Analogtipp Strom- und Spannungsmessung für extrem präzise Roboter

Bei humanoiden Robotern und Cobots hat Genauigkeit oberste Priorität. Fortschritte bei der Strom- und Spannungsmessung verbessern die Fähigkeit von Robotern, diffizile Tätigkeiten zu übernehmen und Bewegungen menschenähnlicher auszuführen. Funktionsisolierte Wandler ermöglichen hier zudem eine präzisere Motorsteuerung bei kleineren Abmessungen.

Von autonomen und humanoiden Robotern, die immer komplexere Aufgaben übernehmen, werden außerdem längere Betriebszeiten und mehr Energieeffizienz verlangt. Präzise Strom- und Spannungsmessungen wirken sich hier unmittelbar auf die Genauigkeit und die Reaktionszeiten aus, sodass Roboter schneller und exakter ihre vorgesehenen Positionen anfahren können. Wenn es um die sichere Navigation und die rasche Reaktion auf geänderte Last- oder Umgebungsbedingungen geht, kommt es auf Nanosekunden an.

Motorspannungen und -Ströme rauscharm messen

Die Umsetzung leistungsfähigerer Sensing-Funktionen ist jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden. An erster Stelle steht die Ausführung präziser und rauscharmer Messungen der Motorspannungen und -ströme. In modernen Robotersystemen arbeiten dreiphasige Inverter zwar mit niedrigen Strömen und Spannungen, aber die von ihnen erzeugten Störgrößen können die Genauigkeit bestehender, nicht isolierter Messschaltungen beeinträchtigen.

Langsamere Reaktionen und ungenauere Bewegungen können problematisch für das Design von Robotern sein, die komplexe Tätigkeiten gleichmäßig und kontrolliert ausführen sollen. Als weitere Herausforderung kommt hinzu, dass insbesondere mobile Roboter batteriebetrieben sind, weshalb die Energieeffizienz ohne Abstriche an der Leistungsfähigkeit optimiert werden muss.

Eine mangelhafte Stromversorgung kann Systemausfälle, zu kurze Betriebszeiten und höhere Betriebskosten nach sich ziehen. Beengte Platzverhältnisse kommen als weitere Komplikation hinzu, und nicht zuletzt ist eine Isolation zwischen Leistungs- und Steuerungsschaltungen ebenso erforderlich wie Schutzfunktionen beispielsweise gegen Kurzschlüsse und Überspannungen.

Für dieses Anwendungsgebiet bieten sich die mit Funktionsisolierung ausgestatteten, zur Strommessung dienenden Delta-Sigma-Modulatoren MC0106M05 und AMC0106M25 sowie den ebenfalls funktionsisolierten Spannungsmess-Modulator AMC0136 an.

Wie Bild 1 zeigt, bieten diese Bausteine einen ENOB-Wert (Effective Number Of Bits) von 12 bis 14, während es heutige analoge Lösungen nur auf Werte zwischen 8 und 11 bringen. Dies ermöglicht mehr Genauigkeit beim Messen geringer Ströme und Spannungen.

Die galvanisch isolierten Modulatoren verbessern die Störbeständigkeit und die Offsetdrift auf Systemebene und bieten einen hohen CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) von 150 V/ns. Die digitale Schnittstelle unterbindet etwaige Auswirkungen der Pulsweiten-Modulation auf die Messgenauigkeit, sodass für hocheffiziente GaN-Designs hohe Anstiegsgeschwindigkeiten von 50 V/ns oder mehr verwendet werden können. Der hohe CMTI-Wert senkt zudem das Risiko, dass Power-Ground-Störgrößen auf den Mikrocontroller einwirken und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen.

Abgesehen von ihrer Funktionsisolierung haben die genannten Bauelemente den Vorteil, dass sie dank der Gehäusegröße von nur 3,5 x 2,7 mm den Platzbedarf gegenüber anderen Modulatorlösungen mit verstärkter Isolierung um über 50 % verringern (Bild 2).

Für den Schutz gegen Kurzschlüsse oder Überspannungen ermöglicht der funktionsisolierte Komparator AMC21C12 eine Reaktionszeit von 290 ns. Eine derart schnelle Fehlerdetektion kann durch umgehendes Abschalten der Gatetreiber dafür sorgen, dass keine Schäden an anderen Systemkomponenten entstehen. Insgesamt werden die Fortschritte bei der funktionsisolierten Messwerterfassung neue Einsatzmöglichkeiten für Roboter erschließen – beispielsweise in der Mikrochirurgie oder bei der Fertigung kleinster elektronischer Baugruppen. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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