DE4117505C2 - Verfahren zum Messen des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrückenschaltung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Messen des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrückenschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Halbbrückenschaltungen werden beispielsweise in der Antriebstechnik zum Ansteuern von Motoren, zum Beispiel für Schrittmotoren oder für Frequenzumrichter eingesetzt. Sie ermöglichen unter anderem ein Umschalten der Stromflußrichtung in den Motorwicklungen. Dazu können die im Halbbrückenzweig eingesetzten Halbleiterschalter wechselweise gesperrt oder durchgeschaltet werden.

Häufig ist es erforderlich, zum Beispiel für Regelungszwecke den Ausgangsstrom der Halbbrückenschaltung zu messen. Wegen der im Ausgangsstromkreis vorhandenen hohen Potentialunterschiede ist diese Strommessung jedoch problematisch und es genügt nicht, einen einfachen Meßwiderstand einzusetzen.

Es ist deshalb erforderlich, in die zwischen die Halbleiterschalter angeschlossene Ausgangsleitung einen Gleichstromwandler einzusetzen, der den Strom potentialfrei und galvanisch getrennt messen kann. Nachteilig ist jedoch, daß solche Gleichstromwandlervergleichsweise teuer sind, was sich bei Verwendung in Schrittmotorsteuerungen durch die dort erforderliche Anzahl von Strommeßeinrichtungen besonders nachteilig auswirkt.

Aus der DE 29 39 517 A1 ist bereits eine Meßanordnung bekannt, die mit einem im Ausgangsstromkreis befindlichen Wechelstromwandler arbeitet.

Nachteilig ist hierbei jedoch, daß der Strom im Sekundärkreis des Stromwandlers kurzzeitig nachgestellt werden muß, was für eine ausreichende Genauigkeit einen erhöhten Aufwand erfordert. Weiterhin ist eine Logikschaltung mit einem steuerbaren Verstärker er­ forderlich.

Bei dieser Meßanordnung muß der Sekundär-Strom des Stromwandlers so geregelt werden, daß er proportional zum Primärstrom ist, so daß auch dadurch ein erhöhter Aufwand erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ausgangsstromes einer Halbbrückenschaltung zu schaffen, wobei ein Gleichstromwandler nicht mehr erforderlich ist. Dabei soll gegebenenfalls auch auf in der Brückenschaltung vorhandene Bauelemente zurückgegriffen werden können, so daß auch dadurch der Aufwand entsprechend reduziert ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Messung nach Anspruch 1 erfolgt abhängig vom Betriebszustand, d. h. dem jeweils wechselnden Schaltzustand der Halbleiter, eine Wechselstrommessung im Ausgangskreis und eine Strommessung in einem Halbleiterzweig.

Für die Wechselstrommessung kann ein preisgünstiger Wechselstromwand­ ler (Transformator) und für die Strommessung im Halbleiterschalter ein meist vorhandener Meßwiderstand (Shunt) verwendet werden. Die Meßwerte können auf einfache Weise so verarbeitet werden, daß ein gutes Abbild des tatsächlichen Verlaufes des Ausgangsstromes vorhanden ist. Dabei ist der Kostenaufwand geringer als bei Verwendung eines Gleichstromwandlers.

Bei der Vorrichtung nach Anspruch 3 ist, wie bereits in Verbindung mit dem zugehörigen Meßverfahren beschrieben, der Aufwand für die Ausgangsstrommessung verringert und trotzdem kann die Meßgenauigkeit zumindest beibehalten werden.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Er­ findung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild und

Fig. 2 einander zugeordnete Diagramme von in der Schal­ tung nach Fig. 1 auftretenden Strömen.

Fig. 1 zeigt eine Strommeßvorrichtung 1, mit der der Aus­ gangsstrom einer getakteten Halbbrückenschaltung 2 ge­ messen werden kann.

Die Halbbrückenschaltung 2 weist zwei Halbleiterschalter 3 und 4 auf, die bezüglich ihrer stromführenden Anschlüsse in Reihe geschaltet sind. Im vorliegenden Falle sind als Halbleiterschalter Feldeffekttransistoren vorgesehen. Diese weisen einen Drain-Anschluß D sowie einen Source- Anschluß S und zur Ansteuerung einen Gate-Anschluß G auf. Der Source-Anschluß S des Halbleiters 3 ist mit dem Drain- Anschluß des Halbleiterschalters 4 verbunden und es ist daran der Ausgangsstromkreis 5 angeschlossen. Der Drain- Anschluß D des Halbleiterschalters 3 ist an Plus der Ver­ sorgungsspannung und der Source-Anschluß des Halbleiter­ schalters 4 ist über einen Meßshunt 6 an Minus bzw. Ground (Gnd) angeschlossen.

Über die Gate-Anschlüsse G können die Halbleiterschalter 3 und 4 im Gegentakt wechselweise angesteuert und damit durchgeschaltet oder gesperrt werden.

Die erfindungsgemäße Strommeßvorrichtung umfaßt im wesent­ lichen einen Wechselstromwandler 7, den Meßshunt 6 zur Messung des Stromes im Halbleiterschalter 4, zwei Summierglieder 8 und 9 sowie ei­ nen schaltbaren Zwischenspeicher 10.

An das erste Summierglied 8 ist der Meßausgang 11 des Wechselstromwandlers 7 und auch der Meßausgang 12 des Meßshuntes 6 angeschlossen.

An das zweite Summierglied 9 ist der Zwischenspeicher 10 mit seinem Ausgang 13 und auch der Meßausgang 11 des Wechselstromwandlers angeschlossen.

Fig. 2 zeigt einander zeitlich zugeordnete Diagramme. In der obersten Zeile ist dabei das Ansteuersignal für die beiden Halbleiterschalter gezeigt. Strichliniert ist die Zeitachse in unterschiedliche Abschnitte a bis f aufge­ teilt. In dem Zeitabschnitt a bis b, c bis d und e bis f ist jeweils der Halbleiterschalter 3 leitend und ent­ sprechend der Halbleiterschalter 4 gesperrt. Umgekehrt ist in den Zeitabschnitten b bis c und d bis e jeweils der Halbleiterschalter 4 leitend und der Halbleiterschalter 3 gesperrt. Entsprechend diesem Schaltwechsel würde sich der in der zweiten Diagrammzeile gezeigte Stromverlauf im Ausgangsstromkreis 5 ergeben. Um diesen Ausgangsstrom mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strommeßvorrichtung 1 messen zu können, ist folgender Meßablauf vorgesehen: Ausgehend von dem Betriebszustand, wo der Halbleiterschal­ ter 4 leitend ist, ergibt sich dementsprechend im Meß­ shunt 6 ein Stromfluß und damit an seinen Anschlüssen eine proportionale Meßspannung, die dem ersten Summierglied 8 zugeführt und invertiert wird. Gleichzeitig wird dem Summierglied 8 über den Meßausgang 11 des Wechselstromwand­ lers 7 ein weiteres Meßsignal zugeführt, das ebenfalls in­ vertiert wird. Das Ausgangssignal, das sich aus den beiden zugeführten Meßwerten zusammensetzt, wird über die Leitung 14 und einem in diesem Betriebszustand geschlossenen Schal­ ter 15 einem durch einen Kondensator 16 angedeuteten Zwischenspeicher 10 zugeführt. Dieses Ausgangssignal des ersten Summiergliedes 8 gelangt aber auch an einen Eingang des zweiten Summiergliedes 9. Die Meßwerte werden bei dem Summierglied 9 den nichtinvertierenden Eingängen zugeführt.

Da der vom Wechselstromwandler 7 kommende Meßwert beim ersten Summierglied 8 subtrahiert und beim zweiten Summier­ glied 9 addiert wird, liefert dieser Meßwert keinen Bei­ trag zu dem am Meßausgang 18 anstehenden Meßwert. Somit ist der zwischen den Zeitabschnitten b und c sowie d und e gemessene Ausgangsmeßstrom gleich dem am Meßshunt 6 anstehenden Meßwert in invertierter Form.

Der Schalter 15 kann in einer realisierten Ausführungsform ein Feldeffekttransistor sein, der über eine Steuerver­ bindung 19 mit, dem, Gate des Halbleiterschalters 4 verbun­ den ist. Erwähnt sei hierbei, daß die Steuerverbindung 19 immer zu dem Halbleiterschalter führt, in dessen Strom­ zweig sich der Meßshunt 6 befindet. Im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel wird gegen Ground gemessen, so daß sich die in Fig. 1 erkennbare Schaltungsanordnung ergibt.

Ist der Halbleiterschalter 4 gesperrt und der Halbleiter­ schalter 3 leitend, ist dementsprechend auch der Schalter 15 offen. Der Zwischenspeicher 10 speichert den letzten Meßwert vor dem Öffnen des Schalters 15, der sich aus den Meßwerten des Wechselstromwandlers 7 und des Meßshuntes 6 zusammensetzt.

Der Meßwert aus dem Wechselstromwandler wird nun zu diesem zwischengespeicherten Wert addiert und es entsteht am Meß­ ausgang 18 auch in diesem Betriebszustand ein Abbild des zu messenden Stromes.

In der dritten Diagrammzeile der Fig. 2 ist der Verlauf des Stromflusses bzw. der dazu proportionalen Spannung am Meßshunt 6 gezeigt. Erkennbar ist dabei, daß nur dann ein Stromfluß vorhanden ist, wenn auch der Halbleiterschalter 4 leitend ist. Im anderen Betriebszustand, wo der Halb­ leiterschalter 3 leitet, fließt durch den Meßshunt 6 kein Strom.

Wie vorbeschrieben, bildet der Meßwert am Meßshunt 6 in der ersten Betriebsphase auch das am Meßausgang 18 an­ stehende Meßsignal. Da bei dem Summierglied 8 eine Inver­ tierung des Meßsignales erfolgt, ergibt sich das in der zweiten Diagrammzeile bzw. in der fünften Diagrammzeile der Fig. 2 gezeigte Abbild des Stromverlaufes in den Zeitabschnitten b-c und d-e.

Beim Umschalten der Halbleiterschalter 3 und 4 von der ersten in die zweite Betriebsphase, wo der Halbleiterschal­ ter 3 leitend ist, wird auch der Schalter 15 des Zwischen­ speichers 10 nicht mehr angesteuert und öffnet. Der vom Wechselstromwandler 7 kommende Meßwert ist deshalb nur bei dem Summierglied 9 wirksam und wird dort zu dem zwischen­ gespeicherten Wert hinzuaddiert. Wie im Vergleich zwischen der vierten und der fünften Diagrammzeile von Fig. 2 gut erkennbar, erfolgt somit eine Parallelverschiebung des Ausgangsmeßwertes des Wechselstromwandlers 7 um den zwischengespeicherten Wert.

Der Wechselstromwandler 7 ist so dimensioniert, daß er bei maximalem Ausgangsstrom noch nicht in Sättigung geht und auch bei maximaler "Aus"-Zeit des Halbleiterschalters 4 nicht gesättigt ist. Der bei der Messung verwendete Meßshunt 6 ist in den meisten fallen als Kurzschlußschutz in solchen Halbbrückenschaltungen bereits vorhanden und kann für die vorliegende Strommessung mitverwendet werden, so daß da­ durch kein zusätzlicher Aufwand entsteht.

Der Zwischenspeicher 10 kann durch eine Sample- und Hold- Schaltung realisiert sein. Die Summierglieder 8 und 9 können durch übliche Analogsummierer mit einem Operations­ verstärker mit einer ohmschen Rückkopplung und mehreren Eingangswiderständen realisiert sein.

Claims (7)

1. Verfahren zum Messen des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrückenschaltung, bei der wechselweise im Halbbrücken­ zweig befindliche Halbleiterschalter (3, 4) im Gegentakt gesperrt oder durchgeschaltet werden und dabei in einem Ausgangsstromkreis (5) einen Wechselstrom bewirken, wobei eine Strommessung des durch einen Halbleiterschalter (4) fließenden Stromes sowie eine Wechselstrommessung im Ausgangsstromkreis (5) vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in einem ersten Betriebs­ zustand die Meßwerte aus der Messung des durch den einen der beiden Halbleiterschalter (4) fließenden Stromes und der Wechselstrommessung im Ausgangskreis addiert und abgespeichert werden, daß gleichzeitig der durch den einen der beiden Halbleiterschalter (4) fließende Strom in diesem ersten Betriebszustand das Meßergebnis lieferte und daß in einem zweiten Betriebszustand, wo der Strom durch den anderen der beiden Halbleiterschalter (3) fließt, zu dem im zweiten Betriebszustand gemessenen Wechselstromwert der gespeicherte Wert, bestehend aus der Summe der am Ende des vorherigen ersten Betriebszustandes vorhandenen Werte aus der Messung des durch den einen der beiden Halbleiterschalter (4) fließenden Stromes und der Wechselstrommessung im Ausgangskreis (5) hinzuaddiert wird und diese Summe in dem zweiten Betriebszustand das nächste Meßergebnis bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Summieren des Meßwertes des durch den einen der beiden Halbleiterschalter (4) fließenden Stromes und des Wechselstrommeßwertes vor dem Zwischenspeichern mit invertierten Vorzeichen vorgenommen wird und daß dann der gespeicherte Wert und der Wechselstrommeßwert mit nichtinvertierenden Vorzeichen zusammengeführt werden.

3. Meßvorrichtung zur Messung des Ausgangsstromes einer getakteten Halbbrückenschaltung mit wenigstens zwei im Halbbrückenzweig befindlichen und in Reihe geschalteten ersten und zweiten Halbleiterschaltern, mit einem an deren Verbindungsknoten angeschlossenen Ausgang sowie mit einem im Halbleiterzweig befindlichen und einseitig an ein Versorgungsspannungspotential angeschlossenen Strom­ meßshunt und mit einem in den Ausgangsstromkreis geschal­ teten Wechselstromwandler, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Wechselstromwandlers (7) sowie der des Strommeßshunts (6) an die Eingänge eines ersten Summier­ glieds (8) und dessen Ausgang (14) an einen Zwischen­ speicher (10) angeschlossen sind, daß der Zwischenspeicher (10) eine Steuerverbindung (19) zu der Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters (4) aufweist, in dessen Stromzweig sich der Strommeßshunt (6) befindet, zum Schließen der Verbindung zwischen dem Ausgang (14) des ersten Summiergliedes (8) und dem Zwischenspeicher (10) bei leitendem, ersten Halbleiterschalter (4) und daß nach dem Zwischenspeicher (10) an diesem ein zweites Summier­ glied (9) angeschlossen ist, dessen einer Eingang mit dem Zwischenspeicher (10) und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Wechselstromwandlers (7) verbunden ist und daß der Ausgang des zweiten Summiergliedes (9) den Meßausgang (18) bildet.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Summierglied (8) die Vorzeichen der zugeführten Meßwerte invertierende Eingänge und daß das zweite Summierglied (9) die Vorzueichen der zugeführten Meßwerte nichtinvertierende Eingänge aufweist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zwischenspeicher (10) einen Halbleiter­ schalter (15) sowie einen Kondensator (16) aufweist und insbesondere als eine Sample- und Hold-Schaltung ausge­ bildet ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromwandler (7) durch einen entsprechend dem Ausgangsstrom dimensionierten Transformator gebildet ist, dessen Primärseite in den Ausgangsstromzweig (5) der Halbbrücke (2) geschaltet ist und dessen Sekundärseite den Meßwechselstrom liefert.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein großes Windungszahlenverhältnis zwischen Primär- uns Sekundärwicklung des Wechsel­ stromwandlers (7) vorgesehen ist und daß die Windungs­ zahlen sich primär zu Sekundär vorzugsweise etwa wie 1: 800 verhalten.