DE102015200654A1 - Method for compensating parasitic inductances in current measuring resistors - Google Patents

Method for compensating parasitic inductances in current measuring resistors Download PDF

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Abstract

Mit dem Verfahren lässt sich der Einfluss einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes (10) auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf kompensieren, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist. Hierbei wird der Verlauf des Spannungsabfalls über einem von dem zu vermessenden Strom mit dem obigen Zeitverlauf durchflossenen Widerstand ermittelt, der einen rein ohmschen Widerstandswert aufweist, welcher gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes (10) ist. Der ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls weicht von dem sich über dem Strommesswiderstand (10) einstellenden, messtechnisch ermittelten Verlauf des Spannungsabfalls um einen aus der parasitären Induktivität resultierenden Offset ab. Der Messzeitpunkt wird innerhalb des Messintervalls soweit vorverlegt, bis der messtechnisch erfasste Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) im Wesentlichen gleich dem ermittelten Verlauf des Spannungsabfalls über dem Widerstand mit rein ohmschem Anteil, der gleich dem ohmschen Anteil des Stromwiderstandes ist, und damit um den Offset kompensiert ist.The method makes it possible to compensate for the influence of a parasitic inductance of a current measuring resistor (10) having a known ohmic component on the determination of the magnitude of a current with a time characteristic based on the magnitude of a voltage drop across the current measuring resistor (10), which has recurring time segments within the current decreases and / or increases, the current being determined within a measurement interval equal to at least part of a time portion of the current at a measurement instant when its value is substantially equal to the average of the current within the measurement interval , In this case, the course of the voltage drop over a resistance through which the current to be measured has been measured with the above time characteristic is determined, which has a purely ohmic resistance value which is equal to the ohmic portion of the current measuring resistor (10). The determined course of the voltage drop deviates from the measurement of the voltage drop, which is established via the current measuring resistor (10) and is determined by measurement, by an offset resulting from the parasitic inductance. The time of measurement is advanced within the measuring interval until the metrologically detected course of the voltage drop across the current measuring resistor (10) is substantially equal to the determined course of the voltage drop across the resistor with pure ohmic portion, which is equal to the resistive component of the current resistance, and thus to the offset is compensated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist.The invention relates to a method for compensating the influence of a parasitic inductance of a known ohmic share current measuring resistor on the size of a voltage drop across the current measuring resistance taking place determining the size of a current with a time course having recurring periods, within which the current drops and The current within a measurement interval equal to at least a portion of a time portion of the current is determined at a measurement instant at which its value is substantially equal to the average of the current within the measurement interval.

Zur messtechnischen Erfassung des Versorgungsstroms einer elektrischen Komponente bzw. eines elektrischen Geräts ist es bekannt, Strommesswiderstände (sogenannte Shunts) einzusetzen. Bei Stromverläufen mit Wechselanteilen ist man mitunter nicht an dem Stromverlauf selbst sondern an dem Mittelwert des Stroms interessiert. Um eine mehr oder weniger aufwendige Mittelwertbildung zu vermeiden, geht man daher mitunter derart vor, dass die Größe des Stroms innerhalb eines Messintervalls zu demjenigen Zeitpunkt ermittelt bzw. abgetastet wird, zu dem der Abtastwert den Mittelwert des Stroms, bezogen auf das Messintervall, liefert. Bei einem Stromverlauf, der linear ansteigende oder linear abfallende Zeitabschnitt aufweist, müsste man also bei einem Messintervall mit einer Zeitspanne von T zum Zeitpunkt 1/2 T abtasten.For metrological detection of the supply current of an electrical component or an electrical device, it is known to use current measuring resistors (so-called shunts). In the case of current profiles with alternating components, one is sometimes not interested in the course of the current itself but in the mean value of the current. In order to avoid a more or less complex averaging, it is therefore sometimes the case that the size of the current is determined or sampled within a measuring interval at the time at which the sample provides the mean value of the current with respect to the measuring interval. In the case of a current profile which has a linearly rising or linearly decreasing period of time, it would therefore be necessary to sample 1/2 T at a measuring interval with a time span of T at the time point.

Ein gewisses Problem bei der Verwendung von Shunts können deren parasitäre Induktivitäten sein. Diese führen nämlich bei Stromverläufen mit Wechselanteilen zu einem Offset im Zeitverlauf des Spannungsabfalls über dem SHUNT. Auch wenn dieser Offset im Sub-mV-Bereich liegt, kann er nichtsdestotrotz störend sein.A certain problem with the use of shunts may be their parasitic inductances. These lead to an offset in the course of time of the voltage drop across the SHUNT during current curves with alternating components. Even if this offset is in the sub-mV range, it can nonetheless be annoying.

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines Strommesswiderstandes anzugeben.The object of the invention is thus to provide a method for compensating the influence of a parasitic inductance of a current measuring resistor.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem sich der Einfluss einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf kompensieren lässt, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlaufs des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist, wobei bei dem Verfahren

  • – der Verlauf des Spannungsabfalls über einem von dem zu vermessenden Strom mit dem obigen Zeitverlauf durchflossenen Widerstand ermittelt wird, der einen rein ohmschen Widerstandswert aufweist, welcher gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes ist,
  • – wobei der ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls von dem sich über dem Strommesswiderstand einstellenden, messtechnisch erfassten Verlauf des Spannungsabfalls um einen aus der parasitären Induktivität resultierenden Offset abweicht und
  • – wobei der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls soweit vorverlegt wird, bis der messtechnisch erfasste Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand im Wesentlichen gleich dem ermittelten ”idealen” Verlauf des Spannungsabfalls über dem Widerstand mit rein ohmschen Anteil, der gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes ist, und damit von dem Offset befreit ist.
To solve this problem, a method is proposed with the invention, with which the influence of a parasitic inductance of a known ohmic share current measuring resistor can be compensated for taking place on the basis of the size of a voltage drop across the current measuring resistor determination of the size of a current with a time course, the wherein the current within a measurement interval which is equal to at least part of a time segment of the current is determined at a measurement time at which its value is substantially equal to the mean value of the current Current within the measurement interval is, taking in the process
  • The course of the voltage drop over a resistance through which the current to be measured has been measured with the above time characteristic is determined, which has a purely ohmic resistance which is equal to the ohmic portion of the current measuring resistor,
  • - Wherein the determined course of the voltage drop from the over the current measuring resistor adjusting, metrologically detected course of the voltage drop deviates by an offset resulting from the parasitic inductance, and
  • - Wherein the measuring time point within the measuring interval is brought forward until the metrologically detected course of the voltage drop across the current measuring resistor substantially equal to the determined "ideal" course of the voltage drop across the resistor with pure resistive component, which is equal to the ohmic portion of the current measuring resistor, and thus exempt from the offset.

Gemäß dieser zuvor genannten erste Variante der Erfindung wird empirisch der Verlauf des Spannungsabfalls, der sich während des Messintervalls über dem eine parasitäre Induktivität aufweisenden Strommesswiderstand einstellt, mit dem Verlauf desjenigen Spannungsabfalls verglichen, der sich rechnerisch bzw. durch Simulation für den Fall ermitteln lässt, dass der Strommesswiderstand ausschließlich den bekannten ohmschen Anteil, also keine parasitäre Induktivität aufweist. Es ist auch möglich, diesen realen Stromwert durch ein zusätzliches Messgerät zu bestimmen, welches beispielsweise nur im Rahmen der Inbetriebnahme oder nur für den Abgleich angeschlossen wird. Die Abweichung (Offset) beider Spannungsverläufe über dem Messintervall resultiert aus der parasitären Induktivität des ”realen” Strommesswiderstandes, und zwar unter der Voraussetzung, dass andere Offset erzeugende Quellen/Störungen ausgeschlossen bzw. bekannt sind. Dieser Offset kann nun dadurch kompensiert werden, dass der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls bezogen auf denjenigen Messzeitpunkt vorverlegt wird, zu dem der Wert des Stromverlaufs gleich dem Mittelwert des während des Messintervalls fließenden Stroms ist.According to this aforementioned first variant of the invention, the course of the voltage drop, which occurs during the measuring interval above the current measuring resistor having a parasitic inductance, is empirically compared with the profile of the voltage drop which can be determined mathematically or by simulation in the case that the current measuring resistor exclusively the known resistive component, so no parasitic inductance. It is also possible to determine this real current value by an additional measuring device, which is connected, for example, only during the commissioning or only for the adjustment. The deviation (offset) of the two voltage profiles over the measurement interval results from the parasitic inductance of the "real" current measuring resistor, provided that other sources / disturbances generating the offset are excluded or known. This offset can now be compensated by advancing the measurement time within the measurement interval relative to the measurement instant at which the value of the current profile is equal to the mean value of the current flowing during the measurement interval.

Gemäß einer Variante der eingangs beschriebenen Erfindung wird zur Lösung der obigen Aufgabe ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem

  • – die parasitäre Induktivität und der ohmsche Anteil des Strommesswiderstandes ermittelt oder bereitgestellt werden und
  • – der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls um eine Zeitspanne vorverlegt wird, die gleich dem Quotienten aus dem Wert der Induktivität und dem Wert des ohmschen Anteils des Strommesswiderstandes ist, wodurch der messtechnisch ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand um den aus seiner parasitären Induktivität resultierenden Offset kompensiert ist.
According to a variant of the invention described above, a method is proposed to solve the above problem, in which
  • - The parasitic inductance and the ohmic portion of the current measuring resistor are determined or provided and
  • - the measuring time within the measuring interval is advanced by a period equal to the quotient of the value of the inductance and the value of the ohmic portion of the current measuring resistor, whereby the metrologically determined course of the voltage drop across the current measuring resistor is compensated by the resulting from its parasitic inductance offset.

Gemäß dieser Variante der Erfindung wird die Zeitspanne, um die der zur Kompensation des Offset erforderliche Messzeitpunkt gegenüber demjenigen Messzeitpunkt, bei dem der Abtastwert des Stromverlaufs innerhalb des Messintervalls gleich dem Mittelwert des Stroms ist, verschoben ist, rechnerisch ermittelt werden, und zwar als Quotient aus den Werten der parasitären Induktivität des Strommesswiderstandes und dessen ohmschen Anteil.According to this variant of the invention, the period of time by which the measurement time required to compensate for the offset is shifted from the measurement time at which the sample of the current profile is equal to the mean value of the current within the measurement interval is computationally determined as the quotient the values of the parasitic inductance of the current measuring resistor and its ohmic component.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß jeder der beiden zuvor beschriebenen Varianten kann vorgesehen sein, dass der messtechnisch ermittelte Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand mittels eines Tiefpassfilters gefiltert wird, das eine Gruppenlaufzeit aufweist, wobei der Messzeitpunkt um die Größe der Gruppenlaufzeit verzögert wird. Durch die an sich bekannte Verwendung eines Filters, bei dem es sich insbesondere um ein Tiefpassfilter handelt, tritt eine Verzögerung bei der Verarbeitung des Stromverlaufs ein. Diese Verzögerung ist durch die Gruppenlaufzeit des verwendeten Filters bestimmt. Insoweit muss also der ”reale” Messzeitpunkt gegenüber dem ”idealen” Messzeitpunkt verzögert werden.In an advantageous embodiment of the invention according to each of the two variants described above can be provided that the measured voltage drop across the current measuring resistor is filtered by means of a low-pass filter having a group delay, the measurement time is delayed by the size of the group delay. The known use of a filter, which is in particular a low-pass filter, causes a delay in the processing of the current profile. This delay is determined by the group delay of the filter used. In that regard, therefore, the "real" measurement time must be delayed compared to the "ideal" measurement time.

Von besonderem Vorteil kann es daher sein, wenn das Tiefpassfilter und/oder der Strommesswiderstand derart gewählt wird/werden, dass die Gruppenlaufzeit im Wesentlichen gleich der Zeitspanne ist, um die der Messzeitpunkt zwecks Kompensation des Offset vorzuverlegen ist.It may therefore be of particular advantage if the low-pass filter and / or the current measuring resistor is / are selected such that the group delay is substantially equal to the time span by which the measurement instant is to be advanced in order to compensate for the offset.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment and with reference to the drawing. In detail, they show:

1 ein Schaltungsteildiagramm zur Verdeutlichung einer möglichen Applikation der Erfindung zur Strommessung bei einem Stepup/Stepdown-Konverter, 1 a circuit diagram illustrating a possible application of the invention for current measurement in a step-up / step-down converter,

2 ein Schaltungsteildiagramm zur Verdeutlichung einer möglichen Applikation der Erfindung zur Strommessung bei einem Sperr/Durchflusswandler, und 2 a circuit diagram illustrating a possible application of the invention for current measurement in a barrier / forward converter, and

3 bis 5 verschiedene Strom- und Spannungsverlaufsdiagramme zur Verdeutlichung der Problemstellung und der erfindungsgemäßen Lösung. 3 to 5 various current and voltage waveform diagrams to illustrate the problem and the inventive solution.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer einzelnen Halbbrücke erläutert, ist genauso aber auch für Vollbrückensysteme, Einzeltransistorsysteme (z. B. Sperrwandler) und mit kleinen Einschränkungen auch für 3-Phasen-Systeme gültig. Die Erfindung ist in all den Fällen einsetzbar, in denen der elektrische Strom innerhalb von Zeitabschnitten, in denen er sich insbesondere linear ändert, ermittelt werden soll.The invention will be explained below with reference to a single half-bridge, but is also valid for full-bridge systems, single-transistor systems (eg flyback converters) and with small restrictions also for 3-phase systems. The invention can be used in all cases in which the electric current is to be determined within periods of time in which it varies in particular linearly.

Bei Schaltnetzteilen und Wechselrichtern, vor allem bei Wechsel- oder Umrichtern für die Ansteuerung bürstenloser Servomotoren wird häufig eine Strommessung benötigt, welche in vielen Fällen aufgrund der einfachen Realisierbarkeit dadurch ausgeführt wird, dass in einer oder mehreren verwendeten Schaltelement-Halbbrücken oder Einzelschaltelementen (beides bevorzugt mittels Transistoren realisiert) zwischen der Versorgungsspannung und dem Highside-Schaltelement oder der Masse und dem Lowside-Schaltelement ein Strommesswiderstand 10 (Shunt) eingefügt wird. Dieser Strommesswiderstand 10 wird, solange das mit diesem verbundene Schaltelement leitend geschaltet ist, vom Strom der Last 12 (z. B. Motorinduktivität, Speicherdrossel, Transformator) durchflossen, wodurch dieser Strom aufgrund des am Strommesswiderstand 10 entstehenden Spannungsabfalls gemessen werden kann (siehe 1 für die Applikation bei einem Stepup/Stepdown-Konverter für die Abtastung eines Motors und 2 für einen Sperr- oder Durchflusswandler).In switching power supplies and inverters, especially in AC or inverters for controlling brushless servomotors often a current measurement is required, which is carried out in many cases due to the simple feasibility characterized in that in one or more switching element half-bridges or individual switching elements used (both preferably Transistors realized) between the supply voltage and the high-side switching element or the ground and the lowside switching element, a current measuring resistor 10 (Shunt) is inserted. This current measuring resistor 10 is, as long as the switching element connected to this is turned on, the current of the load 12 (eg motor inductance, storage choke, transformer) through which this current due to the current measuring resistor 10 resulting voltage drop can be measured (see 1 for the application with a Stepup / Stepdown converter for the scanning of an engine and 2 for a blocking or forward converter).

Im Betrieb schalten die Highside- und die Lowside-Schaltelemente 14, 16 gemäß 1 abwechselnd leitend, wodurch (im Fall der Halbbrücke) einmal Versorgungsspannung und einmal Masse an der angeschlossenen (Motor-)Induktivität anliegen. Geht man von näherungsweise konstanter Spannung am nachgeschalteten Filterkondensator oder kurzzeitig konstanter Motorgegenspannung und vernachlässigbarem Innenwiderstand der (Motor-)Induktivität und der Schaltelemente aus und vernachlässigt man Sättigungseffekte, so wird der Stromverlauf durch diese Induktivität dreieckförmig. Von diesem dreieckförmigen ansteigenden und abfallenden Strom, welcher zumeist mit einem Gleichanteil überlagert ist, ist je nach Stromflussrichtung im Strommesswiderstand 10 (, weil dieser entweder abgeschaltet oder aufgeschaltet wird,) entweder nur die ansteigende oder abfallende Rampe sichtbar (siehe 3, in der der Motorspulenstrom als durchgezogene Linie und der Strom durch den Strommesswiderstand 10 als gestrichelte Linie dargestellt ist).During operation, the highside and lowside switching elements switch 14 . 16 according to 1 alternately conducting, whereby (in the case of the half-bridge) once supply voltage and once ground on the connected (motor) inductance abut. Assuming approximately constant voltage at the downstream filter capacitor or briefly constant motor back voltage and negligible internal resistance of the (motor) inductance and the switching elements and neglected saturation effects, the current flow through this inductance is triangular. Of this triangular rising and falling current, which is usually superimposed with a DC component, depending on the current flow direction in the current measuring resistor 10 (because it is either switched off or switched on), either only the rising or falling ramp is visible (see 3 in which the motor coil current is a solid line and the current through the current sense resistor 10 shown as a dashed line).

Der Momentanstrom in der zeitlichen Mitte eines Messzeitintervalls (z. B. eines Schalteransteuer-Pulses) entspricht dabei genau dem mittleren Strom durch die Motorinduktivität. Dieser Messwert, welcher von der eingestellten Pulsbreite unabhängig ist, wird in der hier beispielhaft beschriebenen Applikation der Erfindung für die Regelung von Wechselrichtern für bürstenlose Servomotoren verwendet.The instantaneous current in the middle of a measuring time interval (eg a switch drive pulse) corresponds exactly to the average current through the motor inductance. This measured value, which is independent of the set pulse width, is used in the application of the invention described here by way of example for the control of inverters for brushless servomotors.

Um eine akzeptable Effizienz des Systems zu erreichen, ist ein möglichst niederohmiger Strommesswiderstand zu bevorzugen, da hierdurch der durchfließende Strom eine möglichst kleine Verlustleistung erzeugt. Entsprechend klein ist aber auch der auswertbare Spannungsabfall. Neben der technischen Herausforderung, diesen kleinen Spannungsabfall zu verstärken, spielt die Fehlmessung aufgrund der parasitären Induktivität des Strommesswiderstands bei kleinen Widerständen bereits eine nicht mehr vernachlässigbare Rolle. Selbst oberflächenmontierbare niederohmige Leistungswiderstände besitzen bereits parasitäre Induktivitäten im Bereich 1 bis etwa 10 nH. Stromänderungen im Bereich von 1 A/μs verursachen hier Spannungsabfälle von 1 mV oder mehr, was in der gleichen Größenordnung wie der Spannungsabfall durch den eigentlichen Messstrom liegt und damit die Messung erheblich verfälscht. 4 zeigt den Spannungsabfall am Strommesswiderstand, wenn dieser einen Innenwiderstand von 1 mΩ und eine Induktivität von 1 nH aufweist. Dabei ist der ideale Spannungsverlauf am rein resistiven Anteil als gestrichelt und der tatsächliche Spannungsabfall, der aus ohmschem Widerstand und parasitärer Induktivität resultiert, als durchgezogene Linie dargestellt.In order to achieve an acceptable system efficiency, it is preferable to use a current measuring resistor that is as low-impedance as possible, since this produces the lowest possible power loss due to the current flowing through it. However, the evaluable voltage drop is correspondingly small. In addition to the technical challenge to amplify this small voltage drop, the faulty measurement due to the parasitic inductance of the current measuring resistor with small resistances already plays a no longer negligible role. Even surface-mountable low-ohmic power resistors already have parasitic inductances in the range of 1 to about 10 nH. Current changes in the range of 1 A / μs cause here voltage drops of 1 mV or more, which is in the same order of magnitude as the voltage drop through the actual measuring current and thus significantly falsifies the measurement. 4 shows the voltage drop at the current measuring resistor, if this has an internal resistance of 1 mΩ and an inductance of 1 nH. The ideal voltage curve on the purely resistive component is shown as a dashed line and the actual voltage drop resulting from ohmic resistance and parasitic inductance is shown as a solid line.

Anhand des Diagramms der 4 können zwei Effekte beobachtet werden. Ein erster Effekt betrifft das starke Überschwingen im Umschaltmoment, was aufgrund der schnellen Stromänderung beim Schalten einen hohen Spannungsabfall an der Induktivität des Messwiderstandes erzeugt. Dieser Effekt ist aber schnell abgeklungen und wird nach dem Stand der Technik dadurch umgangen, dass zu diesen Zeitpunkten das Signal verworfen wird. Darüber hinaus finden sich in der Praxis aufgrund von Umschalteffekten durch die verwendeten, dann nicht mehr idealen Schaltelemente nach den Umschaltpunkten noch zusätzliche Störungen, welche das Messsignal weiter verschlechtern.Based on the diagram of 4 Two effects can be observed. A first effect relates to the strong overshoot in the switching moment, which generates a high voltage drop at the inductance of the measuring resistor due to the rapid current change during switching. However, this effect has subsided quickly and is bypassed in the prior art in that at these times the signal is discarded. In addition, in practice due to switching effects by the used, then no longer ideal switching elements after the switching still additional interference, which further degrade the measurement signal.

Der zweite Effekt, welcher auffällt, ist ein Offset. Dieser entsteht durch den sich rampenförmig ändernden Strom an der parasitären Induktivität des Messwiderstandes. Somit wäre das Messsignal nicht nur vom eigentlichen Strom, sondern auch von dessen Änderung abhängig, die aber meist nicht genau bekannt ist, weil die Parameter der angeschlossenen (Motor-)Induktivität einer Fertigungsserienstreuung, einer Temperatur- und auch einer Stromabhängigkeit unterliegen, was eine Modellierung erschwert.The second effect that stands out is an offset. This is caused by the ramp-changing current at the parasitic inductance of the measuring resistor. Thus, the measurement signal would be dependent not only on the actual current, but also on its change, which is usually not known exactly because the parameters of the connected (motor) inductance of a production series scattering, a temperature and a current dependence subject, which is a modeling difficult.

Im Folgenden wird ein Verfahren oder alternativ eine Anordnung beschrieben, welche den Messfehler durch den zusätzlichen stromänderungsabhängigen Spannungsabfall durch den Messwiderstand mit geringem Aufwand und ohne Kenntnis der angeschlossenen Induktivität kompensieren kann.In the following, a method or alternatively an arrangement is described, which can compensate for the measurement error by the additional current-change-dependent voltage drop through the measuring resistor with little effort and without knowledge of the connected inductance.

Für die weitere Beschreibung soll ohne Beschränkung der Allgemeinheit genau der (ideale) Abtast- bzw. Messzeitpunkt betrachtet werden, bei dem der momentane Strom gleich dem mittleren Strom durch die Induktivität innerhalb eines Messintervalls entspricht. Dieser Strom fließt zu den zeitlichen Mittelpunkten der Messintervalle (z. B. Schalteransteuer-Pulse) und wird im Folgenden als I0 bezeichnet.For the rest of the description, it is intended to consider, without limitation of generality, exactly the (ideal) sampling or measuring instant at which the instantaneous current equals the mean current through the inductance within a measuring interval. This current flows at the time centers of the measurement intervals (eg switch drive pulses) and is referred to below as I 0 .

Unter den oben getroffenen Annahmen der konstanten Gegenspannung sowie der Ausführung von Spule und Schaltelementen ohne ohmsche Anteile beträgt der Strom um diesen Zeitpunkt herum: I(t) = I0 + dI / dTt Under the above assumptions of the constant reverse voltage as well as the design of coil and switching elements without ohmic components, the current around this time around: I (t) = I 0 + dI / dTt

Die Spannung am Strommesswiderstand setzt sich aus dessen resistiven und induktiven Anteilen zusammen: UR = I(t)·R + dI / dT·LR = I0·R + dI / dT·t·R + dI / dT·LR The voltage across the current measuring resistor is composed of its resistive and inductive components: U R = I (t) * R + dI / dT * L R = I 0 * R + dI / dT * t * R + dI / dT * L R

Es zeigt sich, dass eine dem korrekten Messwert entsprechende Spannung gewonnen werden kann, wenn die Abtastung des Signals zu einem bezüglich der Mitte des Pulses (Messintervalls) vorverlegten Zeitpunkt stattfindet. Dieser Zeitpunkt ist dann gegeben, wenn sich die beiden von der Spannungsänderung abhängigen Terme der vorherigen Gleichung zu null kompensieren: URseiI0·R ⇒ dI / dT·t·R + dI / dT·LR = 0 It turns out that a voltage corresponding to the correct measured value can be obtained if the sampling of the signal takes place at a time advanced with respect to the middle of the pulse (measuring interval). This time is given when the two voltage change dependent terms of the previous equation compensate each other to zero: U R seiI 0 · R ⇒ dI / dT · t · R + dI / dT · L R = 0

Die Abtastung muss daher um die Zeitspanne

Figure DE102015200654A1_0002
verschoben werden. Kenntnisse über die angeschlossene (Motor-)Induktivität sind für die Kompensation nicht erforderlich. 5 zeigt das Ergebnis der zeitlichen Verschiebung. Die Kurve des resitiven Anteils der Messspannung und damit das eigentlich gewünschte Signal (siehe durchgezogene Line) und die verschobene Gesamtmessspannung (siehe gestrichelte Linie) liegen innerhalb des Messintervalls deckungsgleich übereinander.The sampling must therefore be around the time span
Figure DE102015200654A1_0002
be moved. Knowledge of the connected (motor) inductance is not required for the compensation. 5 shows the result of the time shift. The curve of the resitive portion of the measuring voltage and thus the actual desired signal (see solid line) and the shifted total measuring voltage (see dashed line) are congruent one above the other within the measuring interval.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, die Gruppenlaufzeit eines Tiefpassfilters 18 (siehe 1 und 2) in der Auswerteschaltung zur Auswertung des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand so zu wählen, dass die Summe aus Gruppenlaufzeit und benötigter Verschiebungszeit zu null wird, so dass als Abtast- und dann Messzeitpunkt weiterhin die Puls- bzw. Messintervallmitte genutzt werden kann.A further preferred embodiment is the group delay of a low-pass filter 18 (please refer 1 and 2 ) in the evaluation circuit for evaluating the voltage drop across the current measuring resistor to be selected so that the sum of group delay and required shift time is zero, so that as a sampling and then measuring time continues the pulse or measuring interval center can be used.

Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich beispielsweise zur Kompensation von Offset-Messspannungen nutzen, die sich an den parasitären Induktivitäten von Strommesswiderständen beispielsweise bei Invertern bei bürstenlosem Servomotoren ergeben. Dabei gilt, dass andere Offset erzeugende Quellen bzw. Störungen ausgeschlossen bzw. bekannt sind (beispielsweise ein potentieller Offset eines Messverstärkers o. dgl.). Ganz allgemein lässt sich die Erfindung unter anderem auch in der Robotik einsetzen, und zwar bei der Ansteuerung von bürstenlosen Servomotoren. Eine weitere Anwendung ist bei Schaltnetzteilen denkbar bzw. ganz allgemein bei geschalteten Lastinduktivitäten.The concept according to the invention can be used, for example, to compensate for offset measuring voltages resulting from the parasitic inductances of current measuring resistors, for example in the case of inverters in brushless servomotors. It is true that other offset generating sources or disturbances are excluded or known (for example, a potential offset of a measuring amplifier o. The like.). In general, the invention can be used inter alia in robotics, namely in the control of brushless servomotors. Another application is conceivable in switched-mode power supplies or quite generally in the case of switched load inductors.

Claims (4)

Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes (10) auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist, wobei bei dem Verfahren – der Verlauf des Spannungsabfalls über einem von dem zu vermessenden Strom mit dem obigen Zeitverlauf durchflossenen Widerstand ermittelt wird, der einen rein ohmschen Widerstandswert aufweist, welcher gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes (10) ist, – wobei der ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls von dem sich über dem Strommesswiderstand (10) einstellenden, messtechnisch erfassten Verlauf des Spannungsabfalls um einen aus der parasitären Induktivität resultierenden Offset abweicht und – wobei der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls soweit vorverlegt wird, bis der messtechnisch erfasste Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) im Wesentlichen gleich dem ermittelten Verlauf des Spannungsabfalls über dem Widerstand mit rein ohmschem Anteil, der gleich dem ohmschen Anteil des Strommesswiderstandes ist, und damit um den Offset kompensiert ist.Method for compensating for the influence of a parasitic inductance of a current measuring resistor having a known ohmic component ( 10 ) based on the magnitude of a voltage drop across the current sense resistor ( 10 ) determining the magnitude of a current over time which has recurring periods of time within which the current drops and / or increases, the current being determined within a measurement interval equal to at least part of a time portion of the current at a measurement instant to which its value is substantially equal to the mean value of the current within the measuring interval, the method determining the course of the voltage drop across a resistance through which the current to be measured with the above time curve has a purely ohmic resistance, which is equal to the ohmic portion of the current measuring resistor ( 10 ), wherein the determined course of the voltage drop of the above the current measuring resistor ( 10 ) deviating, metrologically detected course of the voltage drop by an offset resulting from the parasitic inductance and - wherein the measuring time within the measuring interval is advanced so far until the metrologically detected course of the voltage drop across the current measuring resistor ( 10 ) substantially equal to the determined course of the voltage drop across the resistor with pure ohmic portion, which is equal to the ohmic portion of the current measuring resistor, and thus compensated for the offset. Verfahren zur Kompensation des Einflusses einer parasitären Induktivität eines einen bekannten ohmschen Anteil aufweisenden Strommesswiderstandes (10) auf die anhand der Größe eines Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) erfolgende Ermittlung der Größe eines Stroms mit einem Zeitverlauf, der wiederkehrende Zeitabschnitte aufweist, innerhalb derer der Strom abfällt und/oder ansteigt, wobei der Strom innerhalb eines Messintervalls, das gleich zumindest einem Teil eines Zeitabschnitts des Zeitverlauf des Stroms ist, zu einem Messzeitpunkt ermittelt wird, zu dem sein Wert im Wesentlichen gleich dem Mittelwert des Stroms innerhalb des Messintervalls ist, wobei bei dem Verfahren – die parasitäre Induktivität und der ohmsche Anteil des Strommesswiderstandes (10) ermittelt oder bereitgestellt werden und – der Messzeitpunkt innerhalb des Messintervalls um eine Zeitspanne vorverlegt wird, die gleich dem Quotienten aus dem Wert der Induktivität und dem Wert des ohmschen Anteils des Strommesswiderstandes (10) ist, wodurch der messtechnisch ermittelte Verlauf des Spannungsabfalls über dem Strommesswiderstand (10) um den aus seiner parasitären Induktivität resultierenden Offset kompensiert ist.Method for compensating for the influence of a parasitic inductance of a current measuring resistor having a known ohmic component ( 10 ) based on the magnitude of a voltage drop across the current sense resistor ( 10 ) determining the magnitude of a current over time which has recurring periods of time within which the current drops and / or increases, the current being determined within a measurement interval equal to at least part of a time portion of the current at a measurement instant to which its value is substantially equal to the average value of the current within the measuring interval, wherein in the method - the parasitic inductance and the ohmic portion of the current measuring resistor ( 10 ) or - the measuring time within the measuring interval is advanced by a time period equal to the quotient of the value of the inductance and the value of the resistive portion of the current measuring resistor ( 10 ), whereby the metrologically determined course of the voltage drop across the current measuring resistor ( 10 ) is compensated by the offset resulting from its parasitic inductance. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der messtechnisch erfasste Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand (10) mittels eines Tiefpassfilters (18) gefiltert wird, das eine Gruppenlaufzeit aufweist, wobei der Messzeitpunkt um die Größe der Gruppenlaufzeit verzögert wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the metrologically detected voltage drop across the current measuring resistor ( 10 ) by means of a low-pass filter ( 18 ) is filtered, which has a group delay, wherein the measurement time is delayed by the size of the group delay. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefpassfilter (18) und/oder der Strommesswiderstand (10) derart gewählt wird/werden, dass die Gruppenlaufzeit im Wesentlichen gleich der Zeitspanne ist, um die der Messzeitpunkt zwecks Kompensation des Offset vorzuverlegen ist.Method according to Claim 3, characterized in that the low-pass filter ( 18 ) and / or the current measuring resistor ( 10 ) is selected such that the group delay is substantially equal to the period of time by which the measurement instant is to be advanced to compensate for the offset.
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