DE19749392A1 - Strommeßschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strommeßschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, und insbesondere auf eine Strommeßschaltung zur Messung des Stromes in einem Motor-Steuergerät einer unterbrechungsfreien Leistungsver­ sorgung oder in irgendeinem System, das eine Halbbrücken­ schaltung verwendet.

Nebenschlußwiderstände werden in weitem Umfang als wenig auf­ wendige Schaltungselemente zur Messung des durch ein Gerät oder ein Bauteil fließenden Stromes verwendet. Der Nebenschlußwider­ stand wird in Serie mit dem Gerät oder Bauteil geschaltet, dessen Strom gemessen werden soll. Damit ist der Spannungsabfall längs des Nebenschlußwiderstandes proportional zu dem durch den Nebenschlußwiderstand und das Gerät oder Bauteil fließenden Strom.

Fig. 1 zeigt eine typische bekannte Schaltung, die einen Nebenschlußwiderstand zur Messung des Stromes durch einen Motor verwendet, der durch ein Dreiphasen-Motorsteuergerät angesteuert wird. Der Gesamtstrom der Dreiphasenströme i_a, i_b und i_c wird durch Messen der Spannung längs eines gemeinsamen Nebenschlußwiderstandes R gemessen. Dieser einzige Spannungspegel wird dann unter Verwendung mathematischer Techniken in dem Mikroprozessor 10 unter Verwendung von Informationen darüber, wann jeder Schalter in dem Motor-Steuergerät eingeschaltet ist, in die drei Motorströme i_a, i_b und i_c "zerlegt".

Der Nachteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Messung des Laststromes besteht darin, daß es unter bestimmten Last- und Drehzahlbedingungen versagt und daher kein robustes Verfahren ist.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Laststromes besteht in der Verwendung von Hall-Effekt-Bauteilen zur Messung des Strom­ flusses in jeder Phase, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Bei diesem Verfahren mißt jedes der Hall-Effekt-Bauteile 20, 22 und 24 den durch den Motorstrom in seiner jeweiligen Phase hervor­ gerufenen Fluß. Der Nachteil der Verwendung von Hall-Effekt- Bauteilen besteht darin, daß derartige Bauteile aufwendig sind.

Ein weiteres Schema, das zur Messung des Laststromes in einer Motorsteuerschaltung angewandt werden kann (und in Fig. 3 für eine von drei Phasen gezeigt ist), besteht darin, einen Wider­ stand 30 in Serie zwischen dem unterspannungsseitigen Schalter und Erde einzufügen. Die Spannung längs des Widerstandes 30 wird gemessen, und es wird eine Abtast-/Halteschaltung (S/H- Schaltung) 32 zur Rekonstruktion der Schwingungsform verwendet.

Die Nachteile des in Fig. 3 gezeigten Schemas sind wie folgt:

• 1. Der Widerstand 30 weist eine Eigeninduktivität 34 auf (die in Serie mit dem Widerstand gezeigt ist), die eine große Spannungsspitze bei jedem Einschalt- und Abschaltzeitpunkt der Schwingungsform hervorruft (Fig. 3A). Die Amplitude dieser Spannungsspitze kann bis zu dem 100-fachen des Signalwertes reichen.
• 2. Die Schwingungsform ist von Natur aus "zerhackt".
• 3. Die durch die Induktivität 34 des Widerstandes 30 hervor­ gerufene Spannungsspitze kann den Treiber 36 zerstören, wenn ein Kurzschluß an dem oberspannungsseitigen Schalter auftritt.
• 4. Obwohl die vorstehenden Probleme unter Verwendung eines Widerstandes R mit einer geringen Eigeninduktivität zu einem Minimum gemacht werden können, sind derartige Widerstände sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strommeßschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehenden Probleme beseitigt und eine Strommessung mit wenig aufwendigen Elementen in zuverlässigerer Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Strommeßschaltung geschaffen, die einen Nebenschlußwiderstand verwendet, wobei die Nachteile vermieden werden, die bei den bekannten Schaltungen auftreten, wie sie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt und vorstehend be­ schrieben wurden.

Um die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, wird erfindungsgemäß eine Strommeßschaltung geschaffen, die einen Nebenschlußwiderstand einschließt, der an seinem einen Ende mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt einer Halbbrückenschaltung aus einem oberspannungsseitigen und einem unterspannungsseitigen Transistorpaar gekoppelt ist, während das andere Ende des Wider­ standes mit einer Last verbunden ist, so daß die gemessene Spannung längs des Nebenschlußwiderstandes proportional zu dem der Last zugeführten Strom ist, und die Strommeßschaltung schließt weiterhin eine Pegelschieberschaltung ein, die so aus­ gebildet ist, daß sie einen Bezugspunkt der gemessenen Spannung auf einen Knoten mit niedrigerem Potential in der Schaltung umsetzt, so daß aus der gemessenen Spannung eine Rückführungs­ spannung erzeugt wird, die zur Steuerung des Umschaltens der Halbbrücken-Transistoren verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Strommeßschaltung unter Verwen­ dung eines einzigen Nebenschlußwiderstandes zur Messung des Stromes, der durch einen von einem Dreiphasen-Motorsteuergerät angesteuerten Motor fließt,

Fig. 2 eine alternative bekannte Strommeßschaltung zur Messung des Motorstromes unter Verwendung von Hall-Effekt-Bau­ teilen,

Fig. 3 eine dritte bekannte Strommeßschaltung zur Messung des durch einen Motor fließenden Stromes,

Fig. 3A die Schwingungsform einer in der Schaltung nach Fig. 3 gemessenen Spannung,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Strommeßschaltung,

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Strommeßschaltung, die eine interne Torsteuerung einschließt, um einen unerwünschten Leistungsverbrauch zu verhindern, wenn der unterspannungsseitige Schalter des Motor-Steuergerätes abgeschaltet ist,

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine digitale gerätemäßige Ausführung der Strom­ meßschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Wie dies in dieser Figur gezeigt ist, ist ein Nebenschlußwiderstand R_shunt zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt von oberspannungs- und unterspannungsseitigen Transistoren in einer Halbbrückenschaltung und der Last, wie z. B. einem Motor oder dergleichen eingeschaltet. Längs des Widerstandes R_shunt entsteht ein Spannungsabfall V_S, der den durch die Last (beispielsweise eine Phase einer Motor­ wicklung) schließenden Strom darstellt.

Die Spannung V_S ist im Gegensatz zum Stand der Technik nicht "zerhackt" sondern erheblich gleichförmiger (obwohl möglicher­ weise störbehaftet), weil der Nebenschluß direkt in Serie mit der Last angeschaltet ist und daher den Strom von beiden Schaltern führt. Die Spannung V_S ist jedoch auf den Ver­ bindungspunkt zwischen den oberspannungs- und unterspannungs­ seitigen Schaltern bezogen. Dieser Verbindungspunkt ist weiter­ hin der Bezugspunkt einer oberspannungsseitigen (oder Hoch­ spannungs-) Versorgungsleitung, die zur Lieferung einer aus­ reichend hohen Spannung verwendet wird, um den oberspannungs­ seitigen Transistor einzuschalten.

Damit eine (nicht gezeigte) Steuerschaltung die gemessene Spannung V_S zur Steuerung des Umschaltens der Schalter ver­ wenden kann, muß die Spannung V_S auf Erdpotential bezogen werden.

Die Spannung längs des Widerstandes R_shunt wird mit Hilfe einer integrierten Schaltung (IC) 42, die eine Signalaufberei­ tungsschaltung, Hochspannungspegelschieberschaltungen und Signalverarbeitungsschaltungen einschließt, in ein Strommeßsig­ nal umgewandelt. Im einzelnen wird die Spannung längs R_shunt zunächst einem Signalaufbereitungsblock 44 der integrierten Schaltung 42 zugeführt, der das Signal durch Filtern, Klemmen und Hinzufügen einer Versetzungsspannung zu dem Signal aufbe­ reitet.

Das aufbereitete Signal wird einer Analog-Hochspannungs-Pegel­ schieberschaltung 46 zugeführt, die aus einem einen Feldeffekt­ transistor FET ansteuernden Vergleicher besteht (wobei der Strom von einem Bootstrap-Kondensator C_BS) geliefert wird, und zwar in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung.

Wie dies für den Fachmann ersichtlich ist, erzeugt die Analog- Hochspannungs-Pegelschieberschaltung 64 einen gesteuerten Strom I_fb durch einen Widerstand R_P, um eine Spannung zu erzeugen, die proportional zu dem aufbereiteten Signal V_S ist. Der gesteuerte Strom I_fb fließt dann in Serie durch einen Wider­ stand R mit einem stabilen Wert, um eine Spannung V_fb zu erzeugen, die in einem Verarbeitungsblock 48 nachverarbeitet wird, um ein Signal mit vorgegebenen Parametern zu erzeugen (beispielsweise mit einer Mittenspannung von 2,5 Volt, usw.). Das resultierende Signal, das den in den Motor fließenden Strom darstellt, wird dann von der integrierten Schaltung 42 als Ausgangssignal abgegeben.

Ein Nachteil der in Fig. 4 gezeigten und vorstehend beschrie­ benen Schaltung besteht darin, daß irgendein erheblicher Strom durch den Pegelschieber 46 eine übermäßige Verlustleistung in der integrierten Schaltung 42 hervorruft. Dies kann dadurch vermieden werden, daß R_P außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet wird. Ein weiterer Nachteil der in Fig. 4 gezeigten Schaltung besteht darin, daß der Bootstrap-Kondensator C_BS, der den Strom I_fb liefert, sehr schnell entladen werden kann, wenn der Strom erheblich st.

Die in Fig. 5 gezeigte abgeänderte Ausführungsform der Schal­ tung vermeidet die vorstehend genannten Probleme. Die Schaltung nach Fig. 5 ist ähnlich der Schaltung nach Fig. 4, jedoch mit Ausnahme der Hinzufügung der WHEN-(WANN-)Schaltung 50 und einer Abtast- und Halte- (S/H-) oder nicht-WHEN-Schaltung 52. Die WHEN-Schaltung 50 (die in einer einer Vielzahl von Möglich­ keiten gerätemäßig ausgeführt werden kann, wie dies für den Fachmann im Hinblick auf die vorliegende Beschreibung ersicht­ lich ist), ermöglicht das Fließen von I_fb lediglich dann, wenn der unterspannungsseitige Transistor 54 der Motorsteuerschaltung eingeschaltet ist. (Der Zustand des unterspannungsseitigen Transistors 54 (ein oder aus) kann leicht in üblicher Weise festgestellt werden).

Die S/H- oder nicht-WHEN-Schaltung 52 tastet den Spannungspegel längs des Widerstandes R ab und hält diesen Pegel während der Zeit fest, während der der unterspannungsseitige Schalter abge­ schaltet ist, um sicherzustellen, daß eine gleichförmige Rück­ führungsspannung beispielsweise der Nachverarbeitungsschaltung 48 zugeführt wird.

Durch Unterbrechen des Fließens des Stromes I_fb bei abgeschal­ tetem unterspannungsseitigem Transistorschalter 54 wird die Verlustleistung in dem Widerstand R_P zu einem Minimum gemacht, und die Ladung des Bootstrap-Kondensators C_BS wird aufrecht­ erhalten.

Fig. 6 zeigt die Schaltung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen eine digitale gerätemäßige Ausführung der ersten Ausführungsform ist. Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Spannungsabfall V_S, der längs eines Widerstandes R_shunt erzeugt wird, zur Messung des Stromes verwendet, der über eine Hochspannungs-Versorgungsleitung in einer Motorsteuerschaltung zu einem Motor fließt.

Die negative hohe Spannung längs R_shunt wird durch eine integrierte Schaltung (IC) 60 in ein Strommeßsignal umgewandelt, wobei die integrierte Schaltung einen Signalaufbereitungsblock 62, einen Spannungs-/Zeit-Wandlerblock 64, einen Abwärtspegel­ schieberblock 66, einen Empfangsblock 68 und einen Zeit-/ Spannungs-Rekonstruktionsblock 70 einschließt. Im einzelnen wird bei der Schaltung nach der zweiten Ausführungsform die Spannung längs R_shunt zunächst dem Signalaufbereitungsblock 62 der integrierten Schaltung 60 zugeführt, und zwar in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform.

Das aufbereitete Signal wird einem Spannungs-/Zeit-Wandlerblock 64 zugeführt, der das aufbereitete, eine hohe Spannung auf­ weisende Signal in eine Serie von digitalen Impulsen umwandelt, die die Amplitude des Spannungssignal darstellen (beispiels­ weise durch Ändern der Impulsfrequenz oder der Impulsbreite entsprechend der Spannungsamplitude). Die von dem Block 64 erzeugten Impulse werden dem Abwärtspegelschieberblock 66 zuge­ führt, der die Impulse von einem auf V_S bezogenen schwimmenden Signal auf ein auf Erde bezogenes Signal umwandelt und die umgewandelten Impulse dem Empfangs- (Puffer-) Block 68 zuführt. Die digitalen Impulse werden dann einem Zeit-/Spannungs-Rekon­ struktionsblock 70 zugeführt, der das Analogsignal rekonstruiert, das den zu dem Motor fließenden Strom darstellt.

Claims (10)

1. Strommeßschaltung mit einem Nebenschlußwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußwiderstand (R_shunt) mit seinem einen Anschluß mit dem Verbindungspunkt einer Halb­ brückenschaltung aus einem oberspannungsseitigen und einem unterspannungsseitigen Transistorpaar und mit seinem anderen Anschluß mit einer Last derart verbunden ist, daß eine längs des Nebenschlußwiderstandes gemessene Spannung proportional zu dem der Last zugeführten Strom ist, und daß eine Pegel- Schieberschaltung (46, 66) vorgesehen ist, die zur Umsetzung eines Bezugspunktes der gemessenen Spannung auf einen Knoten der Schaltung mit niedrigerem Potential derart ausgebildet ist, daß eine Rückführungsspannung aus der gemessenen Spannung erzeugt wird, die zur Steuerung des Umschaltens der Halbbrücken- Transistoren verwendbar ist.

2. Strommeßschaltung nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, daß eine Signalaufbereitungsschaltung (44; 62) vorgesehen ist, die zur Filterung, Klemmung und Hin­ zufügung einer Versetzungsspannung zu der gemessenen Spannung vor deren Zuführung an die Pegelschieberschaltung ausgebildet Last.

3. Strommeßschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelschieberschaltung eine Wandlerschaltung, die zur Umwandlung der gemessenen Spannung in einen Rückführungsstrom ausgebildet ist, und einen Wider­ standskreis umfaßt, der einen ersten Anschluß und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß des Widerstands­ kreises betriebsmäßig mit dem Knoten mit niedrigerem Potential gekoppelt ist, während der zweite Anschluß betriebsmäßig mit der Wandlerschaltung derart gekoppelt ist, daß die Rückführungs­ spannung in Abhängigkeit von dem Rückführungsstrom erzeugt wird.

4. Strommeßschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nachverarbeitungsschaltung (48) zur Umwandlung der Rückführungsspannung in eine Spannung vorgesehen ist, die eine vorgegebene Mittenspannung aufweist.

5. Strommeßschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelschieberschaltung (46) eine Freigabeschaltung (50) einschließt, die es der Pegelschieber­ schaltung nur dann ermöglicht, die Rückführungsspannung zu er­ zeugen, wenn der unterspannungsseitige Transistor eingeschaltet ist.

6. Strommeßschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtast- und Halteschaltung vorgesehen ist, die zur Abtastung der Rückführungsspannung bei eingeschaltetem unterspannungsseitigem Transistor und zur Erzeu­ gung einer Ausgangsspannung ausgebildet ist, die im wesentlichen gleich der abgetasteten Rückführungsspannung ist, wenn der unterspannungsseitige Transistor abgeschaltet ist.

7. Strommeßschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungs-/Zeit-Wandlerschal­ tung (64) vorgesehen ist, die die gemessene Spannung empfängt und ein Zwischensignal erzeugt, das aus einer Serie von Span­ nungsimpulsen besteht, die die Amplitude der gemessenen Spannung darstellen.

8. Strommeßschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-/Zeit-Wandlerschal­ tung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit veränderlicher Frequenz und/oder einer veränderlichen Impulsbreite als Zwischensignal ausgebildet ist.

9. Strommeßschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeit-/Spannungs-Wandlerschaltung (70) vorgesehen ist, die eine Analogversion der gemessenen Spannung rekonstruiert, um die Rückführungsspannung zu erzeugen.

10. Strommeßschaltung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalaufbereitungsschaltung (62) vorgesehen ist, um die gemessene Spannung zu filtern, zu klemmen oder dieser eine Vesetzungsspannung hinzuzufügen, bevor sie der Spannungs-/Zeit-Wandlerschaltung zugeführt wird.