Motorsteuerung Strommessung in der Antriebstechnik mit Mikrocontroller

Optimierte Antriebsregelungen brauchen Frequenzumrichter mit einer genauen Strommessung. Die 32-Bit-Mikrocontroller der XMC4000-Reihe wurden genau dafür entwickelt.

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Ein wichtiger Teil eines Frequenzumrichters ist die Strommessung, die die Basis für die Regelung legt. Messfehler lassen sich nur schwer erkennen und pflanzen sich durch den ganzen Regelalgorithmus fort. Die Genauigkeit der Strommessung bestimmt am Ende den Wirkungsgrad und die Performance des Antriebes.

Je nach Anwendung, Leistung und Performance gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Strom eines Motors zu bestimmen (Bild 1). Abhängig vom Ort gestaltet sich die Messung mehr oder weniger aufwändig. So erfordert ein direkt gemessener Phasenstrom (Punkt A oder B) eine potenzialfreie Messung, während die Ströme im Emitterpfad oder im negativen Zwischenkreis (Punkt C und D) den gleichen Massebezug wie die MCU haben.

Die direkte Phasenstrommessung liefert ein kontinuierliches bidirektionales Signal (Bild 2 bei A und B), der Emitterpfad ein pulsförmiges bidirektionales (C) und der negative Zwischenkreis ein unidirektionales pulsförmiges Signal (D). Nur die direkte Phasenstrommessung liefert also zu jedem Zeitpunkt die wirklichen Ströme des Motors, während alle anderen Methoden Einschränkungen haben.

Phasenstrommessung mittels Stromwandler

Bei hochwertigen Anwendungen wie Servomotoren und höheren Leistungsklassen (mehrere kW) wird meist die Phasenstrommessung verwendet, während man im Universalbereich auf die Emitterpfadmessung zurückgreift. Die Messung im negativen Zwischenkreis findet bei den Consumer-Antrieben Verwendung oder wird als sensorloser Notlauf benutzt.

Bei der direkten Phasenstrommessung kann die MCU den Strom wegen des unterschiedlichen Potenzials nicht direkt erfassen. Eine Potenzialtrennung ist mittels eines Stromwandlers möglich (Bild 1 bei B). Dieser misst indirekt den Strom über das Magnetfeld, das durch einen stromdurchflossenen Leiter entsteht. Nach der Signalaufbereitung steht der MCU ein analoges Signal zur Verfügung, welches sich leicht mit einem integrierten A/D-Wandler (ADC) messen lässt.

Eine gleichzeitige und äquidistante Messung vermeidet systematische Messfehler. Dazu synchronisiert man die Abtastung der A/D-Wandlung auf die PWM-Einheit. Beim XMC4500 stehen dafür Triggersignale zur Verfügung, die sich über eine Verbindungsmatrix flexibel zum Starten der vier ADC-Kerne verwenden lassen.

Mechanismus zur Mess-Priorisierung erforderlich

Außerdem sind auch noch andere analoge Signale wie Zwischenkreisspannung, Phasenspannung, Temperatur, Hilfsspannungen etc. zu überwachen. Eine Beeinträchtigung oder ein zeitlicher Verzug der Strommessung ist hierbei unbedingt zu vermeiden. Da ein ADC nicht gleichzeitig zwei Signale messen kann, ist ein Mechanismus zur Priorisierung notwendig, der der Strommessung Vorrang gibt.

Eine Eigenschaft wie das sofortige Abbrechen einer niederprioren Wandlung, das Einfügen der Strommessung und das Wiederholen der abgebrochenen Wandlung sind unverzichtbar. Ein ausgeklügelter Trigger- und Gating-Mechanismus garantiert Wandlung zum richtigen Zeitpunkt und verhindert fehlerhafte Wandlungen.

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