Stromwandler werden digital LEM sorgt für eine Neuheit bei der Strommessung und entwickelt Stromwandler mit digitalem Ausgang und Sigma-Delta Bitstream-Schnittstelle Autor: Pascal Maeder Warum werden Stromwandler digital? Vor ein paar Jahren vernahm LEMs Sales- & Marketingteam die ersten Anzeichen einer technologischen Wende wahr: führende OEMs (Original Equipment Manufacturers) im Bereich Servo-Antriebe und Robotik dachten darüber nach, auf analoge Schnittstellen in ihren Systemen zu verzichten. Dieser Wandel wurde durch die Weiterentwicklung der Steuereinheiten vorangebracht, dem Gehirn der Maschinen. Die Steuerung arbeitet intern vollständig digital und verfügte nur an seinen Schnittstellen über A/D-Wandler. Dies ist heute nicht mehr der Fall, da neue Controller keine A/D-Wandler mehr enthalten und Stromwandler mit digitalem Ausgang gefragt sind, damit sie sich einfach an neue Mikrocontroller anschließen lassen. Ein weiterer Vorteil einer digitalen Schnittstelle ist die geringere Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Die Definition und Entwicklung neuer Produkte ist komplex und langwierig: man kann sich keine Fehler leisten. Nach einer umfassenden Marktstudie, die LEMs Marketing- und Produktmanagement-Teams im Jahr 2013 durchführten, begann die F&E-Abteilung mit der Entwicklung eines Hall-basierten ASIC für Open- Loop-Wandler. Die A/D-Wandlung erfolgt mit einem integrierten Sigma-Delta-Modulator, der einen seriellen Einzelbitstrom ausgibt. Die ersten Prototypen der neuen Stromwandler wurden gegen Ende 2015 an Hauptkunden ausgeliefert. Die Resonanz war positiv, und LEM präsentierte die zukünftigen Produkte auf der PCIM 2016 in Nürnberg. Das Interesse war groß und immer mehr Anwender wollen die neue Technik einsetzen. Bild 1: Der HLSR 50-PW, die digitale Version des erfolgreichen Stromwandlers HLSR 50-P (Analogausgang) von LEM Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 1 von 7
Die Produkte LEM hat digitale Versionen seiner erfolgreichen Open Loop-Wandler der HO- und HLSR-Produktfamilie vorgestellt. Die neuen Wandler mit Digitalausgang sind für Nennstrommessungen von 10, 32, 50, 80, 100, 120, 150, 200 und 250 A eff in drei mechanischen Ausführungen (Leiterplatten- und Panelmontage) ausgelegt und bieten bis 12 Bit Auflösung sowie 20 khz Bandbreite. Der Bitstream-Ausgang minimiert die erforderlichen Anschlüsse und ermöglicht hochkompakte Stromwandler. Der Digitalausgang erlaubt die Wahl des Filters für den Bitstrom, um je nach Anwendung zwischen Auflösung und Reaktionszeit abzuwägen. Digitalausgänge sind zudem von Grund auf weniger anfällig gegenüber Störungen in rauen Umgebungen. Die digitale Schnittstelle Der Ausgang des Stromwandlers ist ein Bitstrom, bei dem die Dichte der 1er Bits vom gemessenen Strom abhängt (Bild 2). Die Details der Übertragungsfunktion sind in Bild 3 dargestellt. Es zeigt die durchschnittliche Dichte von 1er Bits auf einer Skala von 0 bis 1 und den gleichen Ausgang, wenn er gefiltert wäre sowie als 16-Bit-Wort auf einer Skala von -32.737 bis +32.768 (dezimal). Im nächsten Abschnitt werden die Filteroptionen näher erläutert. Bild 3 zeigt auf der rechten Skala zum Vergleich den äquivalenten Ausgang eines Analogsensors. Wie bei einem Analogsensor liegt der Wertebereich des neuen Sensors über dem Bereich ± I PM, was einer durchschnittlichen Dichte 1er Bits von 0,1 bis 0,9 entspricht. Bild 2: Digitalwandlung mit einem Δ-Modulator Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 2 von 7
Bild 3: Übertragungsfunktion Der Digitalfilter wird über den Anwender definiert (Bild 4). Das Ziel ist, die Zahl der Verbindungen zum Stromwandler zu verringern und jeder Anwender kann den/die am besten geeigneten Filter auswählen. Das Ausgangsformat lässt sich entsprechend den Systemanforderungen anpassen. Bild 4: LEM bietet einen Bitstrom als Ausgangssignal Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 3 von 7
Leistungsmerkmale und Filterwahl Jede Wandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal beinhaltet eine Quantisierung. Der Fehler zwischen dem exakten Wert des Analogsignals und dem erzeugten Digitalsignal ist äquivalent zu den eingekoppelten Störungen (Rauschen). Der Ausgang eines Sigma-Delta-Modulators ist mehr als nur ein einfacher Bitstrom mit einer bestimmten 1er- und 0er-Dichte. Die Sequenz wird über einen Zufallsgenerator erzeugt, um das Quantisierungsrauschen in ein höheres Frequenzband zu verlegen, das für die eigentliche Strommessung nicht von Interesse ist. Der Anwender verarbeitet den Bitstrom in einem Digitalfilter, der das Hochfrequenzrauschen aussondert. Wie bei jedem Filter muss eine Abwägung erfolgen, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu optimieren: eine schmale Bandbreite erzeugt das geringste Rauschen (bzw. die höchste Auflösung) allerdings auf Kosten der Reaktionszeit und umgekehrt. Bild 5 beschreibt eine doppelte Verarbeitung des Bitstroms: in einem 20-kHz-Filter, der eine Auflösung von 12 Bit für eine genaue Messung des Primärstroms ermöglicht und in einem Breitbandfilter, der Überströme mit einer Reaktionszeit von 5 μs erkennt. Der interne OCD-Ausgang (Over Current Detection; Überstromerkennung) des Wandlers erkennt Kurzschlüsse innerhalb von nur 2,7 µs. Bild 5: Ein Anwendungsbeispiel zeigt den Einfluss der Oversampling-Rate (OSR) und Filterordnung auf die Reaktionszeit und Auflösung Die Bits werden nacheinander im Digitalfilter verarbeitet. Aufgrund der Oversampling-Rate des Modulators (OSR) können alle OSR-Bits verarbeitet werden, ohne Informationsverluste im Frequenzband des interessierenden Bereichs hinnehmen zu müssen. Die Latenz eines Filters hängt von seinem Aufbau ab: die Ausgabe wird um 2 x OSR x Zykluszeit für einen sinc2-filter verzögert, während 3 x OSR x Zykluszeit für eine exakte Ausgabe nach einer Sprungantwort mit dem gängigen sinc3-filter erforderlich ist. Die Bitrate am Ausgang der neuen LEM-Sensoren beträgt 10 Mbit/s. Die Kombination aus OSR, Filterwahl und Bitrate ergibt die Reaktionszeit, Bandbreite und die effektive Auflösung jedes Signalpfads, der an den Bitstrom angeschlossen ist. Bild 6 beschreibt die Parameter des HO 150-NPW. Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 4 von 7
Bild 6: Die Parameter des HO 150-NPW sind abhängig von OSR, SINC K FILTER und Bandbreite) Die Auflösung des Gesamtsystems, einschließlich des Analogteils des Wandlers, des Sigma-Delta- Modulators und des Digitalfilters wird durch das Quantisierungsrauschen begrenzt, das Teil des Systems ist oder durch Analograuschen seitens der Hall-Zellen und Verstärker. Für schnelle Reaktionszeiten (z.b. mit einer OSR von 16 und einem sinc2-filter) wird die Auflösung durch das System definiert und ist für jeden Wandler gleich. Wird der Filter auf sinc3 geändert und die OSR erhöht, verbessert sich zwar die effektive Auflösung sie wird aber durch das Analograuschen auf 11 bis 13 Bit begrenzt (je nach Sensorempfindlichkeit). Der Begriff effektive Auflösung wird verwendet, da aus der Systemauslegung heraus der Filter ein Wort mit einer Länge von 16 Bit oder 2 x 8 Bit ausgeben kann. Allerdings enthalten nur die höchstwertigen Bits (MSB) der effektiven Auflösung Nutzdaten, die weniger signifikanten Bits (LSB) enthalten Rauschen. Der Ausgang des Digitalfilters wird mit einer Frequenz abgetastet, die der Bitrate geteilt durch die OSR entspricht (Reduktion). Für LEM-Sensoren beträgt der OSR-Wert 64, der Ausgang wird alle 6,4 μs aktualisiert. Physikalische Schnittstellen Um den Bitstream zu übertragen, bietet LEM die Wahl zwischen zwei physikalischen Schnittstellen. In beiden Fällen beträgt die Bitrate 10 Mbit/s CMOS Single-Ended Zum ersten werden der Takt und die Daten auf Single-Ended CMOS-Pegeln (Uc und GND) bereitgestellt. Dies eignet sich für eine Übertragung über kurze Distanzen (einige 10 Zentimeter), bei größeren Distanzen können EMV-Probleme auftreten. Die maximal erlaubte kapazitive Last beträgt 30 pf. Die Anordnung der Wandleranschlüsse und das Timing-Diagramm sind in den Bildern 7 und 8 dargestellt. Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 5 von 7
Bild 7: Anschlüsse für Single-Ended CMOS-Pegel Bild 8: Datenübertragung mit Single-Ended Ausgang (CMOS-Pegel) Manchester RS422 Die zweite mögliche Schnittstelle eignet sich für die Übertragung über längere Distanzen. In diesem Fall werden der Takt und die Daten als Manchester-kodiertes Signal übertragen. Dies ist der Ausgang am Wandleranschluss 3 mit seinem Gegenstück an Pin 4. Das erzeugte Differenzsignal ist kompatibel zum RS422-Standard. Da sich beide Signalleitungen nahe zueinander befinden, bleiben die EMV-Einflüsse (ob gesendet oder empfangen) gering. Die Anschlussbelegung und Timing-Diagramme sind in den Bildern 9 und 10 dargestellt. Bild 9: Anschlussbelegung der Manchester-Schnittstellen Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 6 von 7
INTERNER TAKT INTERNE DATEN 0 0 0 1 1 1 0 DATEN DATEN Bild 10: Manchester-Datenübertragung Fazit Diese technologische Weiterentwicklung ist für LEM und die gesamte Branche nicht nur eine neue Serie von Stromwandlern. Die Aussichten für Stromwandler mit Digitalausgang sind vielversprechend: Die Rückmeldungen der Kunden zeigen, dass Interesse an Digitalschnittstellen besteht, vor allem bei hochwertigen Servo-Antrieben. Wir gehen davon aus, dass auch weitere Branchen diesem Trend folgen werden. Unsere Branche wird digital und LEM gibt dabei die Richtung vor! Autor Pascal Maeder Global Product Manager für Drives/Welding Quellen David Jobling, ASIC Development Group Manager Stéphane Rollier, Product & Marcom Manager Mathieu Béguin, Marketing Engineer Application Guide 12-2016: Stromwandler werden digital Seite 7 von 7