DE3708892A1

DE3708892A1 - Strommesseinrichtung, insbesondere zur bestimmung des motorstroms eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE3708892A1
Application number: DE19873708892
Authority: DE
Inventors: Bertold Dipl Ing Gruetzmacher; Helmut Dipl Ing Meyer
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1987-03-19
Publication date: 1988-09-29
Anticipated expiration: 2007-03-20
Also published as: US4851763A; FR2612644B1; FR2612644A1; JPH071283B2; DE3708892C2; GB2202338A; GB2202338B; JPS63252264A; GB8805725D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Strommeßeinrichtung, insbesondere zur Bestimmung des Motorstroms eines Gleichstrommotors mit einem berührungslos arbeitenden Stromsensor und einer diesem nachgeschalteten Auswerteeinrichtung zur Erzeugung eines dem Meßstrom proportionalen Ausgangssignals.

Strommeßeinrichtungen, die eine potentialfreie Messung eines Gleich- oder Wechselstroms ermöglichen, sind beispielsweise berührungslose Stromwandler, die das Magnetfeld des Meßstroms sensieren und dessen Stärke, z.B. mit Hall-Effekt-Sensoren in elektrische Signale umwandeln. Dabei wird in der Regel eine sehr kleine, dem Meßstrom entsprechende Spannung erzeugt, die elektronisch verstärkt wird. Eine Meßeinrichtung dieser Art ist beispielsweise ein Stromwandler der Serie IB-5000 M der Firma Cunz, Frankfurt. Bekanntlich weisen solche Stromwandler einen Null-Offset-Strom auf, der ein gewisses Driftverhalten zeigt. So entsteht beispielsweise durch Temperaturänderung, Alterung oder Schwankung der Versorgungsspannung eine solche Nullpunktdrift. Diese verfälscht, auch wenn sie gering ist, das Meßergebnis wegen des relativ kleinen Nutzsignals erheblich. Es ist zwar möglich, z.B. eine temperaturbedingte Nullpunktsdrift mit entsprechenden Schaltungen oder Bauelementen zu kompensieren, wenn der Zusammenhang zwischen Temperatur und Verschiebung bekannt ist. Dies ist jedoch in der Regel aufwendig; wegen der Materialstreuungen ist bei jedem Exemplar ein neues Justieren erforderlich. Eine Kompensation der Nullpunktsdrift, die alle Fehlereinflüsse berücksichtigt, war deshalb bisher nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer Strommeßeinrichtung bei der eine Nullpunktsdrift, die aufgrund beliebiger Störeinflüsse entsteht, kompensiert werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, mittels der eine Nullpunktdrift der Auswerteeinrichtung und/oder des Stromsensors aus symmetrischen Anteilen des Meßstroms bestimmt und ausgeregelt wird.

Der Vorteil dieser Anordnung ist die völlig selbständige Ausregelung der Nullpunktdrift, die eine Vorjustierung oder einen Abgleich überflüssig macht. Außerdem ist es möglich, eine Nullpunktdrift auszuregeln, die nicht nur von einer einzigen Störgröße verursacht wird, sondern deren Ursache in beliebigen Störgrößen zu suchen ist. So können beispielsweise schnelle Änderungen der Störgrößen, die durch Schwankungen der Versorgungsspannung auftreten, sowie sehr langsam ablaufende Änderungen der Störgrößen, beispielsweise durch Alterung, ausgeregelt werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Spitzenwerte des Meßstroms in positiver und negativer Richtung zu messen und zu vergleichen, wobei dann die Differenz dieser Spitzenwerte ein Maß für die Nullpunktsdrift darstellt. Aus dieser Differenz wird über einen nachgeschalteten Regler ein Korrekturwert erzeugt, der dem Meßsignal aufgeschaltet wird, so daß ein geschlossener Regelkreis gebildet wird. Damit wird die Nullpunktsdrift auf einen zulässigen Wert nahe Null verringert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Spitzenwerte zu speichern und zum Ausregeln der Nullpunktsdrift eine Mittelwertbildung der Spitzenwerte durchzuführen.

Die Strommeßeinrichtung findet beispielsweise Anwendung in einem Vier-Quadranten-Leistungssteller. Die Steuerelektronik bei solchen Stellgliedern befindet sich normalerweise nicht auf dem Potential, auf dem sich die Leistungshalbleiter befinden, insbesondere dann, wenn die Leistungshalbleiter mit dem Netz verbunden sind. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Laststromstärke mit einer isolierten Meßeinrichtung, wie sie diese Strommeßeinrichtung darstellt, zu erfassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Schaltungsaufbau eines Vier-Quadranten-Gleichstromstellers;

Fig. 2 den Zeitverlauf des Motorspulenstroms;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der Nullpunktsdrift.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Schaltung eines über Transistoren geschalteten Vier-Quadranten-Gleichstromstellers mit ohmsch-induktiver Last dargestellt. Eine hier nicht dargestellte Steuerschaltung schaltet die Transistoren 1 bis 4 derart, daß Ströme mit wechselnder Richtung durch die Motorspule 5, die mit dem Widerstand 6 behaftet ist, fließen. Den Transistoren 1 bis 4 sind Freilaufdioden 7-10 parallelgeschaltet. Ein Strom i _L (t) durch die Motorspule 5 in Pfeilrichtung wird dadurch erzeugt, daß die Transistoren 1 und 4 durchgeschaltet sind. Ein Strom in Gegenrichtung wird durch Einschalten der Transistoren 2 und 3 gebildet. Zum Messen des Stroms ist eine Strommeßeinrichtung 11 vorgesehen, die in bekannter Weise berührungslos, beispielsweise mit einem Hall-Sensor, den Eingangsstrom i(t) mißt.

Zur Erzeugung eines bestimmten Motormoments wird der Spulenstrom getaktet, d.h. die Schalttransistoren 1 bis 4 werden mit einer bestimmten Frequenz angesteuert.

Fig. 2a zeigt den Zeitverlauf des Motorstroms i _L (t), während in Fig. 2b der Zeitverlauf des Eingangsstroms i(t) dargestellt ist. Befinden sich die Schalttransistoren 1 und 4 im angesteuerten Zustand, dann steigt der Motorstrom i _L ausgehend vom Zeitpunkt t ₀ durch die Induktivität bedingt, verzögert an, bis zum Abschaltzeitpunkt t _1. Nach dem Abschalten fließt er durch die Freilaufdioden 8 und 10 weiter und klingt ab bis die Schalttransistoren wieder angesteuert (Zeitpunkt 2) oder bis er den Betrag Null erreicht hat. Der Eingangsstrom i(t) zeigt gemäß Fig. 2b zum Zeitpunkt t ₁ seinen positiven Spitzenwert und wechselt im Ausschaltzeitpunkt seine Richtung und wird nunmehr in das Netz zurückgespeist. Der Übergang vom positiven zum negativen Eingangsstrom oder umgekehrt erfolgt sprunghaft, dies bedeutet, daß bei richtig eingestellter Offsetspannung der Strommeßeinrichtung 11 die positive und die negative Flanke des Stromsignals i _s (t) zum Zeitpunkt t ₁ betragsgleich sind. Eine Abweichung von dieser Betragsgleichhalt kann also als Maß für die Nullpunktsverschiebung der Meßeinrichtung dienen. Der Meßwert i _s (t) des Eingangsstroms wird als Regelgröße für die Regelung des Motors benutzt oder angezeigt. Mittels einer geeigneten Schaltung kann die Differenz der beiden Spitzenwerte des Eingangsstromssignals i _s (t) festgestellt werden, und mit einer nachgeschalteten Regelschaltung kann die Offsetspannung bzw. die Nullpunktsdrift des Strommessers so beeinflußt werden, daß die Differenz kleiner als ein vorgegebener Maximalwert wird.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Kompensation der Nullpunktsdrift. Der Eingangsstrom i(t) wird mit dem Sensor 12 der Strommeßeinrichtung 11 erfaßt und über die Vorwiderstände 13, 14 einem Verstärker 15 als Meßsignale zugeführt. Das Ausgangssignal i _s (t) des Verstärkers 15 ist proportional dem Eingangsstrom i(t), wie er in Fig. 2b dargestellt ist. Aufgrund einer Offsetspannung des Sensors 12 kann dieses Ausgangssignal jedoch um einen bestimmten Betrag vom Nullpunkt verschoben sein. Dieses Ausgangssignal i _s (t) wird auf zwei Verstärker 16, 17 geschaltet, deren Ausgänge mit Dioden unterschiedlicher Durchflußrichtung versehen sind. Mit den Ausgängen der Dioden 18, 19 sind Kondensatoren 20, 21 verbunden, die mit ihrem freien Ende gemeinsam auf Masse gelegt sind. Die positiven Flanken des Stroms i _s bewirken ein Aufladen des Kondensators 20, während die negativen Flanken des Stroms is ein Aufladen des Kondensators 21 bewirken. Die Differenz der Ladespannungen der beiden Kondensatoren 20, 21 wird einem Komparator 22 zugeführt. Dieser bildet, je nach Vorzeichen der Differenzspannung, ein Ausgangssignal 0 oder 1, welches einem Zähler 23 zugeführt wird. Der Zähler 23 erhält über den Clockeingang 24 Impulse einer beliebigen Frequenz. Diese Impulse werden von dem Zähler, je nach Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22, auf- oder abgezählt. So bewirkt ein High-Pegel des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 22 ein Erhöhen des Ausgangszählerstandes, während ein Low-Pegel eine Verringerung des Ausgangszählerstandes bewirkt. Der Zählerstand liegt an den Ausgängen A, B, C, D des Zählers 23 an und wird über die Widerstände 25 bis 28 dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 29 zugeführt. Die Widerstände 25 bis 28 sind derart bemessen, daß, ausgehend von höherwertigen Ausgang die Widerstandswerte sich pro Ausgang um die Hälfte verringern. In Verbindung mit dem Verstärker 29 wird somit der Zählerstand des Zählers 23 in einen Korrekturwert umgewandelt, der am Ausgang des Verstärkers 29 ansteht und dem Meßsignal des Sensors 12 über den Widerstand 30 aufgeschaltet wird. Dieser Korrekturwert bewirkt eine Verschiebung des Ausgangssignals des Verstärkers 15 in der Weise, daß eine Nullpunktsymmetrie erreicht wird. Damit ist der gemessene Wert i _s (t) des Eingangsstroms i(t) nicht mehr durch eine Nullpunktdrift bzw. durch eine Offsetspannung fehlerbehaftet und ermöglicht somit eine sehr genaue Regelung des Motorstroms.

In vorteilhafter Weise können die dem Clockeingang 24 zugeführten Impulse aus den Ansteuersignalen für die Schalttransistoren 1 bis 4 abgeleitet werden. Damit wird sichergestellt, daß bei einem aussetzenden Taktbetrieb der Motoransteuerung der letzte Zählerstand an den Ausgängen des Zählers 23 bestehen bleibt und somit der letzte Korrekturwert auf einem konstanten Wert verharrt.

Um vor einem Anlaufen des Motors die Offsetspannung abzugleichen, ist es zweckmäßig, dem Clockeingang 24 des Zählers 23 Taktimpulse aufzuschalten, die solange den Korrekturwert verändern, bis das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 von Low auf High bzw. umgekehrt springt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Signal i _s (t) nullpunktsymmetrisch und damit der Abgleich beendet. Diese Maßnahme ist jedoch nur dann erforderlich, wenn gleich zu Beginn des Motorbetriebs eine absolut korrekte Messung des Motorstroms erforderlich ist.

Alle in der Beschreibung erwähnten und in der Zeichnung dargestellten neuen Merkmale sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Bezugszeichenliste 1 Schalt-Transistor
2 Schalt-Transistor
3 Schalt-Transistor
4 Schalt-Transistor
5 Motorspule
6 Widerstand
7 Freilaufdiode
8 Freilaufdiode
9 Freilaufdiode
10 Freilaufdiode
11 Strommeßeinrichtung
12 Sensor
13 Vorwiderstand
14 Vorwiderstand
15 Verstärker
16 Verstärker
17 Verstärker
18 Diode
19 Diode
20 Kondensator
21 Kondensaotr
22 Komparator
23 Zähler
24 Clockeingang
25 Widerstand
26 Widerstand
27 Widerstand
28 Widerstand
29 Verstärker
30 Widerstand

Claims

1. Strommeßeinrichtung insbesondere zur Bestimmung des Motorstroms eines Gleichstrommotors mit einem berührungslos arbeitenden Stromsensor und einer diesem nachgeschalteten Auswerteeinrichtung zur Erzeugung eines dem Meßstrom proportionalen Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordung vorgesehen ist, mit der eine Nullpunktsdrift der Auswerteeinrichtung und/oder des Stromsensors (12) aus symmetrischen Anteilen des Meßstroms i(t) bestimmt und ausgeregelt wird.

2. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert des Meßstroms in positiver und negativer Richtung gemessen wird und eine Vergleichsschaltung (16-21) vorgesehen ist, welche eine Differenz der Spitzenwerte ermittelt, wobei diese Differenz ein Maß für die Nullpunktsdrift darstellt.

3. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenwerte gespeichert und die Mittelwerte der Spitzenwerte gebildet werden.

4. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Spitzenwerte einem Regler zugeführt wird, welcher einen Korrekturwert für die Nullpunktsdrift bildet.

5. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler einen Komparator (22) aufweist, der das Vorzeichen der Differenz bildet und einen Zähler (23) aufweist, dessen Zählerrichtung durch das Vorzeichen bestimmt wird und dessen Zählerstand als Korrekturwert dient.

6. Strommeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nichtvorhandensein der symmetrischen Anteilen der Zähler (23) in seinem Zustand verharrt.

7. Strommeßeinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Vier-Quadranten-Leistungssteller (1-10) für ohmsche-induktive Lasten, in welchen die Stromstärke dadurch variiert wird, daß eine Gleichspannung über Schalttransistoren (1-4) mit hoher Frequenz und variablem Taktverhältnis an die Last geschaltet wird.