Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromotoren, insbesondere der Linearmotoren und im Besonderen jene, deren Elektromotor-Steuerung mit einem Steuergerät ein präzises Antreiben des Motors ermöglichen. Die Elektromotoren, die in Werkzeugmaschinen und in diversen industriellen Installationen verwendet werden, werden oft derart gesteuert, dass eine vorgegebene Sollwertposition erreicht wird. In diesem Zusammenhang implementiert man in der Steuerung solcher Elektromotoren eine Hauptsteuerschleife, um eine Ist-Position des beweglichen Teils des Motors auf eine Sollwertposition einzustellen. Die Differenz der Position wird über eine elektronische Steuereinheit verarbeitet, die einen Sollwert des Versorgungsstroms bestimmt. Die Versorgungsmittel des Motors sind daher dazu ausgebildet, den Motor (jede seiner Phasen) derart zu versorgen, um einen Versorgungsstrom zu erzeugen, der mit dem Sollwertstrom korrespondiert. Um die Präzision der vorgesehenen Bewegung sicherzustellen, empfiehlt es sich, sich zu versichern, dass der Ist-Strom mit dem Soll-Strom übereinstimmt. Dies wird über eine Messung des Stroms an jeder Versorgungsphase (nachfolgend wird aus Gründen der Klarheit der Darstellung der Erfindung lediglich eine Phase berücksichtigt) und mit einer zweiten Steuer- schleife durchgeführt, die den gemessenen Versorgungsstrom auf den Soll- Strom einstellt.

Ein klassisches generelles Schema einer Motorsteuerung ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Phase 2 (R, L) wird über einen Leistungsverstärker 4 gespeist, welcher selbst über die Hochspannung HV (zum Beispiel 300 Volt) versorgt wird. Die elektronische Steuereinheit 6 empfängt am Eingang ein Positionssignal S _P zur Positionssteuerung und ein Mess-Signal l _M * des elektrischen Stroms in der Phase 2. Wenn sich die elektronische Einheit in einer Niederspannungszone (Zone LV) und die Phase 2 in einer Hochspannungszone (Zone HV) befindet, wird die Messung des Stroms im Normalfall über Sen- sormittel magnetischen Typs durchgeführt, die einen Ferritring 8 aufweisen, der um einen Leiter herum angeordnet ist, welcher die Phase 2 bildet sowie über eine elektronische Schaltung 10 zur Verarbeitung des elektrischen Signals, welches vom Detektionselement des im Ferritring vorhandenen mag- netischen Flusses erzeugt wird. Eine solche Messeinrichtung ist natürlich galvanisch von der Phase getrennt. Die elektronische Schaltung 10 wird von der Niederspannung versorgt und befindet sich in der Zone LV. Ein Element zur galvanischen Trennung, welches zur Übertragung eines Analogsignals geeignet ist, ist nicht notwendig. Man beachte, dass ein solches Element relativ komplex ist und dass eine hohe Übertragungspräzision eines Analogsignals über eine galvanische Trennung nur schwierig erreicht werden kann. Aus diesem Grund wählt der Fachmann zur Messung des Stroms einen Hall- Sensor oder einen Sensor des Typs "Fluxgate", wie er insbesondere in der Patentschrift US 4,914,381 beschrieben ist. Allerdings sind solche Magnet- sensoren besonders empfindlich im Hinblick auf Umgebungsmagnetfelder, die Fehler der Messung erzeugen. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist mit solchen Magnetsensoren derart unvorteilhaft, dass die Präzision der Strommessung in der Phase hierdurch beeinträchtig wird. Die elektronische Schaltung 10 des Sensors erzeugt ein analoges Messsignal l _M , welches in ein digitales Signal l _M * mittels eines Analog-Digitalwand- lers 12 umgewandelt wird, der ebenfalls in der Niederspannungszone liegt. Auf der Basis dieses Messsignals, bestimmt die elektronische Schaltung 6 den Wert des Steuersignals S _c *, welches bevorzugt von einem Digital-Ana- logkonverter 14, der sich in der Zone LV befindet und anschließend mittels einer galvanischen Trenneinrichtung erzeugt wird, die dazu ausgebildet ist, die Analogsignale zu übertragen und eine galvanische Trennung GS festzulegen. Das äquivalente Analogsignal S _c wird vom Leistungsverstärker 4 verstärkt. Wie bereits zuvor erwähnt, ist die galvanische Trenneinrichtung 16 relativ komplex und die Präzision der Übertragung des Analogsignals S _c über die Einrichtung ist nicht besonders hoch. Eine alternative, vom Fachmann anvisierte Lösung besteht darin, den Leistungsverstärker mit einem Signal zu beaufschlagen, das über die Pulsbreite moduliert und direkt von der galvanischen Trenneinrichtung mittels Ein- und Austastung erzeugt wird. Dies bereitet ein weiteres Problem der Präzision des Steuersignals, derart, dass die Übertragung des modulierten Signals ein parasitäres Signal erzeugt, welches am Eingang des Leistungsverstärkers analog zu filtern ist. Diese Filterung wird durch die Wahl einer erhöhten Frequenz für die Über- tragung des Signals vereinfacht, ist aber zum Nachteil der Auflösung der Modulation der Pulsbreite, welche insoweit unzureichend wird, wie dies in der Einleitung des Patents US 7,692,465 erläutert ist. Die Filterung kann sich zudem in der Phase 2 selbst niederschlagen, wenn ein Leistungsverstärker im Schaltmodus verwendet wird, diese Option ist aber nicht vereinbar mit den an die vorliegende Anwendung gestellten Anforderungen hinsichtlich Präzision.

Die Steuerung des Elektromotors im zuvor erläuterten Stand der Technik wirft Präzisionsprobleme, zunächst im von der elektronischen Steuereinheit 6 erzeugten Messsignal l _M * und nachfolgend im von der elektrischen Ver- sorgung des Motors erzeugten Steuersignal S _c auf. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme durch Bereitstellen einer effizienten und präzisen Steuerschaltung zu lösen, dabei die Herstellungskosten zu begrenzen, insbesondere durch Vermeidung der Anordnung komplexer und kostspieliger Elemente in der Steuerschaltung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung eines Elektromotors, die zumindest eine Phase aufweist, wobei die Steuerschaltung über einen ersten Digital-Analogkonverter ein Steuersignal für die elektrischen Hoch- spannungsversorgungsmittel der Phase erzeugt und eine Steuerung des Versorgungsstroms der Phase über einen Soll-Strom aufweist, wobei die elektrischen Versorgungsmittel eine Hochspannungszone (Zone HV) des Elektromotors bestimmen. Die Steuerschaltung umfasst:

- Mittel zum Messen des Versorgungsstroms, die ein Analogsignal be- reitstellen, dessen Wert mit dem Soll-Strom korrespondiert;

- eine elektronische Steuereinheit, die in einer Niederspannungszone (Zone LV) angeordnet ist; - einen Analog-Digitalkonverter, um das Analogsignal oder ein anderes analoges Signal, welches als das Analogsignal fungiert, in ein äquivalentes Digitalsignal zu konvertieren, welches der elektronischen Steuereinheit bereitgestellt wird.

Die Steuerschaltung ist gekennzeichnet durch einen Ableitungswiderstand, auch "Shuntwiderstand" genannt, der in Reihe mit der Phase angeordnet ist und durch einen Differenzialverstärker, dessen zwei Eingänge respektive mit zwei Kontakten des Ableitungswiderstands verbunden sind; und durch die Tatsache, dass der Analog-Digitalkonverter in der Hochspannungszone angeordnet ist, ein galvanisches Trennelement zwischen dem Analog-Digitalkonverter und der elektronischen Steuereinheit angeordnet ist; und durch die Tatsache, dass die Steuerschaltung unter anderem einen DC/DC-Span- nungskonverter aufweist, der in der Hochspannungszone eine erdfreie Nie- derspannung bereitstellt, die insbesondere den Analog-Digitalkonverter versorgt.

Nach einer bevorzugten Variante wird der Spannungskonverter von der Niederspannung der Niederspannungszone versorgt und weist eine galvanische Isolierung auf.

Dank der Eigenschaften der Steuerschaltung gemäß der Erfindung, ermöglichen es ausgewählte Messmittel, eine sehr präzise Messung des Versorgungsstroms in der betrachteten Phase zu erhalten. Diese Wahl wird vom Fachmann generell aus Gründen der galvanischen Isolierung nicht beachtet. Deshalb antwortet die vorliegende Erfindung auf das spezifische Problem in einer sinnvollen Art und Weise, indem ein galvanisches Trennelement (insbesondere ein Opto-Koppler) zwischen den Messmitteln des Stroms der Phase und der elektronischen Steuereinheit vorgesehen ist. Um Erstens eine hohe Präzision in der Signalübertragung über den Opto-Koppler sicherzustellen und sodann die Kosten des Elements zu senken, ist es nach der Erfindung vorgesehen, das galvanische Trennelement dem Analog-Digitalkonverter nachgeschaltet anzuordnen, derart, dass ein digitales Signal hierüber übertragen wird. Ein einfacher Opto-Koppler erlaubt eine präzise Übertragung eines digitalen Signals; was für ein analoges Signal nicht der Fall ist. Zusätzlich ist es vorgesehen, eine erdfreie Niederspannung in der Hochspannungszone bereitzustellen, um insbesondere den Analog-Digital- konverter zu versorgen.

Nach einer bevorzugten und besonders vorteilhaften Ausführungsform ist es unter anderem vorgesehen, einen analogen Subtrahierer in der Hochspannungszone anzuordnen und ein erstes analoges Signal, welches dem gemessenen Strom entspricht und ein zweites analoges Signal, welches dem Soll-Strom entspricht, am Eingang anzulegen. Der analoge Subtrahierer stellt am Ausgang ein drittes Analogsignal bereit, welches proportional zur Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Analogsignal ist und daher als die Differenz zwischen Versorgungsstrom und dem Soll-Strom fungiert. Das dritte Analogsignal wird der elektronischen Steuereinheit über den Analog-Digitalkonverter und über das zweite galvanische Trennelement bereitgestellt und bildet dem Analog-Digitalkonverter nachgeschaltet, das äquivalente digitale Signal.

Diese bevorzugte Ausführungsform ist dahingehend sehr vorteilhaft, dass der Analog-Digitalkonverter ein Messsignal erhält, welches der Differenz zwischen dem gemessenen Strom und dem Soll-Wert entspricht, das heißt ein Signal, dessen Wert unterhalb dessen des gemessenen Stroms liegt. Man kann somit eine hohe Präzision in der Konvertierung des gemessenen Analogsignals in ein digitales Äquivalent für die elektronische Steuereinheit mit einem günstigeren Konverter mit "10 oder 12 bit" oder mit "16 bit" für eine sehr hohe Auflösung erhalten. Zudem ist die bevorzugte Ausführungsform dahingehend bemerkenswert, dass der analoge Subtrahierer in der Hochspannungszone derart angeordnet ist, um den Vorteil der Ausführungsform der Erfindung mit dem Analog-Digitalkonverter vor dem galvani- sehen Trennelement zu erhalten. Man hat daher den üblicherweise in der elektronischen Steuereinheit vorgesehenen Subtrahierer aus der Niederspannungszone entnommen und diesen durch einen analogen Subtrahierer in der Hochspannungszone ersetzt und mit der in diese Hochspannungszone gemäß der Erfindung bereitgestellte erdfreie Niederspannung versorgt. Schließlich erfordert diese Lösung noch die Bereitstellung des Soll-Werts für die Versorgungsspannung, die von der elektronischen Einheit in der Niederspannungszone gegenüber der Hochspannung erzeugt wird sowie jenes digitale Signal in einen rein analogen Soll-Wert zu konvertieren um diesen dem analogen Subtrahierer bereit zu stellen. Indem erneut ein galvanisches Isolationselement zwischen der elektronischen Einheit und einem Digital- Analogkonverter angeordnet wird, erhält man eine hohe Präzision für den analogen Soll-Wert und die Konfiguration der relativ einfachen und günstigen Elemente. Wenngleich diese Lösung durch die Notwendigkeit einer Vielzahl bestimmter Elemente, insbesondere durch Zusatz eines galvanischen Trennelements und eines Digital-Analogkonverters als komplex erscheint, garantiert sie eine sehr präzise Regelung des Stroms und doch eine sehr effektive Steuerung des elektrischen Motors ohne Notwendigkeit eines komplexen oder kostspieligen Elements.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung mit Hilfe der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben, in welchen: bereits erläutert, eine klassische Steuerschaltung für einen Elektromotor zeigt; ein Schema einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Steuerschaltung gemäß der Erfindung ist; eine Variante der ersten Ausführungsform gemäß Figur 2 zeigt; ein Schema einer zweiten Ausführungsform der Steuerschaltung gemäß der Erfindung ist.

In der Figur 2 wird eine Steuerschaltung eines Elektromotors gemäß der Erfindung gezeigt. Der Motor wird durch seine Phase 2 dargestellt. Die Versorgungsmittel der Hochspannung +HV, -HV sind in klassischer Art und Weise vorgesehen und sind durch einen Leistungsverstärker 4 oder durch äquivalente Mittel ausgebildet. Der Leistungsverstärker kann linear oder im Umschaltmodus betrieben werden. Unter Berücksichtigung der hohen Ansprüche an die Präzision der vorliegenden Anwendung ist aber ein linearer Betrieb bevorzugt. Die elektronische Steuereinheit 6A wird mit Niederspannung versorgt und befindet sich in einer Niederspannungszone "Zone LV" galvanisch isoliert von der Hochspannungszone "Zone HV", wo sich die Phase 2 und ihre Versorgungsmittel 4 befinden, wie dies von geltenden Sicherheitsnormen für Hochspannungen oberhalb eines vorgegebenen Limits, zum Beispiel 48 Volt, gefordert wird.

Die elektronische Steuereinheit 6A stellt ein digitales Steuersignal S _c * bereit, welches, nach einer bevorzugten Variante, zunächst einem galvanischen Trennelement 20 bereitgestellt wird, um eine gute Präzision in der Übertra- gung des Steuersignals zu gewährleisten. Hiernach wird das digitale Signal einem Digital-Analogkonverter 14A zugeführt, der in der Zone HV angeordnet ist und wobei das analoge Steuersignal S _c schließlich dem Leistungsverstärker 4 zugeführt wird. Gemäß der Erfindung werden die Mittel zum Messen des Versorgungsstroms der Phase, die zum Steuern eines Versorgungsstroms nach einem von der elektronischen Steuereinheit vorgegebenen Sollwertstrom vorgegeben sind, von einem Ableitungswiderstand R _s gebildet, der in Reihe mit der Phase 2 angeordnet ist und durch einen Differenzialverstärker 24, dessen zwei Eingänge an zwei Kontakten des Ableitungswiderstands angeschlossen sind. Der Differenzialverstärker 24 stellt an seinem Ausgang ein analoges Messsignal des Versorgungsstroms der Phase 2 bereit; das analoge Messsignal l _M wird einerseits einem analogen Subtrahierer 26 und andererseits einem Analog-Digitalkonverter 28 zugeführt, der das Signal an die Zone LV über einen Opto-Koppler 30 überträgt, welcher ein galvanisches Trennelement definiert. Man erhält auf diese Art und Weise ein digitales Signal l _M *, welches dem Wert des gemessenen Versorgungsstroms entspricht. Dieses Signal kann für diverse Funktionen, insbesondere der Sicherheit und des thermischen Schutzes des Motors nützlich sein. Allerdings wird, in der Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Figur 2, das digitale Signal l _M * nicht in der Steuerschleife des Versorgungsstroms verwendet. Folglich ist es nicht nötig, dass das digitale Signal eine hohe Präzision bereitstellt und man kann daher einen eine herkömmliche Auflösung aufweisenden und kostengünstigeren Konverter 28 vorsehen, der den gesamten Bereich des in der Phase zulässigen Stroms abdeckt.

Ein Soll-Wert l _c * (Digitalsignal) für den Versorgungsstrom wird von der elektronischen Einheit 6A bereitgestellt. Der digitale Sollwert gelangt zunächst durch ein galvanisches Trennelement 32 und wird nachfolgend einem Digi- tal-Analogkonverter 34 zugeführt, der in der Zone HV angeordnet ist. Am Ausgang des Konverters 34 erhält man daher ein äquivalentes Analogsignal l _c , welches dem analogen Subtrahierer 26 zugeführt wird, welcher in der Zone HV angeordnet ist. Der analoge Subtrahierer ermittelt die Differenz zwischen den Signalen l _M und l _c und stellt ein analoges Signal ΔΙ bereit, welches der Differenz proportional ist. Nach der Erfindung wird dieses analoge Signal, welches der Steuerung des Versorgungsstroms dient, zunächst einem Analog-Digitalkonverter 36 zugeführt, der in der Zone HV angeordnet ist. Dem Konverter 36 nachgeschaltet, erhält man ein äquivalentes digitales Signal ΔΙ*, entsprechend dem analogen Signal ΔΙ. Es ist beachtenswert, dass das analoge Signal eine Funktion des gemessenen Signals l _M ist, aber dass es betragsmäßig einen vielfach geringeren Wert als das letztgenannte aufweist, üblicherweise um mehrere Größenordnungen kleiner ist als der Wert des gemessenen Signals l _M . Dies ist sehr vorteilhaft, da auf diese Art und Weise das Differenzsignal des Stroms ΔΙ über den Analog-Digitalkonverter mit einer sehr guten Auflösung konvertiert werden kann, ohne dass hierfür komplexe und kostspielige Konverter erforderlich wären. Ein "12 bit"- Konverter ermöglicht bereits eine sehr gute Auflösung für das Signal ΔΙ, jedoch ist der Bereich recht limitiert. Ein "16 bit"-Konverter gewährleistet eine sehr große Auflösung bei dieser Konvertierung, um der elektronischen Einheit 6A ein sehr präzises digitales Signal zuzuführen. Nach der Erfindung wird ein galvanisches Trennelement 38 dem Konverter 36 derart nachgeschaltet, dass das Element 38, insbesondere ein Opto-Koppler, vom digitalen Signal ΔΙ* beaufschlagt wird. Es ist leicht, ein digitales Signal mit Präzi- sion über einen Opto-Koppler zu übertragen, wohingegen die Übertragung eines analogen Signals viel schwieriger und komplexer ist, um eine gute Präzision bei der Übertragung des Signals von der Zone HV zur Zone LV sicher zu stellen.

Nach der Erfindung weist die Steuerschaltung unter anderem einen DC/DC- Spannungskonverter 40 auf, der eine erdfreie Niederspannung LV _F L in der Hochspannungszone (Zone HV) erzeugt, um insbesondere den Analog-Di- gitalkonverter 36 zu versorgen. Auf diese Art und Weise ist die Versorgung des Konverters 36 an die Hochspannung gekoppelt und ist von der Niederspannung entkoppelt, um sich vom Gleichtakt der Phase 2 im Verhältnis zu Niederspannungszone LV zu lösen. Der Spannungskonverter 40 ist bevorzugt über die Niederspannung LV versorgt und weist daher eine interne galvanische Trennung auf.

Erfindungsgemäß ist in der Zone HV eine erdfreie Niederspannungszone (Zone LV _F L) vorgesehen, um den Konverter 36 und gleichermaßen, nach einer bevorzugten Variante, den Differenzialverstärker 24 zu versorgen. Man befreit sich demnach vom Gleichtakt der gemessenen Phase und man mei- det die mit einem Gleichtakt verbundenen Störungen bei der differenziellen Messung.

Gemäß weiteren Varianten, die im elektrischen Schaltbild der Figur 2 enthalten sind, sind der Subtrahierer 26 und die Konverter 14A, 28 und 34 glei- chermaßen über die erdfreie Niederspannung LV _F L versorgt.

Es ist ferner zu bemerken, dass erfindungsgemäß das Ensemble der Opto- Koppler-Elemente 20, 30, 32 und 38 eine galvanische Trennung GS zwischen der Zone LV, in welcher sich die elektronische Einheit 6A befindet, und der Zone HV, in welcher sich die Phase 2 und die Versorgungsmittel 4 befinden, im digitalen Teil der Steuerschaltung vorgesehen sind, das heißt zwischen der elektronischen Einheit 6A, wo ein weiterer digitaler Schaltkreis der Zone LV ist und den Konvertern 14A, 28, 34 und 36, die folglich in der Zone HV angeordnet sind. Diese galvanische Trennung GS ist demnach durch ein rein digitales Interface implementiert, welches bei der Übermittlung der digitalen Signale durch das Interface eine sehr hohe Präzision erlauben, wie dies bereits ausgeführt wurde. Die Konverter sind Elemente mit einer Niederspannungsversorgung und nach der Erfindung ist vorgesehen, diese mit einer erdfreien Niederspannung LV _F L (zum Beispiel zwischen 5 V und 10 V) zu versorgen, die über den DC/DC-Transformator 40 bereitgestellt wird, der bevorzugt über die Niederspannung LV (zum Beispiel zwischen 12 und 24 Volt) versorgt wird. In der Figur 3 ist eine Ausführungsvariante der Steuerschaltung gemäß Figur 2 dargestellt. Die bereits beschriebenen Elemente werden hierbei nicht nochmals erläutert. Diese Variante unterscheidet sich durch den nachfolgend beschriebenen Modus, indem die galvanischen Trennelemente 20A, 30A, 32A und 38A versorgte Elemente sind, um eine Übertragung zu einer weit höheren Frequenz der digitalen Signale zu ermöglichen. Diese Elemente sind einerseits über die Niederspannung LV und andererseits über die erdfreie Niederspannung LV _F L versorgt. Man erhält folglich eine hochperformante Motorsteuerung. Diese Variante ermöglicht die Verwendung magnetischer Elemente zur galvanischen Trennung anstelle von opto- elektronischen Elementen.

In der Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform der Steuerschaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Die bereits zuvor beschriebenen Bezugsziffern werden hier nicht erneut erläutert. Wenn die Hochspannung der "Zone HV" kleiner als ein von geltenden Sicherheitsnormen definierter Schwellwert (typischerweise 48 Volt) ist, kann man von einer galvanischen Trennung zwischen dem Leistungsverstärker 4 und der elektronischen Einheit 6A absehen und das Steuersignal S _c * direkt dem Digital-Analogkonverter 14 zuführen. Der Konverter 14 ist demnach mit der Niederspannung LV versorgt. Die Konfiguration der anderen Elemente der Steuerschaltung ist ähnlich der ersten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform impliziert, dass man auf eine galvanische Isolation zwischen den Zonen LV und HV verzichtet, und dass die entsprechenden Massen demnach elektrisch verbunden sind. Man zieht dennoch einen Nutzen aus den Vorteilen der Erfindung, indem sämtliche erwähnten Vorteile (insbesondere das Umgehen von Gleichtakt - bedingten Störungen während einer differenziellen Messung) erhalten bleiben. In der Tat bleibt eine galvanische Barriere GS erhalten, insbesondere zwischen, einerseits, den Konvertern 34 und 36 und andererseits der elektronischen Einheit 6A, derart, dass eine Entkopplung zwischen der Niederspannungszone LV und der Zone der erdfreien Niederspannung LV _F L erhalten bleibt, wobei letztere Zone in der Hochspannungszone angeordnet ist und dort mit der Hochspannung HV gekoppelt ist, die stark variiert. Man befreit sich somit vom Gleichtakt der Phase.