Strommessung in der Antriebstechnik mit Mikrocontroller

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Bei der XMC4000-Familie wurde Wert darauf gelegt, eine komplexe Wandlungssequenz bestehend aus mehreren Signalen vorab zu programmieren und über eine Zeitsteuerung vollständig ohne Einbindung der CPU ablaufen zu lassen. Das Zusammenspiel der ADC-Kerne mit der PWM-Einheit ist aufeinander abgestimmt und kann je nach Anwendungsfall flexibel gestaltet werden (Bild 3).

Phasenstrommessung mittels Delta-Sigma-ADC

Eine preiswertere Methode ist die Messung über je einen Shunt pro Phase. Da der Phasenstrom kontinuierlich ist, eignet sich auch ein A/D-Wandler, der nach dem Delta-Sigma-Prinzip arbeitet. Dieser besteht aus zwei Teilen, dem Modulator, der das analoge Signal erfasst und in einen seriellen Bitstrom umwandelt, und dem Demodulator, der den Bitstrom über einen digitalen Kammfilter in ein lesbares Ergebnis umformt. Eine Isolationsstrecke lässt sich leicht zwischen dem Modulator und dem Demodulator bauen.

Beim XMC4500 sind gleich vier Demodulatorkanäle auf dem Chip integriert (siehe Bild 4). Passend dazu gibt es von Infineon Leistungsmodule mit integrierter Strommessung und Isolationsstrecke: die Familie MIPAQ.

Die digitale Filterung im Demodulator bewirkt ein relativ träges System, das keinen Momentanwert des Stroms liefert; dafür aber einen über das Dezimationszeitfenster gefilterten Mittelwert. Der per Software wählbare Dezimationsfaktor und der Filtertyp bestimmen die Auflösung der Messung. Wenn mehrere Modulatoren auf unterschiedlichen Taktquellen laufen, kann es zu Schwebungen aufgrund Taktdrift kommen. Dies beeinträchtigt die Genauigkeit bei einer mehrphasigen Messung.

Signalaufbereitung vereinfachen

Auch hier gibt es eine Lösung im XMC4500. Beim Auslesen des Ergebnisses wird ein Zeitstempel erzeugt, der auf das Alter zurückschließen lässt. Die Regelung kann dann mittels Softwareinterpolation quasi Gleichzeitigkeit von unterschiedlichen Stromsensoren erreichen.

Um auf Überströme schnell zu reagieren, gibt es für jeden Kanal einen separaten schnellen Filter, dem eine Grenzwertüberwachung nachgeschaltet ist.

Wie in Bild 2 (bei C) zu sehen, ist der Emitterstrom ein pulsförmiges und bidirektionales Signal. Die Pulslänge hängt vom Drehmoment und vom Rotorwinkel ab. Anders als in den beiden vorangegangenen Methoden, ist das Emitterstromsignal also nicht jederzeit messbar. Eine zeitliche Synchronisation auf das zugehörige PWM-Signal ist daher notwendig. Da das Shuntsignal denselben Massebezug wie die MCU hat, vereinfacht sich die Signalaufbereitung.

Lastabhängige Bereichsumschaltung

Um die Verlustleistung am Shunt und die Systemrückwirkung gering zu halten, werden möglichst niederohmige Widerstandswerte verwendet, was eine Signalverstärkung mittels Operationsverstärker (OPV) notwendig macht. Um den vollen Wertebereich bei moderatem Verstärkungsfaktor auszuschöpfen, bietet sich eine lastabhängige Bereichsumschaltung an. Hierzu kann man den Referenzspannungsbereich des ADC von ca. 1 bis 3,6 V verstellen, was der eingebaute Digital/Analog-Wandler (DAC) leicht bewerkstelligt.

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