Forschungsberichte

Stromableitungssignal

FVA 698 I, IGF-Nr. 17814 N

Integration eines di/dt-Ausgangs in Standard-Stromwandler   

In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, ob Stromwandler dahingehend modifiziert werden können, dass sie neben dem Strom- auch ein Stromableitungssignal zur Verfügung stellen. Dies würde ermöglichen, die Ableitung der Phasenströme von Drehfeldmaschinen zur Positionsschätzung des Rotors bei der geberlosen Regelung heranzuziehen ohne dabei einen zusätzlichen Stromableitungssensor in den Antrieb integrieren zu müssen.

Zunächst wurde dabei der Halleffekt-Kompensationsstromwandler hinsichtlich der Möglichkeit ein Ableitungssignal zu erhalten, untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Ausführung des Reglers, der dafür sorgt, dass kein Gesamtmagnetfeld im Eisenkern des Stromsensors vorliegt, eine entscheidende Rolle spielt. Wird dieser Regler als PI-Regler ausgeführt, lässt sich mithilfe des Endwertsatzes zeigen, dass sich im stationären Zustand, also einer konstanten Steigung des Messstroms, ein konstantes Magnetfeld im Eisenkern einstellt. Unter diesen Umständen liefert der Hallsensor, der das Magnetfeld erfasst, eine konstante Ausgangsspannung, welche von der Steigung des Messstroms abhängt. Folglich ermöglicht die Hallspannung direkte Rückschlüsse auf die Ableitung des Messstroms.

Zu berücksichtigen ist hierbei allerdings, dass die Einschwingzeit der Hallsensorspannung maßgeblich von Geometrie- und Reglerparametern des Sensors abhängt. Die Untersuchung eines kommerziell erhältlichen Halleffektkompensationswandlers ergab, dass selbst bei Vernachlässigung begrenzender Faktoren, wie z.B. der Bandbreite der Elektronik, sich das Hallspannungssignal (blau in untenstehender Abbildung) zu langsam einschwingt, um daraus auf die linearen Stromsteigungen im Umrichterbetrieb schließen zu können.

Anschließend wurde eine modifizierte Version eines magnetoresistiven Stromwandlers mit zusätzlichem Stromableitungssignal von Sensitec getestet. Das Ableitungssignal dieses Prototyps zeigte gute dynamische Eigenschaften, sodass sich auch im Umrichterbetrieb eingeschwungene Gleichspannungssignale am Ableitungsausgang auswerten lassen können. Allerdings reagiert der Prototyp sehr empfindlich auf eingestreute Störungen (siehe grünes Signal in untenstehender Abbildung), sodass bei den Experimenten zusätzliche Störungen auf dem Ableitungssignal sichtbar wurden. Daher ist eine besonders EMV-freundliche Einbindung des Wandlers wichtig, bevor dieser zur geberlosen Regelung (im geschlossenen Regelkreis) verwendet werden kann.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19269 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Vergleich der Ableitungssignale von Halleffekt-Kompensationswandler und magnetoresistivem Stromsensorprototyp (10 kHz Schaltfrequenz, 1500 Umdrehungen pro Minute)