DE10205022C1

DE10205022C1 - Load current detection circuit has amplification of difference amplifier signal proportional to load current halved in free-running mode of H-bridge circuit containing load

Info

Publication number: DE10205022C1
Application number: DE2002105022
Authority: DE
Inventors: Kimmo Tolsa
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-02-08

Abstract

The voltages across 2 equal ohmic resistances (12,13) in parallel bridge arms (6,7) of the H-bridge circuit containing the load (2) are supplied to respective inputs of a difference amplifier (14), for providing a difference signal at the amplifier output (15) which is proportional to the load current. The amplifier output is coupled to a variable amplifier (16), its control input (19) supplied with a control signal for halving the amplification in free-running operation of the H-bridge circuit with current circulation through the load and both ohmic resistances.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln des durch eine Last fließenden Stromes, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1The present invention relates to a circuit arrangement for determining the through a load flowing current, according to the features of the preamble of claim 1

Üblicher Weise werden Gleichstrommotoren mit solchen als H-Brückenschaltung ausgeführten Wechselrichtern angesteuert. Dabei liegt jeweils im Querzweig einer solchen H-Brückenschaltung als Last eine Ankerwicklung eines Gleichstrommotors. Die H-Brückenschaltung kann als Zwei-Quadrantenwechselrichter, bei dem in nur zwei einander diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen elektronische Schalter angeordnet sind, oder als Vier-Quadrantenwechselrichter ausgeführt sein, bei dem in allen vier Brückenzweigen elektronische Schalter angeordnet sind. Ein Vier- Quadrantenwechselrichter ermöglicht eine Rechts- und Linkslaufsteuerung des Gleichstrommotors.DC motors with such as an H-bridge circuit are usually used executed inverters. There is one in each of the cross branches such an H-bridge circuit as an armature winding of a DC motor as a load. The H-bridge circuit can be used as a two-quadrant inverter, with only two electronic switches diagonally opposite bridge branches are arranged, or be designed as a four-quadrant inverter, in which electronic switches are arranged in all four bridge branches. A four Quadrant inverter enables right and left rotation control of the DC motor.

Ein als H-Brückenschaltung ausgeführter Wechselrichter für einen Gleichstrommotor ist aus der DE 29 30 863 A1 bekannt. Wie in dieser Druckschrift beschrieben, war es bisher üblich, den durch die Last in der H-Brückenschaltung fließenden Strom mittels eines in Reihe zur Last im Querzweig der H-Brückenschaltung eingefügten ohmschen Widerstandes zu erfassen. Dieser durch die Last fließende Strom dient, wenn die Last z. B. die Ankerwicklung eines Gleichstrommotors ist, zur Steuerung der Leistung bzw. der Drehzahl des Motors. Dieses herkömmliche Strommeßverfahren hat den Nachteil, dass die an dem Meßwiderstand im Querzweig der H-Brückenschaltung abfallende Spannung sehr klein ist im Vergleich zu der an der H-Brückenschaltung anliegenden Versorgungsgleichspannung. Deshalb ist der Gegentaktanteil der an dem Meßwiderstand abfallenden Spannung um viele Größenordnungen geringer als der Gleichtaktanteil. Eine Strommeßschaltung, welche aus der an dem Meßwiderstand abfallenden Spannung den Laststrom herleitet, muß daher eine sehr hohe statische und dynamische Gleichtaktunterdrückung aufweisen, die zufriedenstellend nur mit aufwendigen und daher teuren Potenzial trennenden Meßgebern zu erreichen ist. Solche Potential trennende Meßgeber sind z. B. Hallwandler oder Isolierverstärker. Mit einfachen Differenzverstärkern lässt sich eine hohe Gleichtaktunterdrückung nicht bewerkstelligen.An inverter designed as an H-bridge circuit for a DC motor is known from DE 29 30 863 A1. As described in this publication, it was previously usual, the current flowing through the load in the H-bridge circuit by means of a Row to the load inserted in the shunt arm of the H-bridge circuit Resistance. This current flowing through the load serves when the load z. B. is the armature winding of a DC motor to control the power or the Engine speed. This conventional current measurement method has the disadvantage that the voltage drop across the measuring resistor in the shunt arm of the H-bridge circuit is very small compared to the one connected to the H-bridge circuit DC supply voltage. The push-pull component is therefore that of the measuring resistor falling voltage by many orders of magnitude less than the common mode component. A Current measuring circuit, which from the voltage drop across the measuring resistor Derives load current, must therefore have a very high static and dynamic Have common mode rejection that is satisfactory only with elaborate and therefore expensive potential isolating sensors can be reached. Such potential separating Measuring sensors are e.g. B. Hall converter or isolation amplifier. With simple Differential amplifiers cannot achieve a high common mode rejection.

Um ein möglichst fehlerfreies und durch Störspannungen nicht verzerrtes Messsignal für den Laststrom zu erhalten, wird in der DE 29 30 863 A1 vorgeschlagen, in zwei parallelen Zweigen der H-Brückenschaltung zwei gleich große ohmsche Widerstände einzufügen. Jedem der beiden Widerstände ist ein Differenzverstärker zugeordnet, der die an dem jeweiligen Widerstand abfallende Spannung erfaßt. Es erfordert eine aufwendigere Schaltung, um aus den Ausgangssignalen der beiden Differenzverstärker den Strom durch die Last im Querzweig der H-Brückenschaltung abzuleiten.To ensure that the measurement signal for is as error-free as possible and not distorted by interference voltages To obtain the load current is proposed in DE 29 30 863 A1, in two parallel branches of the H-bridge circuit two equal ohmic resistors insert. A differential amplifier is assigned to each of the two resistors voltage drop across the respective resistance is detected. It requires one more complex circuit to get from the output signals of the two differential amplifiers derive the current through the load in the shunt arm of the H-bridge circuit.

Aus der EP 315 597 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln des durch eine Last fließenden Stromes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt, wobei die an einer Gleichspannungsquelle angeschlossene Last im Querzweig einer H-Brückenschaltung angeordnet ist, bei der mindestens zwei diagonale Brückenzweige elektronische Schalter aufweisen und in zwei parallelen Brückenzweigen ohmsche Widerstände eingesetzt sind. Dabei sind Schaltungsmittel vorgesehen, welche aus den an den beiden Widerständen abfallenden Spannungen den durch die Last fließenden Strom herleiten, und es ist ein Differenzverstärker vorhanden, dessen Eingänge an die beiden Widerstände zum Abgreifen der an ihnen anliegenden Spannungen angeschlossen sind und dessen Ausgang eine dem durch die Last fließenden Strom proportionale Differenzspannung liefert. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers würde dann nicht mehr einen dem wahren Strom proportionalen Wert angeben, wenn ein Freilauf der Brückenschaltung zulässig wäre.EP 315 597 B1 describes a circuit arrangement for determining the load flowing current known according to the preamble of claim 1, wherein the connected to a DC voltage source Load is arranged in the shunt arm of an H-bridge circuit, in which at least two Diagonal bridge branches have electronic switches and two in parallel Bridge branches of ohmic resistors are used. There are circuit means provided which from the voltages dropping across the two resistors derive current flowing through the load and there is a differential amplifier whose inputs to the two resistors for tapping the adjacent ones Voltages are connected and its output is one that flows through the load Current proportional differential voltage supplies. The output signal of the Differential amplifier would then no longer be proportional to the true current Specify a value if free running of the bridge circuit would be permitted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit möglichst geringem Schaltungsaufwand den Strom durch die Last im Querzweig der H-Brückenschaltung möglichst fehlerfrei erfaßt, auch wenn die Brückenschaltung im Freilauf betrieben wird.The invention has for its object a circuit arrangement of the beginning Specify the type mentioned, the current with the least possible circuitry detected by the load in the transverse branch of the H-bridge circuit as error-free as possible, too if the bridge circuit is operated in freewheel mode.

Advantages of the invention

Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die ohmschen Widerstände gleich groß sind, dass an den Ausgang des Differenzverstärkers ein Verstärker mit veränderbarer Verstärkung angeschlossen ist und dass an einem Steuereingang des Verstärkers ein Steuersignal anliegt, das eine Halbierung der Verstärkung veranlaßt, wenn die H-Brückenschaltung im Freilauf betrieben wird, bei dem eine Stromzirkulation über die Last und die beiden Widerstände stattfindet. Somit ist auch eine sichere Ladestromerfassung möglich, wenn der Freilaufbetrieb der H-Brückenschaltung zugelassen ist.The stated object is achieved with the features of claim 1 in that the ohmic resistances are the same size that at the output of the differential amplifier an amplifier with variable gain is connected and that to one Control input of the amplifier is a control signal that halves the Gain causes when the H-bridge circuit is freewheeling is operated in which a current circulation via the load and the two resistances take place. So that's one too Safe charging current detection possible when freewheeling the H-bridge circuit is approved.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird vorteilhafter Weise zur Messung des durch eine induktive Last fließenden Stromes, vorzugsweise des durch eine Wicklung eines Reluk tanzmotors fließenden Stromes verwendet.The circuit arrangement according to the invention becomes more advantageous Way of measuring the flowing through an inductive load Current, preferably that by winding a relay dance motor flowing current used.

drawings

Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei spiele wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:On the basis of two exemplary embodiments shown in the drawing games, the invention is explained in more detail below. It demonstrate:

Fig. 1 eine Schaltung zur Laststromerfassung in einer H- Brückenschaltung mit Zwei-Quadrantenbetrieb und Fig. 1 shows a circuit for load current detection in an H-bridge circuit with two-quadrant operation and

Fig. 2 eine Schaltung zur Laststromerfassung in einer H- Brückenschaltung mit Vier-Quadrantenbetrieb. Fig. 2 shows a circuit for load current detection in an H-bridge circuit with four-quadrant operation.

Description of exemplary embodiments

In der Fig. 1 ist eine an eine Gleichspannungsquelle 1 an geschlossene H-Brückenschaltung dargestellt. Über diese als Wechselrichter wirkende H-Brückenschaltung wird eine Last 2 mit Strom gespeist. Die Last 2 ist im Querzweig 3 der H- Brückenschaltung angeordnet. Von den anderen vier jeweils paarweise parallelen Brückenzweigen 4, 5, 6 und 7 sind in den diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen 4 und 7 elek tronische Schalter 8 und 9, vorzugsweise FET-Transistoren, eingesetzt. Bei entsprechender Ansteuerung der elektroni schen Schalter 8 und 9 wird ein Strom aus der Gleichspan nungsquelle 1 über den Brückenzweig 4, die Last 2 im Quer zweig 3 und über den Brückenzweig 7 geleitet. Ist beispiels weise die Last 2 die induktive Wicklung eines Motors, so sind in den diagonalen Brückenkreise 5 und 6 Dioden 10 und 11 angeordnet, welche im Freilauffall die Gegeninduktivi täts-Energie abbauen.In Fig. 1 a closed to a DC voltage source 1 to H-bridge circuit is illustrated. A load 2 is supplied with current via this H-bridge circuit, which acts as an inverter. The load 2 is arranged in the transverse branch 3 of the H-bridge circuit. Of the other four pairs of bridges 4 , 5 , 6 and 7 that are in parallel, electronic switches 8 and 9 , preferably FET transistors, are used in the diagonally opposite bridge branches 4 and 7 . With appropriate control of the electronic switch's 8 and 9 , a current from the direct voltage voltage source 1 via the bridge branch 4 , the load 2 in the cross branch 3 and the bridge branch 7 is passed . For example, if the load 2 is the inductive winding of a motor, diodes 10 and 11 are arranged in the diagonal bridge circuits 5 and 6 , which reduce the mutual inductance energy in the freewheeling case.

Um den durch die Last 2 im Querzweig 3 der H- Brückenschaltung fließenden Strom erfassen zu können, sind in die beiden parallelen Brückenzweige 6 und 7 gleich große ohmsche Widerstände 12 und 13 eingefügt. Die an den beiden Widerständen 12 und 13 abfallenden Spannungen liegen an den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 15 an. Dazu ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der negative Ein gang des Differenzverstärkers 14 an den Widerstand 12 und der positive Eingang des Differenzverstärkers 14 an den Wi derstand 13 angeschlossen. Die Anschlüsse der beiden Wider stände 12 und 13 an den Differenzverstärker 14 können auch vertauscht werden.In order to be able to detect the current flowing through the load 2 in the transverse branch 3 of the H-bridge circuit, ohmic resistors 12 and 13 of the same size are inserted into the two parallel bridge branches 6 and 7 . The voltages dropping across the two resistors 12 and 13 are present at the two inputs of a differential amplifier 15 . For this purpose, in the illustrated embodiment, the negative A gear of the differential amplifier 14 to the resistor 12 and the positive input of the differential amplifier 14 to the resistor 13 connected Wi. The connections of the two opponents 12 and 13 to the differential amplifier 14 can also be interchanged.

Je nach Schaltstrategie der elektronischen Schalter 8 und 9 fließt der Laststrom entweder nur über den Widerstand 12 im Brückenzweig 6 oder nur über den Widerstand 13 im Brücken zweig 7. Egal durch welchen der beiden Widerstände 12 und 13 ein Strom fließt, wird die proportional zum Strom an dem be treffenden Widerstand abfallende Spannung durch den Diffe renzverstärker 14 erfaßt, und am Ausgang 15 des Differenz verstärkers 14 ist die Differenzspannung zwischen den an den beiden Widerständen 12 und 13 abfallenden Spannungen ab greifbar. Wenn sowieso nur an jeweils einem der beiden Wi derstände 12 und 13 eine dem Laststrom proportionale Span nung abfällt, liefert der Differenzverstärker 14 an seinem Ausgang 15 genau einen dem Laststrom proportionalen Span nungswert. Depending on the switching strategy of the electronic switches 8 and 9 , the load current either flows only via the resistor 12 in the bridge branch 6 or only via the resistor 13 in the bridge branch 7 . No matter through which of the two resistors 12 and 13 a current flows, the voltage dropping proportional to the current at the relevant resistance is detected by the differential amplifier 14 , and at the output 15 of the differential amplifier 14 is the differential voltage between the two resistors 12th and 13 falling voltages are available. If anyway at only one of the two Wi resistors 12 and 13 drops a voltage proportional to the load current, the differential amplifier 14 delivers at its output 15 exactly one voltage value proportional to the load current.

Dadurch, dass hier für die Strommessung Widerstände 12, 13 verwendet werden, die an einen Pol der Versorgungsspannungs quelle 1 angeschlossen sind, können bei Betrieb des Wechsel richters keine Potenzialsprünge an den Widerständen 12, 13 auftreten, so dass die Meßwerte ohne überlagertes Gleichtaktsignal abgegriffen werden können. An die nachfol gende Auswerteeinrichtung, hier den Differenzverstärker 14, sind daher keine Anforderungen in Bezug auf eine Gleichtak tunterdrückung zu stellen, so dass der Meßwert mit großer Genauigkeit und geringem schaltungstechnischen Aufwand er faßt werden kann.The fact that resistors 12 , 13 are used here for the current measurement, which are connected to a pole of the supply voltage source 1 , no potential jumps can occur at the resistors 12 , 13 during operation of the inverter, so that the measured values are tapped without a superimposed common mode signal can. To the subsequent evaluation device, here the differential amplifier 14 , there are therefore no requirements with regard to a common mode rejection, so that the measured value can be detected with great accuracy and little circuit complexity.

Sofern die Schaltstrategie des Wechselrichters einen Frei lauf zuläßt, d. h. eine Zirkulation des Stromes über den Querzweig 3 und die beiden mit den Widerständen 12 und 13 beschalteten Brückenzweige 6 und 7, wird an beiden Wider ständen 12 und 13 die gleiche Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen abfallen. Das hätte zur Folge, dass am Ausgang 15 des Differenzverstärkers 14 ein Spannungswert anläge, der doppelt so groß wäre wie die an einem Widerstand 12 bzw. 13 abfallende Spannung. Dieser am Ausgang 15 des Differenzver stärkers 14 anliegende Spannungswert würde dann aber nicht proportional dem wahren durch die Last 2 im Querzweig 3 fließenden Laststrom entsprechen.If the switching strategy of the inverter allows a free run, that is, a circulation of the current through the transverse branch 3 and the two bridges 6 and 7 connected to the resistors 12 and 13 , the same voltage with opposite sign will drop at both opps 12 and 13 . This would have the consequence that there would be a voltage value at the output 15 of the differential amplifier 14 which would be twice as large as the voltage drop across a resistor 12 or 13 . This voltage value present at the output 15 of the differential amplifier 14 would then not correspond proportionally to the true load current flowing through the load 2 in the transverse branch 3 .

Falls also ein Freilauffall eintreten kann, müßte an den Ausgang 15 ein weiterer Verstärker 16 angeschaltet werden, dessen Verstärkung veränderbar ist. Und zwar in der Weise, dass seine Verstärkung halbiert wird, sobald die H- Brückenschaltung in den Freilaufmodus geschaltet worden ist. In einer sehr einfachen Ausführung besteht dieser Verstärker 16 aus einem Operationsverstärker, an dessen positiven Ein gang das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 14 anliegt und dessen Ausgang 17 auf den negativen Eingang rückgekop pelt ist. An den Ausgang ist ein Transistor 18 geschaltet, dessen Steuereingang 19 ein Steuersignal erhält, wenn die H- Brückenschaltung in den Freilaufmodus geschaltet ist. Durch Ansteuerung des Transistors 18 wird die auf den negativen Eingang des Verstärkers 16 gegebene Spannung soweit erhöht, dass am Ausgang 17 des Verstärkers 16 ein Spannungswert an liegt, der halb so groß ist wie der am Ausgang 15 des Diffe renzverstärkers 14 anliegende Spannungswert. Damit hat die am Ausgang 17 des Verstärkers 16 anliegende Spannung einen dem wahren Laststrom proportionalen Wert.If a freewheeling case can occur, a further amplifier 16 would have to be connected to the output 15 , the gain of which can be changed. In such a way that its gain is halved as soon as the H-bridge circuit has been switched to the freewheeling mode. In a very simple embodiment, this amplifier 16 consists of an operational amplifier, at the positive input of which the output signal of the differential amplifier 14 is present and the output 17 of which is fed back to the negative input. A transistor 18 is connected to the output, the control input 19 of which receives a control signal when the H-bridge circuit is switched to the freewheeling mode. By actuating the transistor 18 , the voltage applied to the negative input of the amplifier 16 is increased to such an extent that a voltage value is present at the output 17 of the amplifier 16 which is half as large as the voltage value present at the output 15 of the differential amplifier 14 . The voltage present at the output 17 of the amplifier 16 thus has a value proportional to the true load current.

Durch die Schaltvorgänge der elektronischen Schalter 8 und 9 können der an dem Widerstand 12 bzw. 13 abfallenden Spannung und, damit auch der am Ausgang 15 des Differenzverstärkers 14 bzw. am Ausgang 17 des Verstärkers 16 anstehenden Meßspan nung Spannungsspitzen überlagert sein. Sollten diese Span nungsspitzen sich störend auf den Messungen auswirken, ist es zweckmäßig, entweder an den Ausgang 15 des Differenzver stärkers 14 oder an den Ausgang 17 des Verstärkers 16, so fern dieser für den Freilauffall vorgesehen ist, einen Track-And-Hold-Verstärker 20 anzuschließen, der Spannungs spitzen im Ausgangssignal des Differenzverstärkers 14 bzw. des Verstärkers 16 eliminiert.Due to the switching operations of the electronic switches 8 and 9 , the voltage drop across the resistor 12 and 13, and thus the voltage at the output 15 of the differential amplifier 14 and the output 17 of the amplifier 16, can be superimposed on voltage peaks. Should these voltage peaks interfere with the measurements, it is advisable either to the output 15 of the differential amplifier 14 or to the output 17 of the amplifier 16 , insofar as this is provided for free running, a track-and-hold amplifier To connect 20 , the voltage peaks in the output signal of the differential amplifier 14 and the amplifier 16 are eliminated.

Die in der Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung hat die gleiche Funktion wie die zuvor beschriebene, in Fig. 1 dar gestellte Schaltungsanordnung. Deshalb tragen in beiden Schaltungsanordnungen vorkommende Schaltungsteile gleiche Bezugszeichen. Die Schaltungsanordnung in Fig. 2 unter scheidet sich gegenüber der in Fig. 1 lediglich dadurch, dass auch in den diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen 5 und 6 (anstelle der Dioden 10 und 11 in Fig. 1) ebenfalls elektronische Schalter 21 und 22 eingefügt sind. Mit Schal tern 8, 9, 21 und 22 in allen Brückenzweigen 4, 5, 6, 7 ist eine Schaltstrategie der H-Brückenschaltung möglich, die ei nen bidirektionalen Stromfluß durch die Last 2 im Querzweig 3 zuläßt.The circuit arrangement shown in FIG. 2 has the same function as the previously described circuit arrangement shown in FIG. 1. Therefore, circuit parts occurring in both circuit arrangements have the same reference numerals. The circuit arrangement in FIG. 2 differs from that in FIG. 1 only in that electronic switches 21 and 22 are also inserted in the diagonally opposite bridge branches 5 and 6 (instead of the diodes 10 and 11 in FIG. 1). With scarf terns 8 , 9 , 21 and 22 in all bridge branches 4 , 5 , 6 , 7 , a switching strategy of the H-bridge circuit is possible, which permits a bidirectional current flow through the load 2 in the transverse branch 3 .

Für die Ansteuerung eines Gleichstrommotors, der in der Re gel drei oder mehrere Ankerwicklungen hat, ist für jede An kerwicklung, deren Laststrom gemessen werden soll, eine ent weder als Zwei-Quadranten oder als Vier-Quadranten ausgeleg te H-Brückenschaltung vorzusehen, wobei alle H- Brückenschaltungen parallel an die Versorgungsspannungsquel le 1 geschaltet sind.For the control of a DC motor, which has three or more armature windings in the rule, for each armature winding whose load current is to be measured, an H-bridge circuit designed either as a two-quadrant or as a four-quadrant must be provided, all of which H-bridge circuits are connected in parallel to the supply voltage source 1 .

Claims

1. Circuit arrangement for determining the current flowing through a load ( 2 ), the load ( 2 ) connected to a DC voltage source ( 1 ) being arranged in the transverse branch ( 3 ) of an H-bridge circuit, in which at least two diagonal bridge branches ( 4 , 7 ; 5 , 6 ) have electronic switches ( 8 , 9 ; 21 , 22 ) and ohmic resistors ( 12 , 13 ) are inserted in two parallel bridge branches ( 6 , 7 ), and circuit means ( 14 ) are provided, which consist of the the two resistors ( 12 , 13 ) dropping voltages derive the current flowing through the load ( 2 ), a differential amplifier ( 14 ) is present, the inputs of which are connected to the two resistors ( 12 , 13 ) for tapping off the voltages applied to them and whose output ( 15 ) provides a differential voltage proportional to the current flowing through the load ( 2 ), characterized in that the resistors ( 12 , 13 ) are of the same size, that at the off gang ( 15 ) of the differential amplifier ( 14 ) an amplifier ( 16 ) with variable gain is connected and that a control signal is present at a control input ( 19 ) of the amplifier, which causes the gain to be halved when the H-bridge circuit is operated in freewheeling mode, in which a current circulation takes place via the load ( 2 ) and the two resistors ( 12 , 13 ).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the load ( 2 ) is an inductive load, preferably a winding of a reluctance motor.