbunden sind, um es einem einzigen Fühl- bzw. Meßwiderstand zu ermöglichen, zur Erfassung des Stroms in jeder der Lasten verwendet zu werden.
Auch wird eine Motortreiberschaltung vorgestellt, die eine Laststrommeßschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einbezieht.
Die Erfindung wird in den begleitenden Darstellungen wiedergegeben, in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm der Elektrik einer Schaltung nach dem Stand der Technik ist, um eine Mehrfachmotorlast anzutreiben, wobei ein Stromerfassungswiderstand in einer Erdungsleitung dargestellt wird.
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm der Elektrik ist, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, in der ein Fühl- bzw. Meßelement in einer Ausgangstreiberschaltung vorgesehen ist.
Fig. 3 ein schematisches Diagramm der Elektrik einer Schaltung ist, das eine Art zur Herstellung des Meß- bzw. Fühlkonzepts nach Fig. 2 zeigt.
In den verschiedenen Figuren der Darstellungen werden gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird in den Fig. 2 und 3 dargestellt, auf die nun Bezug genommen wird. In Fig. 2 ist eine Laststrommeßtechnik in Verbindung mit mehreren Lasttreiberschaltungen gezeigt. Insbesondere sind mehrere Lasttreiberschaltungen 20, 21, ... 22 gezeigt. Jeder Abschnitt ist gleichermaßen aufgebaut und enthält jeweils eine Vortreiberschaltung 30, 31, ... 32 und eine Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung 40, 41, ... 42. Jede Vortreiberschaltung empfängt einen jeweiligen Eingang IN(1), IN(2), ... IN(n) und ist zwischen einer Spannungszufuhr und einem Steuerelement (nicht gezeigt) einer jeweiligen einen der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen 40, 41, ... 42 angeschlossen, um den durch die Energiebzw. Leistungsübergabeschaltungen 40, 41, ... 42 fließenden Strom zu steuern.
Jede der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen 40, 41, ... 42 ist auf einer Seite an einem gemeinsamen Knoten 48 und auf der anderen an eine Last angeschlossen, wobei jede einen jeweiligen Lastausgangsstrom OUT(1), OUT(2), ... OUT(n) zur Verfügung stellt. Die Lastausgangsströme OUT(1), OUT(2), ... OUT(n) können an gewünschte Lasten, beispielsweise jeweiligen Spulenwindungsanschlüssen eines (nicht gezeigten) vielphasigen DC-Motors oder einer anderen Last angeschlossen werden.
Ein Fühl- bzw. Meßelement 49 ist zwischen der Spannungszufuhr und dem gemeinsamen Knoten 48 angeschlossen. Das Meß- bzw. Fühlelement 49 kann eine Einrichtung, wie etwa ein Widerstand, sein, über der eine Spannung entstehen kann, aus der der Stromfluß durch sie bestimmt werden kann. Wenn folglich Strom durch irgendeine der Leistungsübergabeschaltungen 40, 41, ... 42 fließt, kann er durch die Spannung an dem Fühl- bzw. Meßelement 49 erfaßt bzw. gemessen werden.
Eine Schaltung, durch die die Schaltung nach Fig. 2 realisiert werden kann, ist in Fig. 3 gezeigt. Die Schaltung kann z.B. bei der Bereitstellung einer Antriebsleistung für einen dreiphasigen DC-Motor verwendet werden, und enthält, wie gezeigt, die Vortreiberschaltungen 30, 31 und 32, von denen jede ein PNP-Transistor 50, 51 und 52 sein kann, und jede der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen 40, 41 und 42, die jeweils ein NPN-Transistor 60, 61 und 62 sein können, ist als Pseudo-Darlington-Transistorpaare angeschlossen. Folglich ist der Emitter-Kollektor- Pfad oder -Weg der PNP-Transistoren 50, 51 und 52 zwischen eine Spannungsquelle Vcc und die Basis der jeweiligen NPN- Transistoren 60, 61 und 62 angeschlossen. Die Eingangssignale IN(1), IN(2) und IN(3) sind an die jeweiligen Basen der PNP-Transistoren 50, 51 und 52, wie gezeigt, angeschlossen.
Die Kollektoren von jedem der NPN-Transistoren 60, 61 und 62 sind an den gemeinsamen Knoten 48 angeschlossen und die jeweiligen Emitter übergeben die Ausgangssignale OUT(1), OUT(2) und OUT(3).
Schließlich ist ein Widerstand 80 zwischen dem gemeinsamen Knoten 48 und Vcc, wie gezeigt, angeschlossen, über den eine Spannung erzeugt wird, wenn Strom durch irgendeinen der Energie- bzw. Leistungsübergabetransistoren 60, 61 und 62 fließt. Es wird vorzuziehen sein, daß der Widerstand 80 klein ausgebildet werden kann, so daß kaum eine bemerkenswerte Energie bzw. Leistung absorbiert werden kann, die ansonsten der Last (den Lasten) bei OUT(1), OUT(2) und OUT(3) übergeben werden würde. Es sollte auch bemerkt werden, daß aufgrund der Schaltungskonfiguration nur ein einziger Widerstand erforderlich ist, um es zu ermöglichen, den Laststrom zu erfassen bzw. zu messen.

Claims

1. Schaltung zur Erfassung des Stroms zu einer Last mit einem Treibereingang (OUT&sub1;), die aufweist: eine Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung (40), die in einem seriellen Weg bzw. Serienweg zwischen einem Anschlußknoten und dem Treibereingang (OUT&sub1;), um einen Ausgangsstrom der Last zuzuführen, angeschlossen ist; und ein Fühl- bzw. Meßelement (49), das an den Anschlußknoten zur Erfassung des der Last von der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung übergebenen Stroms angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Vortreiberschaltung (30) enthält, die in einem Serienweg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen ist, und daß das Fühl- bzw. Meßelement (49) in einem Serienweg zwischen den Anschlußknoten und der Spannungsquelle angeschlossen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, in der die Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung (40) einen Transistor (60) aufweist, um der Last den Ausgangsstrom zu übergeben, und daß die Vortreiberschaltung (30) einen Transistor (50) aufweist, der in einem Serienweg zwischen der Spannungsquelle und dem Steuerelement des Energie- bzw. Leistungsübergabetransistors angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, in der der Energie- bzw. Leistungsübergabetransistor (60) ein NPN-Transistor ist und der Vortreibertransistor (50) ein PNP-Transistor ist, die angeschlossen sind, um ein Pseudo-Darlington-Transistorpaar zu bilden, wobei eine Basis des PNP-Transistors angeschlossen ist, um ein Eingangssteuersignal (IN&sub1;) zu empfangen.

4. Schaltung nach Anspruch 3, in der der PNP-Transistor (50) eine Vorspannung an dem NPN-Transistor (60) aufrechterhält, um den NPN-Transistor daran zu hindern, in die Sättigung einzutreten.

5. Treiberschaltung zum Betreiben einer Last, die mehrere Treibereingänge hat, die aufweist:

mehrere Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen (40, 41, 42), die jeweils zwischen einem gemeinsamen Anschlußknoten und einem jeweiligen der mehreren Treibereingänge (OUT&sub1;, OUT&sub2;, OUTn) angeschlossen sind; und

ein Fühl- bzw. Meßelement (49), das an den gemeinsamen Anschlußknoten angeschlossen ist, gekennzeichnet durch mehrere Vortreiberschaltungen (30, 31, 32), die jeweils an einen Serienweg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement einer jeweiligen der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen angeschlossen sind, und dadurch, daß das Fühl- bzw. Meßelement zwischen dem gemeinsamen Anschlußknoten und der Spannungsquelle angeschlossen ist.

6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, in der die Last ein Motor ist, der mehrere Eingänge (OUT&sub1;, OUT&sub2;, OUTn) hat, und wobei jede Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung (40, 41, 42) an schaltbare Übergabeausgangsströme zu den Eingängen des Motors angeschlossen ist, und wobei die jeweiligen Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen in einer Serien- bzw. Reihenschaltung mit dem Fühl- bzw. Meßelement (49) angeschlossen sind.

7. Treiberschaltung nach Anspruch 6, in der jede der Vortreiberschaltungen (30, 31, 32) einen PNP-Transistor (50, 51, 52) aufweist, wobei jede der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltungen (40, 41, 42) einen NPN-Transistor (60, 61, 62) aufweist, wobei die PNP- und NPN-Transistoren angeschlossen sind, um Pseudo-Darlington-Transistorpaare zu bilden.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, in der der Motor, der mehrere Eingänge (0UT&sub1;, OUT&sub2;, OUTn) hat, ein vielphasiger DC-Motor ist.

9. Schaltung nach irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, in der das Fühl- bzw. Meßelement (49) ein Widerstand ist.

10. Verfahren zum Erfassen bzw. zum Messen eines Stroms zu einer Last, das aufweist:

eine Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung (40) wird vorgesehen, die angeschlossen ist, um der Last einen Ausgangsstrom zu übergeben, wobei ein Fühl- bzw. Meßelement (49) vorgesehen ist, das in einem seriellen Weg bzw. Serienweg zu der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen ist; und

die Spannung über das Fühl- bzw. Meßelement wird gemessen, wodurch die Spannung den Strom zu der Last anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren auch eine Vortreiberschaltung (30) zur Verfügung stellt, die in einem seriellen Weg bzw. Serienweg zwischen einer Spannungsquelle und einem Steuerelement der Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung angeschlossen ist,

und dadurch gekennzeichnet, daß das Meß- bzw. Fühlelement zwischen der Leistungs- bzw. Energieübergabeschaltung und der Spannungsquelle angeschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt zur Bereitstellung einer Vortreiberschaltung (30) aufweist, daß eine Schaltung vorgesehen wird, die einen ersten Transistor (50) aufweist, und daß der Schritt zur Bereitstellung einer Energie- bzw. Leistungsübergabeschaltung (40) aufweist, daß eine Schaltung vorgesehen wird, die einen zweiten Transistor (60) aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, in dem der erste Transistor (40) ein PNP-Transistor ist und der zweite Transistor (60) ein NPN-Transistor ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, in dem der Schritt zur Bereitstellung einer Schaltung, die einen PNP-Transistor (50) aufweist, und einer Schaltung, die einen NPN-Transistor (60) aufweist, ferner aufweist, daß die PNP- und NPN- Transistoren angeschlossen werden, um ein Pseudo-Darlington-Transistorpaar zu bilden.