Mehrachsige Hall-Sensorik Strommessung im Traktionsinverter verbessern

Texas Instruments kombiniert beim Stromsensor TMCS2100-Q1 mehrere Hall-Elemente mit einem Korrekturalgorithmus. Dadurch soll die kernlose Messung weniger empfindlich auf Montageabweichungen, Vibrationen und magnetisches Übersprechen reagieren.

Strommessungen in elektrischen Antrieben können enorm wichtig für die Regelung sein. Aus den gemessenen Phasenströmen berechnet der Motorregler unter anderem das erzeugte Drehmoment. Messfehler können deshalb die Regelgüte beeinträchtigen, Drehmomentwelligkeiten verstärken und sich auf Geräuschentwicklung, Wirkungsgrad und Fahrverhalten auswirken.

Texas Instruments will mit dem Hall-Effekt-Stromsensor TMCS2100-Q1 den Zielkonflikt bei dieser Messaufgabe aus dem Weg gehen. Der für Automotive-Anwendungen entwickelte Baustein arbeitet ohne Magnetkern und erfasst mehrere räumliche Komponenten des Magnetfelds. Ein proprietärer Algorithmus soll daraus den Strom bestimmen und gleichzeitig Fehler kompensieren, die durch eine veränderte Position des Sensors gegenüber der Stromschiene entstehen.

Magnetkern sorgt für Genauigkeit, benötigt aber Platz

Hall-Effekt-Stromsensoren messen das Magnetfeld, das sich um einen stromdurchflossenen Leiter ausbildet. In einem Traktionsinverter können sie beispielsweise an den Stromschienen zwischen Leistungselektronik und Elektromotor eingesetzt werden. Da die Messung magnetisch erfolgt, ist kein direkter elektrischer Kontakt zum Hochvoltpfad erforderlich.

Konventionelle Stromsensoren verwenden häufig einen Magnetkern, der das Magnetfeld bündelt und zum eigentlichen Sensorelement führt. Solche C-Core-Konstruktionen ermöglichen eine präzise und weitgehend definierte Messung, benötigen jedoch zusätzlichen Bauraum und erhöhen Gewicht sowie Kosten. Bei hohen Strömen und begrenztem Platz im Traktionsinverter können diese Eigenschaften zum Nachteil werden.

Kernlose Sensoren verzichten dagegen auf den magnetischen Flusskonzentrator. Sie lassen sich kompakter aufbauen, müssen das schwächere und stärker von der Geometrie abhängige Magnetfeld jedoch direkt erfassen. Bereits kleine Abweichungen zwischen Sensor und Stromschiene können deshalb das Messergebnis verändern.

Vibrationen verändern die Feldverteilung

In einem Fahrzeug bleibt die mechanische Position der Komponenten nicht vollkommen konstant. Fertigungstoleranzen, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und betriebsbedingte Vibrationen können dazu führen, dass sich Sensor und Stromschiene geringfügig gegeneinander verschieben. Bei einer einachsigen Messung wird eine solche Positionsänderung unter Umständen als Stromänderung interpretiert, obwohl der tatsächliche Leiterstrom konstant geblieben ist.

Hinzu kommen Magnetfelder benachbarter Phasen sowie Wirbelstromeffekte in der Stromschiene. Gerade in kompakten dreiphasigen Inverteraufbauten kann dieses magnetische Übersprechen zusätzliche Fehler verursachen. Bisherige kernlose Differenzsensoren benötigen daher teilweise Aussparungen, Einkerbungen oder Bohrungen in der Stromschiene, um eine ausreichend eindeutige Feldverteilung zu erzeugen. Solche Eingriffe können den elektrischen Widerstand erhöhen, lokale Stromdichten verändern und das Wärmemanagement erschweren.

Der TMCS2100-Q1 soll ohne derartige Modifikationen auskommen. Dazu erfasst seine Multi-Sensor-Architektur sowohl horizontale als auch vertikale Komponenten des Magnetfelds. Aus dem Verhältnis beziehungsweise der Kombination dieser Messgrößen kann der Baustein erkennen, ob sich die Feldstärke aufgrund eines veränderten Stroms oder aufgrund einer mechanischen Verschiebung geändert hat. Der interne Algorithmus korrigiert daraufhin das Ausgangssignal.

Faktor 20 gilt für den Verschiebungsfehler

Texas Instruments spricht von einer 20-mal höheren Genauigkeit gegenüber einachsigen kernlosen Alternativen. Diese Angabe darf allerdings nicht als pauschale Verbesserung der gesamten Strommessgenauigkeit verstanden werden. Sie bezieht sich auf den Fehler, der durch die relative Verschiebung zwischen Sensor und Stromschiene entsteht.

Nach Angaben des Herstellers bleibt der Verschiebungsfehler bei einer Bewegung um 0,4 mm unter 1 %. Bei einer Bewegung um 0,1 mm soll er 0,25 % betragen. Zum Vergleich nennt TI für bestehende kernlose Lösungen unter bestimmten Bedingungen Abweichungen von mehr als 20 %. Die tatsächliche Genauigkeit im jeweiligen Traktionsinverter hängt jedoch weiterhin von der Stromschienengeometrie, der Einbauposition, der Temperatur, externen Magnetfeldern und der Kalibrierung des Gesamtsystems ab.

Für den TMCS2100-Q1 gibt TI einen Messfehler von weniger als 0,5 % bei Vollaussteuerung an. Das Messkonzept soll sich für Ströme von mehr als 1.000 A eignen, wobei der erfassbare Strombereich von der jeweiligen Stromschienen- und Systemgeometrie abhängt. Der Sensor bietet eine Kleinsignalbandbreite von 250 kHz und eine typische Ansprechzeit von 2,6 µs. Die integrierte Überstromerkennung reagiert laut Datenblatt innerhalb von 500 ns.

Kalibrierung bleibt Teil der Systementwicklung

Die mehrachsige Messung macht den Sensor nicht unabhängig von seiner mechanischen Umgebung. Vielmehr muss das System zunächst charakterisiert werden, damit der Algorithmus die räumliche Feldverteilung korrekt dem Leiterstrom zuordnen kann. TI bietet dafür neben einem Evaluierungsmodul ein spezielles Charakterisierungsmodul sowie Simulationswerkzeuge an.

Die Architektur schafft damit neue Freiheitsgrade, verlagert einen Teil des Entwicklungsaufwands aber in die Modellierung und Kalibrierung. Insbesondere bei dreiphasigen Systemen müssen die Einflüsse benachbarter Stromschienen erfasst und kompensiert werden. Auch die frequenzabhängigen Auswirkungen von Wirbelströmen bleiben relevant. Der Baustein verfügt deshalb über eine aktive Frequenzkompensation, mit der sich daraus resultierende Amplitudenfehler reduzieren lassen sollen.

Der TMCS2100-Q1 arbeitet mit einer Versorgungsspannung zwischen 3 und 5,5 V und ist für Umgebungstemperaturen von –40 bis 150 °C ausgelegt. Er ist nach AEC-Q100 qualifiziert und wird von TI als „Functional Safety-Capable“ eingestuft. Der Baustein befindet sich in einem 14-poligen TSSOP-Gehäuse mit einer Grundfläche von 5 mm × 6,4 mm.

Eine genauere Strommessung kann der Motorregelung bessere Eingangsdaten liefern. Dadurch lassen sich die Phasenströme präziser einstellen und Abweichungen vom gewünschten Drehmoment reduzieren. Eine geringere Drehmomentwelligkeit kann wiederum zu einem ruhigeren Motorlauf und einer gleichmäßigeren Leistungsentfaltung beitragen. (mr)

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