DE69827191T2

DE69827191T2 - Kompensation des Offsets eines Transducers

Info

Publication number: DE69827191T2
Application number: DE69827191T
Authority: DE
Inventors: Michael James Headingley Leeds Turner
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2018-04-22
Also published as: EP0877232A2; US6400131B1; EP0877232A3; DE69827191D1; GB9709498D0; EP0877232B1

Description

Dieses Erfindung bezieht sich auf die Offset-Kompensation des Ausgangs von einem Wandler. Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei der Offset-Kompensation bei der Strommessung in der Steuerung einer geschalteten Reluktanzmaschine anwendbar.
Viele elektrische und elektronische Systeme benötigen Wandler, um einen Parameter in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Beispielsweise benötigen elektrische Motoren und Generatoren Einrichtungen zum Überwachen des Stroms, und zwar aus einer Vielzahl von allgemein bekannten Gründen, wie zum Beispiel Messung, Steuerung und Schutz der Vorrichtung. Eine einfache Technik, um dies zu bewerkstelligen, besteht darin, ein Signal abzuleiten, das den Strom der Spannung angibt, die über einem in Reihe geschalteten Widerstand abfällt, und zwar gemäß dem ohmschen Gesetz. Dies ist eine einfache Technik, sie hat aber verschiedene Nachteile. Erstens hat der Widerstand einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von ungleich Null. Der Wiederstand erzeugt Wärme wegen des durch ihn hindurch fließenden Stroms, wodurch der Messwert beeinflusst wird, wenn er bei einer Temperatur verwendet wird, die eine andere ist als die, für die er kalibriert ist, und zwar aufgrund seines Widerstands-Temperaturkoeffizienten von ungleich Null. Zweitens muss der Widerstand direkt in der zu überwachenden Schaltung angeschlossen sein. Dies allein macht die Widerstands-Stromüberwachung zum Beispiel in Leistungsschaltungen unpraktisch, in denen der zu überwachende Strom in einer Schaltung vorhanden ist, die ein hohes Potential bezüglich der Schaltung hat, mit der das überwachte Stromsignal in Beziehung steht. Drittens kann das Verbinden des Widerstands mit der überwachten Schaltung die Funktion der Schaltung selbst bis hin zu einem nicht mehr akzeptierbaren Ausmaß stören.
Das Problem bei Schaltungen mit relativ hohem Potential wurde durch elektrische Isolierung der zu überwachenden Schaltung gegenüber der eigentlichen Überwachungsschaltung gelöst. Jedoch führt die Notwendigkeit der Isolierung zu dem weiteren Problem, dass sich das Potential über der Isolierungsbarriere sehr schnell verändern kann. Ein typisches Beispiel dafür sind Halbleiter-Schalterschaltungen, in denen sehr schnelle Veränderungen bezüglich der Spannung in der überwachten Schaltung als ein Ergebnis des Schaltens auftreten. Die schnelle Rate der Veränderung der Spannung bezüglich der Zeit (dV/dt) in der überwachten Schaltung kann einen kapazitiven Stromfluss bewirken, der über der Isolierungsgrenze induziert wird, wodurch eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Ausgangssignals des Wandlers erzeugt wird.
Stromwandler (CT) sind eine Form von Wandler, mit Hilfe derer ein Messwert des Stroms in einem Leiter abgeleitet werden kann. Sie sind elektrisch von dem Leiter selbst isoliert, und sie haben breite Anwendung in dem Gebiet der elektrischen Energietechnik gefunden, beispielsweise als Überwachungseinrichtungen bei der Stromregelung und bei Schutzsystemen.
Ein bekannter CT basiert auf dem wesentlichen Gleichgewicht der magnetomotorischer Kraft (MMF) zwischen primären und sekundären Wicklungen, die in einem CT vorhanden ist, und zwar unter Verwendung von einem Kern mit hoher Permeabilität. Idealerweise bedeutet eine Impedanz ("Last") der Sekundärschaltung von Null, dass dieser Gleichgewichtszustand bei einem Kernfluss von Null erreicht wird. In der Praxis bedeutet jedoch eine Last von ungleich Null, dass eine Spannung über der Sekundärwicklung abfällt, mit dem Ergebnis, dass der Kernfluss ebenfalls ungleich Null ist.
Der Kernfluss ist proportional zu dem Integral der Sekundärspannung. In dem Fall einer alternierenden Wellenform ist die Amplitude von dem Kernfluss daher umgekehrt proportional zu der Frequenz des überwachten Stroms. Außerdem erfordert die endliche Permeabilität von einem realen Kern eine MMF, um den Fluss um den Kern herum anzutreiben. Unter der Annahme eines linearen Antwortverhaltens des magnetischen Materials des Kerns ist diese MMF direkt proportional zu dem Fluss. Wenn der Kernfluss ansteigt, dann ist eine größere MMF erforderlich, um diesen zu unterstützen. Daher absorbiert der CT-Kern einen zunehmenden Anteil von der primären MMF, wenn die Frequenz abnimmt. Somit müssen die sekundäre MMF und der Ausgangsstrom abfallen.
Es wurde betrachtet, dass dieses Abfallen bezüglich des Niederfrequenz-Antwortverhaltens von einem CT einen Betrieb darstellt, durch den seine praktische Anwendbarkeit begrenzt wird. Ein CT mit geringer Frequenz bedeutet sowohl einen großen Kern als auch eine geringe Sekundärimpedanz, um eine flache Frequenzantwort über einem spezifizierten Arbeitsfrequenzbereich zu erhalten. Bei dieser Beschränkung kann ein bekannter CT nicht mit Gleichstrom (Frequenz gleich Null) arbeiten, und zwar wegen des Sekundärschaltungswiderstands von ungleich Null, der in der Praxis vorhanden ist.
Um das Problem des Messens des Stroms bei niedrigen Frequenzen und bei Gleichstrom zu lösen, wurden Strommessvorrichtungen entwickelt, die auf dem Hall-Effekt beruhen. Diese sprechen auf die Stärke von dem Magnetfeld an, das durch den zu überwachenden Strom erzeugt wird. Diese werden in der Technik häufig als "Stromwandler" bezeichnet, obwohl Wandler-Prinzipien nicht angewendet werden.
Ein bekannter Stromwandler, der auf dem Hall-Effekt basiert, verwendet eine Hall-Effekt-Vorrichtung, die in dem Luftspalt in einem sonst ringförmigen Kern angeordnet ist. Der Leiter, der den zu überwachende Strom führt, ist angeordnet, um durch die mittlere Öffnung von dem Toroid geführt zu werden. Die Hall-Effekt-Vorrichtung in dem Spalt misst direkt den Fluss, der aus der Einleitung der MMF in dem Kern infolge des Stroms in dem Leiter resultiert.
Obwohl die Vorrichtung relativ einfach konstruiert ist, hat sie einige Nachteile. Erstens ist das Antwortverhalten des Kern-Materials in der Praxis nicht linear. Zweitens hat die Hall-Effekt-Vorrichtung ebenfalls ein nicht-lineares Antwortverhalten und zeigt Charakteristiken, durch die ein statischer Offset-Fehler bezüglich der Messwerte eingeleitet wird. Außerdem macht die geringe Amplitude der Hall-Spannung am Ausgang der Vorrichtung eine relativ hohe Verstärkung erforderlich, wodurch die Überwachungsschaltung als Ganze in einer nicht zu aktzeptierenden Weise rauschanfällig wird.
Allgemein neigt das Hall-Effekt-Element mit offener Regelschleife dazu, eine Inkonsistenz bezüglich seiner Ausgangs-Offset-Charakteristiken zu zeigen. Das heißt, die Ausgabe kann als (k*I) + c ausgedrückt werden, wobei c ein nicht-konstanter Offset-Term ist. Der Wert von c kann von Wandler zu Wandler stark variieren, und er kann außerdem mit der Zeit, der Temperatur, der Versorgungsspannung und mit anderen Faktoren variieren. Dies kann für die Verwendung ein beträchtlicher Nachteil sein, was andererseits eine attraktive, preiswerte Lösung wäre. Zum Beispiel bietet ein Hersteller einen Bereich von Stromsensoren an, die auf dessen Hall-Effekt-Vorrichtung basieren, aber die Ausgangs-Offset-Spannung seiner preiswerten Einheit variiert anfänglich um ±10%, ist proportional zur Versorgungsspannung und hat einen Temperaturkoeffizienten von ±0,05% pro Kelvin. Der anfängliche Offset kann durch richtige Einstellung vermieden werden, aber die Offset-Veränderungen, die von Temperatur und Versorgungsspannung abhängen, sind weniger einfach zu handhaben.
In Verbindung mit einem CT und einem Hall-Effekt-Element wurde eine Rückführung verwendet. Bei dieser Anordnung wurde das Problem der Sekundärspannung in einem CT durch Steuerung eines Sekundärstroms mit einem Verstärker gelöst, der einen Eingang hat, der ein negatives Rückführsignal von dem Hall-Effekt-Element proportional zu einem Kernfluss ist. Die sekundäre MMF ist dann unabhängig von der Last-Spannung und kann so ausgestaltet sein, um der MMF infolge des Stroms in dem Leiter mit geringem Abstand zu folgen, und zwar durch Einstellen des Produkts der Verstärkung des Rückführverstärkers und der Kern-Permeabilität. Bei einer sehr großen Verstärkung wird das Gleichgewicht zwischen dem primären und der sekundären MMF lediglich durch den Offset von Null des Hall-Effekt-Elements bestimmt. Die Kern-Linearität wird zunehmend unwichtig, da die Rückführwirkung immer so ist, um einen Fluss von Null und damit ein Gleichgewicht der MMF beizubehalten. Das Verhältnis von Primär- zu Sekundär-Strom wird somit lediglich durch das Wandler-Wicklungsverhältnis bestimmt.
Solche Wandler vom Hall-Effekt-Typ mit "Fluss-Nullierung" waren auf dem Gebiet der Steuerung elektrischer Maschinen (beispielsweise bei geschalteten Reluktanzmotoren und Generatoren) sehr populär, und zwar wegen ihres Gleichstrom-Antwortverhaltens, der großen Bandbreite und der geringen Größe. Ein Beispiel von einem Sensor mit Fluss-Nullierung wird von LEM s. a. aus Genf in der Schweiz hergestellt. Diese Sensoren sind nicht-invasiv und von dem überwachten Strom elektrisch isoliert. Jedoch sind sie relativ teuer, da sie ein genau auf Null eingestelltes Hall-Effekt-Element und schnell antwortende Verstärker benötigen.
Die JP 02141673 verwendet ein System zum Bestimmen des Hall-Stromwandler-Offset, das zwei Stromquellen verwendet, um einen Phasenstrom zu einem Motor zu liefern, und zwei Wandler-Schaltungen erfordert. Der Phasenstrom wird dem Motor zugeführt, indem zwei Schalter alternierend umgeschaltet werden, einer für jede der Stromquelle. Eine nachfolgende Verarbeitung der Signale von den Wandler-Schaltungen und deren anschließende Kombination ermöglicht die Messung des Phasenstroms, bei dem der Wandler-Offset herausgefiltert ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Offset-Kompensation für einen Wandler oder eine Wandler-Schaltung zur Verfügung, zu stellen, die preiswert ist und nicht die Komplexität der oben beschriebenen Lösungen mit geschlossener Regelschleife erforderlich macht.
Gemäß der Erfindung ist eine Wandler-Schaltung vorgesehen, mit einem Wandler, der dazu ausgestaltet ist, um ein elektrisches Wandler-Ausgangssignal zu erzeugen, das die Größe von einem überwachten Parameter angibt, einer Abtasteinrichtung zum Abtasten des Wandler-Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt, der einem bekannten Wert des Parameters entspricht, wobei die Abtasteinrichtung ein Offset-Signal zur Verfügung stellt, das äquivalent zu dem Wandler-Signal zu diesem Zeitpunkt ist, und einer Differenziereinrichtung, die dazu ausgestaltet ist, um ein nachfolgendes Wandler-Ausgangssignal sowie das Offset-Signal zu empfangen und um eine kompensierte Ausgabe zu erzeugen, die die Differenz zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgang und zumindest dem Offset-Signal ist.
Die Erfindung erfordert die Kenntnis von dem Zeitpunkt, zu dem die überwachte Größe des Parameters ein bekannter Wert ist, oder die Kenntnis von dem Wert des Parameters zu einem bekannten Zeitpunkt. Die angewendete Kompensation berück sichtigt eine Abweichung des Ausgangs von dem Wandler bezüglich des bekannten Wertes des Parameters und stellt den Wandler-Ausgang automatisch ein.
Die Erfindung ist insbesondere in jenen Situationen praktisch, in denen der bekannte Wert des Parameters Null beträgt (normalerweise ein Strom mit dem Wert Null für einen Ausgang von Null von einem idealen Hall-Effekt-Element). Jedoch kann die Einstellung für Ausgänge von ungleich Null von dem Wandler, die dem bekannten Wert entsprechen, durch Hinzufügen eines Addierers zu der Schaltung beeinflusst werden, der in Relation zu der Differenziereinrichtung so angeordnet ist, dass ein Referenzsignal, das dem bekannten Wert des Parameters entspricht, zu dem kompensierten Ausgang addiert wird.
Vorzugsweise beinhaltet die Abtasteinrichtung eine Abtast-Halte-Schaltung. Diese ist wünschenswerterweise eine Kombination von einem Schalter, der den Ausgang des Wandlers zu einem Speicherkondensator leitet. Der Ausgang von dem Wandler wird zum Kondensator geleitet, um das Wandler-Ausgangssignal zu diesem Zeitpunkt zu speichern.
Alternativ kann die Abtasteinrichtung einen Analog/Digital-Wandler (ADC) enthalten, der in Reaktion auf ein Betätigungssignal zu diesem Zeitpunkt betätigbar ist, um das Offset-Signal in der Form von einem digitalen Wort aus dem Wandler-Signal abzuleiten. Bei dieser digitalen Implementierung der Erfindung ist es bevorzugt, dass das digitale Wort in einem digitalen Wortspeicher gespeichert wird, der das digitale Wort zu der Differenziereinrichtung liefert.
In dem Fall der Offset-Kompensation durch Ableiten eines Offset-Kompensationssignal von einem Ausgang von ungleich Null des Wandlers kann die Schaltung in Ausführungsbeispielen der Erfindung außerdem eine zweite Differenziereinrichtung aufweisen, die eine digitale Subtrahiereinrichtung sein kann, der das Referenzsignal in digitaler Form zugeführt wird. Der Ausgang von der Differenziereinrichtung kann einem Digital/Analog-Wandler (DAC) zugeführt werden, der ein analoges Signal zur Verfügung stellt, das die Differenz zwischen dem Offset-Digitalwort und dem Referenz-Digitalwort angibt. Dieses kann dann der Differenziereinrichtung zusammen mit dem Wandler-Ausgangssignal zugeführt werden. In einer alternativen Form ist die Differenziereinrichtung eine digitale Differenziereinrichtung, die dazu ausgestaltet ist, um eine digitale Form des kompensierten Ausgangs abzuleiten.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zum Kompensieren von dem Offset in dem Ausgang von einem elektrischen Wandler, der ein elektrisches Wandler-Signal in Reaktion auf einen überwachten Parameter erzeugt, wobei das Verfahren umfasst: Abtasten des Wandler-Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt, der einem bekannten Wert des Parameters entspricht; und Bestimmen der Differenz zwischen einem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und dem Abtast-Wandler-Ausgangssignal, um einen kompensierten Ausgang zu erzeugen.
Das Verfahren kann das Addieren eines Referenz-Signals zu dem kompensierten Ausgang umfassen, der dem korrekten Wandler-Ausgang für diesen bekannten Wert des Parameters zu diesem Zeitpunkt entspricht. Dies ist besonders praktisch in solchen Fällen, in denen der bekannte Wert des Parameters ungleich Null ist.
Die Erfindung erstreckt sich außerdem in einer speziellen Form auf ein geschaltetes Reluktanzantriebssystem mit einem geschalteten Reluktanzmotor, der einen Rotor und einen Stator sowie zumindest eine Statorwicklung aufweist, einer Schalteinrichtung, die mit der Statorwicklung verbunden und betätigbar ist, um die Energie in der Wicklung zu steuern, und einer Steuerung, die funktional angeschlossen ist, um die Schalteinrichtung zu betätigen, wobei die Steuerung eine Zeitgebereinrichtung, von der Zeitsignale abgeleitet werden, um die Schalteinrichtung zu betätigen, und eine Wandler-Schaltung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, um den Strom in der Wicklung zu überwachen, wobei der Strom während eines wiederkehrenden Intervalls einen bekannten Wert hat, die Wandler-Schaltung einen Strom-Wandler aufweist, der auf den Strom in der Wicklung anspricht, um ein elektrisches Wandler-Ausgangssignal zu erzeugen, durch das der überwachte Strom angegeben wird, einer Abtasteinrichtung zum Abtasten des Wandler-Signals zu einem Zeitpunkt, der mit dem bekannten Strom zusammenfällt, wobei die Abtasteinrichtung ein Offset-Signal zur Verfügung stellt, das äquivalent zu dem Wandler-Signal zu diesem Zeitpunkt ist, einer Differenziereinrichtung, die dazu ausgestaltet ist, um ein nachfolgendes Wandler-Ausgangssignal und das Offset-Signal zu empfangen und um einen kompensierten Ausgang zu erzeugen, der die Differenz zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und dem zumindest einen Offset-Signal ist.
Vorzugsweise kann bei der Steuerung der geschalteten Reluktanzmaschine ein zyklisch wiederkehrendes Intervall mit einem Strom von Null als der bekannte Strom verwendet werden. Dieses Null-Strom-Intervall hat bei der Erfindung einen speziellen Vorteil, da es eine reguläre Offset-Kompensation ohne Rückgriff auf einen Referenzsignaleingang durch Abtasten des Ausgangs des Strom-Wandlers während des Null-Strom-Intervalls ermöglicht.
Vorzugsweise beinhaltet der Wandler ein Hall-Effekt-Element. Vorzugsweise kann eine einfache Schaltung mit dem Hall-Effekt-Element oder irgendein anderer Wandler verwendet werden, der in einer Anordnung mit offener Regelschleife angeschlossen ist.
Die Erfindung kann auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt werden, von denen einige nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 ein schematisches Schaltungsdiagramm von einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
2 ein Wellenform-Diagramm ist, das den Wicklungsstrom in den Wicklungen von der geschalteten Reluktanzmaschine darstellt.
3 ein schematisches Schaltungsdiagramm von einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und
4 ein schematisches Diagramm von einem geschalteten Reluktanzantriebssystem ist.
In 1 ist ein Stromsensor gezeigt, der ein Hall-Effekt-Element 10 aufweist, das in dem Luftspalt von einem ferromagnetischen toroidalen Ring 12 angeordnet ist. Der Ring 12 umgibt einen Leiter 14, der den Strom I führt, der in diesem Ausführungsbeispiel der zu überwachende Parameter ist.
Der Ausgang von dem Hall-Effekt-Element 10 ist vorstehend als (k*I) + c beschrieben, wobei c ein nicht-konstanter Offset-Term ist. Dieser Ausgang ist mit dem nicht-invertierenden Eingang von einer Differenzierschaltung 16 gekoppelt. Parallel dazu ist der Ausgang von dem Hall-Effekt-Element außerdem mit einer Abtast-Halte-Schaltung 18 gekoppelt, die einen ersten Puffer-Verstärker 20, einen Abtastschalter 22 und einen zweiten Puffer-Verstärker 24 aufweist, die alle in Reihe geschaltet sind und eine Parallelverbindung des Hall-Effekt-Element-Ausgangs mit dem invertierenden Eingang der Differenzierschaltung 16 bilden. Ein Haltekondensator 26 ist zwischen dem Abtastschalter 22 und dem zweiten Puffer-Verstärker 24 mit der Erde verbunden. Ein dritter Eingang I_r zu einem nicht-invertierenden Eingang von der Differenzierschaltung 16 ist ein Referenz-Signal, das dem kalibrierten Ausgang von dem Wandler entspricht und den bekannten Strom zu einem vorbestimmten Zeitpunkt angibt.
1 zeigt die analoge Implementierung der Erfindung. Durch zeitweises Schließen des Schalters 22, aber für eine ausreichende Zeit, um den Kondensator 26 aufzuladen, wird die Abtast-Halte-Schaltung 18 wirksam mit dem Ausgang von dem Hall-Effekt-Element aktualisiert. Unter Betrachtung, dass zunächst der Ausgang von dem Hall-Effekt-Element für den Null-Strom zu einem bekannten Zeitpunkt, zu dem der Abtastwert genommen wird, lediglich den Offset-Term c beinhaltet, wird die Differenz zwischen dem aktualisierten Offset-Signal, der in der Abtast-Halte-Schaltung 18 gespeichert ist, und dem nachfolgenden Ausgang von dem Wandler bezüglich Drift und Offset automatisch kompensiert, die in dem Ausgang vorhanden sind.
In dem Fall eines Ausgangs von ungleich Null von dem Wandler, der dem bekannten Wert zu dem bestimmten Zeitpunkt entspricht, wird der kalibrierte Ausgang von dem Wandler, wie er ohne Drift sein sollte, als das Referenzsignal zu dem Ergebnis der Differenz zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgang und dem gespeicherten Offset-Signal addiert.
Das Schema verwendet die vorherige Kenntnis von dem zu messenden Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt, um das Offset-Signal von dem aktuellen Ausgang des Wandlers abzuleiten. Dies ermöglicht es, jeglichen Offset zu eliminieren.
2(a) zeigt eine typische Phasenwicklungsstromwellenform (I) in einem geschalteten Reluktanzmotor, bei dem die Erfindung vorteilhaft angewendet werden kann. Wegen der Begrenzungen der Erregungszeit (wie üblich bei einer geschalteten Reluktanzmaschine) ist der Phasenstrom I am Ende von jedem elektrischen Zyklus als Null bekannt, wenn der Motor in einer diskontinuierlichen Phasenstrombetriebsart läuft. Bei diesen bekannten Null-Strom-Punkten wird der Schalter 22 zeitweise mit Hilfe von einem Betätigungssignalimpuls 28 geschlossen, wodurch der Offset als eine Spannung (entsprechend dem Null-Strom) in dem Kondensator 26 gespeichert wird. Der Betätigungsimpuls 28 ist in 2(b) gezeigt. Da in einem typischen geschalteten Reluktanzsystem die Zeit T₀ nicht notwendigerweise dem zentralen System bekannt ist, aber T₁ (der Moment, in dem die Phasenwicklung erneut erregt wird) bekannt ist, kann es bequem sein, einen Betätigungsimpuls 28' zu verwenden, wie in 2(c) gezeigt, der bei T₁ beginnt und eine kurze Zeit später bei T₂ endet. Da bei einer typischen geschalteten Reluktanzmaschine die Periode des Phasenstromzyklus (d. h. T₃–T₀) vergleichsweise kurz sein kann (z. B. einige Millisekunden), ist der Fehler, der durch das Öffnen des Abtast-Halte-Schalters 22 nach dem Intervall des Null-Stroms (d. h. T₀ bis T₁) klein.
Die Offset-Spannung wird von dem nachfolgenden Sensor-Ausgang subtrahiert, was zu einer genaueren Strommessung führt, die bezüglich des Offset kompensiert ist. Vorausgesetzt, der Offset wird oft genug abgetastet, dann kann der Offset-Drift in Folge von Temperatur- und Versorgungsspannungsveränderungen größtenteils vermieden werden. Lediglich die Veränderung über einen Abtast-Intervall bleibt erhalten. In dem Fall einer geschalteten Reluktanzmaschine ist der Strom zu dem fraglichen Zeitpunkt als Null bekannt. Daher erfordert dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung keinen Vorspannungseingang zu dem Komparator, wodurch der Referenzstrom I_r zu dem vorbestimmten Zeitpunkt angegeben wird.
In 3 ist eine teilweise digitale Implementierung der Erfindung gezeigt. Der Ausgang von dem Hall-Effekt-Element 10 wird einer digitalen Abtast-Halte-Schaltung 18' zugeführt, die einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 30 aufweist, wobei das digitale Offset-Wort in dem Offset-Speicher 32 gespeichert wird. Eine digitale Version von dem Strom-Referenz-Wort I_r, das den bekannten Strom zu dem vorbestimmten Zeitpunkt darstellt, wird von dem Offset-Wort subtrahiert, das in dem Speicher 32 gespeichert ist, und zwar in einer digitalen Subtrahiereinrichtung. Die Differenz zwischen dem Offset-Wort und dem Strom-Referenz-Wort I_r, dargestellt durch den Ausgang von der Subtrahiereinrichtung 33, wird einem Digital/Analog-Wandler (DAC) 34 zugeführt, und der analoge Ausgang von dem DAC 34 wird dem invertierenden Eingang der analogen Differenzierschaltung 16 zugeführt, wo er von dem Ausgang des Hall-Effekt-Elements 10 subtrahiert wird. Wie schon zuvor, ist der Ausgang von der Differenzierschaltung 16 das bezüglich des Offset eingestellte (kompensierte) Signal von dem Hall-Effekt-Element 10, das den überwachten Strom angibt. Wie bei der vollständig analogen Implementierung der Erfindung wird bewirkt, dass die Abtast-Halte-Schaltung 18' einen Abtastwert von dem Ausgang des Hall-Effekt-Elements mit Hilfe von dem Impuls 28 an den Null-Strom-Punkten abnimmt. Dadurch wird außerdem das unkompensierte Wort in den Offset-Speicher 32 geladen.
Der Referenz-Strom I_r wird digital erzeugt, dann wird die Differenz zwischen dem Wort in dem Offset-Speicher und I_r mit dem tatsächlichen Wert in der analogen Umgebung verglichen. Dies ist bei einigen Anwendungen der auf Schaltern basierenden elektrischen Regelung wahrscheinlich erforderlich, wo ein auf Software-basierender, vollständig digitaler Ausgang zu langsam sein kann, um die aktuelle Strom-Steuerung zu implementieren.
Im Zusammenhang mit einer Steuerung für eine geschaltete Reluktanzmaschine ist der Phasenwicklungsstrom ein Teil der Information, die zurückgeführt wird, wodurch die Steuerung ihre Algorithmus-Steuerungsfunktion bewirkt. Da das Strom-Rückführ-Signal durch die Differenz zwischen dem Ausgang des Hall-Effekt-Elements 10 und dem Ausgang von dem DAC 34 angetrieben wird, ist das Addieren des Offset zu dem negierten Referenz-Signal äquivalent zu dessen Subtraktion von dem Hall-Effekt-Element-Ausgang. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die Abtast-Halte-Schaltung und die Subtrahiereinrichtung 33 vollständig durch Software implementiert werden können. Es ist ein Analog/Digital-Wandler erforderlich, aber dies macht es lediglich erforderlich, das Offset-Wort relativ selten zu aktualisieren, so dass in vielen Anwendungen kein Hochleistungs-Wandler erforderlich ist. Viele Systeme haben einen ADC-Kanal, der für solche Zwecke verfügbar ist. Mikro-Steuerungen haben manchmal eingebaute Mehrfach-Kanal-ADCs, die bei der Durchführung dieser Erfindung praktisch sein können.
Durch die Erfindung wird ein preiswertes Überwachungssystem zur Verfügung gestellt, das einen verminderten Offset-Drift bietet. Es wird ebenfalls die Notwendigkeit des anfänglichen Einstellens der Offset-Parameter für die einzelnen Wandler, Verstärker etc. vermieden. Sie verwendet Intervalle, in denen bekannt ist, dass die Wellenform einen bestimmten Wert hat, und sie ist daher für die Verwendung bei einem geschalteten Reluktanzantrieb sehr geeignet.
4 zeigt einen geschalteten Reluktanzantrieb, bei dem die Erfindung implementiert ist. Er enthält eine geschaltete Dreiphasen-Reluktanzmaschine 36, die zum Zwecke der Darstellung anhand eines Motors beschrieben ist. Die Maschine hat Phasenwicklungen A, B und C, einen Rotor R und einen Stator S. In dieser stark vereinfachten Darstellung wird die Maschine 36 durch eine auf einem Mikroprozessor basierende Steuerung 38 gesteuert, die Rückführ-Signale von einem Rotor-Positions-Wandler 40, wie er in der Technik allgemein bekannt ist, und Phasenstrom-Informationen von dem Hall-Effekt-Element 10 auf Leitungen 42 bzw. 44 erhält. Gemäß der bekannten Steuerstrategien erzeugt die Steuerung 38 Steuersignale auf Leitungen 46, die die Betätigung einer herkömmlichen Schaltereinrichtung 48 steuern, durch die den Phasenwicklungen von einer elektrischen Quelle V Spannung zugeführt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Referenzzeit, die durch die Steuerung 38 abgeleitet wird, um die Schalter zu betätigen, ebenfalls verwendet, um die Zeitpunkte zu bestimmen, in denen der Strom in einer der Phasenwicklungen gleich Null ist. An diesem berechneten Zeitpunkt erfolgt die Offset-Ablesung, entweder in analoger oder digitaler Form, die durch Abtasten des Ausgangs von dem Hall-Effekt-Element 10 erhalten wird. Die Null-Strom-Zeitpunkte treten wiederholt auf, wenn sich der Rotor des Motors dreht, um so zu ermöglichen, dass der Offset-Wert bzw. das Offset-Wort aktualisiert wird, bevor ein signifikanter Drift von der letzten Kompensation erfolgt.
Für den Fachmann ist offensichtlich, dass diese Erfindung auf viele Wandler anwendbar ist, die Gegenstand von Drift oder anderem Offset von einem kalibrierten Zustand über der Zeit sind. Die Erfindung ist insbesondere beispielsweise bei elektrischen Maschinen anwendbar, bei denen ein bekannter Wert von dem überwachten Parameter regelmäßig, vorzugsweise periodisch, gemäß einem bekannten Zyklus auftritt. Sie ist jedoch gleichermaßen auf andere Wandler anwendbar, die andere Parameter messen, bei denen die Notwendigkeit einer Ausgangs-Offset-Kompensation vorliegt. Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die anhand der obigen Beispiele und der Beschreibung offenbart sind, kann die Erfindung unter Verwendung verschiedener Schaltungstypen und Anordnungen implementiert werden und auf verschiedenen Wegen angewendet werden. Der Fachmann erkennt leicht, dass diese und weitere Modifikationen und Veränderungen bezüglich der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne strikt der beispielhaften Anwendung zu folgen, die hier dargestellt und beschrieben ist, und ohne vom wahren Geist und Inhalt der vorliegenden Erfindung abzuweichen, die in den nachfolgenden Ansprüchen beansprucht ist.

Claims

Wandler-Schaltung mit einem einzigen Wandler (10) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Größe von einem überwachten Parameter (I) angibt, einer Abtasteinrichtung (18) zum Abtasten des Wandler-Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt, der einem bekannten Wert von der Größe des Parameters entspricht, wobei die Abtasteinrichtung dazu ausgestaltet ist, um das abgetastete Ausgangssignal als ein Offset-Signal zu speichern, wobei die Schaltung außerdem aufweist: eine Differenziereinrichtung (16), die dazu ausgestaltet ist, um zumindest ein nachfolgendes Wandler-Ausgangssignal sowie das Offset-Signal zu empfangen und einen kompensierten Ausgang zu erzeugen, der die Differenz- zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und zumindest dem Offset-Signal ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Abtasteinrichtung eine Abtast-Halte-Schaltung enthält, wobei die Abtast-Halte-Schaltung betrieben werden kann, um das Wandler-Ausgangssignal zu diesem Zeitpunkt abzutasten und um die abgetastete Ausgabe als das Offset-Signal zu halten.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Differenziereinrichtung außerdem dazu ausgestaltet ist, um ein Referenz-Signal (I_r) zu empfangen, das einem kalibrierten Ausgang von dem Wandler zu diesem Zeitpunkt entspricht, so dass das Referenz-Signal zu dem kompensierten Ausgang addiert wird.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abtasteinrichtung eine Steuervorrichtung und einen Speicherkondensator aufweist, wobei die Steuervorrichtung zu diesem Zeitpunkt betätigt werden kann, um zu ermöglichen, dass der Wandler-Ausgang dem Speicher kondensator zugeführt und als das Offset-Signal darin gespeichert werden kann.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Abtasteinrichtung einen Analog/Digital-Wandler ADC (30) und einen digitalen Wortspeicher (32) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, um den Ausgang von dem ADC zu empfangen, wobei der ADC in Reaktion auf ein Betätigungssignal betrieben werden kann, um den Wandler-Ausgang zu diesem Zeitpunkt in ein digitales Wort umzuwandeln, wobei das digitale Wort in dem digitalen Wortspeicher als das Offset-Signal gespeichert werden kann.
Schaltung nach Anspruch 5, außerdem mit einer zweiten Differenziereinrichtung (33), die dazu ausgestaltet ist, einen Ausgang zu erzeugen, der die Differenz zwischen dem Offset-Signal und dem Differenz-Signal in der Form von einem Referenz-Wort ist, wobei die Schaltung außerdem einen Digital/Analog-Wandler DAC (34) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, um das Referenz-Wort in ein analoges Signal umzuwandeln und das analoge Signal zu der Differenziereinrichtung (16) zu übertragen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler ein Strom-Wandler ist, der beispielsweise ein Hall-Effekt-Element beinhaltet.
Elektromaschinen-Antriebssystem, mit einer elektrischen Maschine, einer Maschinen-Steuerung und einer Wandler-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
System nach Anspruch 8, bei dem der Wandler ein Strom-Wandler ist, der dazu ausgestaltet ist, um einen Strom in der elektrischen Maschine zu überwachen.
System nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem die elektrische Maschine eine geschaltete Reluktanzmaschine ist, die gemäß einem Phasen-Tnduktanz-Zyklus betätigbar ist, und bei dem die Steuerung betätigbar ist, um die Abtasteinrichtung während des Phasen-Induktanz-Zyklus der elektrischen Maschine zu aktivieren.
System nach Anspruch 10, bei dem der Wandler dazu ausgestaltet ist, um Strom zu überwachen, um ein Signal zur Verfügung zu stellen, das den Wicklungsstrom angibt, wobei dieser Zeitpunkt mit einem Intervall zusammenfällt, in dem der Strom in der Wicklung im wesentlichen Null ist.
Verfahren zum Kompensieren des Offset in dem Ausgang von einem einzigen Wandler in einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren umfasst: Abtasten des Ausgangssignals von dem Wandler zu einem Zeitpunkt, der einem bekannten Wert der Größe des durch den Wandler überwachten Parameters entspricht; Speichern des abgetasteten Ausgangssignals als ein Offset-Signal; und Bestimmen der Differenz zwischen zumindest einem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und dem Offset-Signal, um einen kompensierten Ausgang zu erzeugen, der die Differenz zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und zumindest dem Offset-Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 12, mit: Steuern des Wandler-Ausgangssignals zu diesem Zeitpunkt und Speichern des Wandler-Ausgangssignals in einem Speicherkondensator.
Verfahren nach Anspruch 12, mit: Subtrahieren eines Referenz-Signals, das dem Ausgang des Wandlers zu diesem Zeitpunkt entspricht, von dem Offset-Signal, um einen Ausgang in der Form einer zweiten Differenz zwischen dem Ausgang der Abtasteinrichtung und dem Referenz-Signal zu erzeugen, und Bestimmen der Differenz zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und der zweiten Differenz.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 14, mit: Konvertieren des Ausgangs des Wandlers zu diesem Zeitpunkt in ein digitales Wort und Speichern des digitalen Worts in einem digitalen Wortspeicher als ein Offset-Wort.
Verfahren nach Anspruch 15, sofern abhängig von Anspruch 14, bei dem der Ausgang die Form von einem digitalen Wort hat, das durch Subtrahieren des Referenz-Signals in der Form von einem Referenz-Wort von dem Offset-Wort erzeugt wird, und das digitale Wort dann in ein analoges Signal umgewandelt wird, wobei die bestimmte Differenz die Differenz zwischen dem nachfolgenden Wandler-Ausgangssignal und dem analogen Signal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem der Parameter der Strom in einer elektrischen Maschine ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Maschine eine geschaltete Reluktanzmaschine ist und der überwachte Strom ein Signal liefert, das den Wicklungsstrom in der Maschine angibt, wobei dieser Zeitpunkt mit einem Intervall zusammenfällt, in dem der Strom in der Wicklung im wesentlichen Null ist.