Signalelektronik (SE)

Aufgabe

Die Aufgabe einer Signalelektronik befasst sich mit dem Empfangen, Verarbeiten und Senden von Signalen. Dies sind zum Beispiel Signale von Sensoren, Bussen oder Sendern, die nach ihrem Empfang verarbeitet werden können und unter Umständen zu einer Rückantwort führen. Das Signal enthält dabei im Allgemeinen Information die vom Sender an den Empfänger übertragen werden sollen und anschließend vom Empfänger klar dekodierbar sein. Es ist also essentiell, dass die übertragenen Signale so wenig wie möglich gestört beziehungsweise verzerrt werden.

Als Verzerrung bezeichnet man in der Elektrotechnik eine meist nicht erwünschte Veränderung der Signalform einer Größe. Effekte wie z.B. thermisches Rauschen, EMI (engl.: electromagnetic interference, dt.: elektromagnetische (Störungs-)Abstrahlung), Crosstalk (dt.: Übersprechen), Clipping und Echos sind dabei mögliche Gründe für eine Verzerrung der Signale. Diese sind im Allgemeinen unerwünscht, da sie in den meisten Fällen zu Ungenauigkeiten führen. Werden zusammengehörige parallele Signale über unterschiedlich lange Strecken transportiert, kann es neben den Verzerrungen auch zu starker Verzögerung einzelner Signale kommen.

Um die beschriebenen Übertragungsfehler zu vermeiden gibt es verschiedenste Strategien. So ist es bei zeitkritischen Signalen stets wichtig, darauf zu achten, dass die Signalwege gleich lang sind. Dies gilt sowohl für Funkübertragung, als auch für Leiterbahnen auf der Platine. Um den Einfluss von Verzerrungen zu minimieren können die im Folgenden beschriebenen Beispiele Anwendung finden.

• Modulation: Es ist möglich, das Nutzsignal auf einen hochfrequenten Träger auf zu modulieren um damit die Anfälligkeit gegenüber Störungen zu reduzieren. Dies können, wie in Abbildung 1 gezeigt zum Beispiel Amplituden (AM) oder Frequenzmodulation (FM) sein. Nachdem das Signal empfangen wurde, wird das Signal demoduliert und unter Umständen zusätzlich durch Algorithmen korrigiert, um unerwünschtes Rauschen und Fehler bei der Übertragung zu entfernen.

  

• Schirmung und Dämpfung: Um elektromagnetischer Abstrahlung entgegenzuwirken, und die Sensitivität gegenüber einfallender Strahlung zu verringern ist es üblich in den Kabeln zusätzliche Schirme einzubauen, die einzelne oder mehrere Litzen schützen. Weiter ist es möglich, hohe Störfrequenzen im Signal durch Einwickeln des Kabels in einen Ferritkern gezielt zu bedämpfen.

• Symmetrische Signalübertragung: Bei der unsymmetrischen oder „normalen“ Signalübertragung wird ein positives Datensignal gegenüber einer Masseleitung übertragen. Wirkt dann Störstrahlung auf das Kabel, so wird das Datensignal beeinflusst und ist im äußersten Fall nicht rekonstruierbar. Im Gegensatz dazu, werden bei der symmetrischen Signalübertragung aus dem Signal ein positives und ein negativ gespiegeltes Signal erzeugt. Wirkt nun eine Störstrahlung auf das Kabel, so entsteht die Störung in beiden Leitungen. Durch anschließende Differenzbildung des positiven und negativen Signals am Leitungsende hebt sich die Störung wieder auf und das Signal kann weiterverarbeitet werden. Diese Technik ist vor allem für sehr schwache oder amplitudenempfindliche Signale von Bedeutung.

Aufbau und Funktionsweise

Im Folgenden wird die für das Kart entwickelte Signalelektronik vorgestellt. Dabei werden der Aufbau und die Aufgabe der Signalelektronik sowie die Realisierung der Kommunikation genauer erläutert. Die Anbringung der Signalelektronik am Kart ist in Abbildung 2 gezeigt. Sie wurde am Heck des Fahrzeugs, direkt unterhalb der Leistungselektronik angebracht.

Die Signalelektronik selber ist aus einem Mainboard mit aufsteckbaren Platinen aufgebaut. Der Vorteil, mehrere aufsteckbare Platinen zu verwenden, anstatt die gesamte Elektronik auf einer Platine zu platzieren, liegt in der besseren Erweiterbarkeit, der Erleichterung der Fehlersuche und der Reparatur.

Die Hauptaufgabe der Signalelektronik besteht darin, durch die Leistungselektronik die beiden Antriebsmotoren zu regeln und mit den restlichen Komponenten im Kart zu kommunizieren. Das folgende Signalflussdiagramm (Abbildung 3) soll einen Überblick über den realisierten Gesamtaufbau und die Kommunikationswege der Signalelektronik im Kart verschaffen. Es zeigt dabei sowohl die Richtung, als auch welche Signale mit anderen elektronischen Komponenten oder den einzelnen Platinen ausgetauscht werden.

Das Mainboard bezieht seine 5V-Versorgung aus einer nahegelegenen externen Schaltung, welche einen LDO-Regler beinhaltet. Dieser regelt die 7V-Spannungsebene des Karts auf stabile 5V. Diese externe Schaltung schützt dabei das Mainboard vor Stromspitzten, Überspannung und Überstrom. Das Mainboard besteht aus vier Lagen:

• Lage 1 und 4 sind Masseebenen
• Lage 2 ist die 3,3V Versorgungsebene
• Lage 3 ist die 5V Versorgungsebene

Die großen Kupferflächen in der Versorgungs- und Masseebene gewährleisten eine gute Führung großer Hin- und Rückströme, ohne nennenswerte Spannungsabfälle zu erzeugen. Damit wird sichergestellt, dass alle Schaltungskomponenten eine ausreichende Betriebsspannung erhalten. Gleichzeitig wirken die äußeren Masseebenen (1&4) schützend auf die innenliegenden Leiterbahnen (2&3) und reduzieren die Einwirkung äußerer elektromagnetischer Felder.

Auf dem Mainboard befinden sich dann die einzelnen Aufsteckplatinen. Diese sind in Abbildung 4 farbig markiert. Für den Empfang und das Senden von Signalen ist Transceiver (hellblau) verantwortlich. Die Signalerfassungsplatine (rot), die Analog-Digital/Digital-Analog-Wandler (grün), sowie die Stromüberwachung (blau) sind jeweils doppelt ausgeführt, sodass beide Motoren getrennt behandelt werden können. Der FPGA (orange) übernimmt schließlich die Verarbeitung der Signale.

Funktion der aufgesteckten Boards

Differenz Sender- und Empfänger Platine:

Die Differenz Sender- und Empfänger Platine wird dafür verwendet um Ethernet-Kabel die Signale der Strommesser zu empfangen sowie die Schaltsignale an die Leistungselektronik zu senden. Da die Signalleitungen so nah am Motor und der Leistungselektronik hoher elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt sind, ist es notwendig dem Einfluss der Störung entgegenzuwirken.

Hier werden die eingangs erwähnten Techniken verwendet. Die geschirmten Ethernet-Kabel reduzieren bereits passiv den Einfluss von Störungen. Zusätzlich werden die Signale differentiell, also symmetrisch übertragen, wobei für ein Signalpaar immer ein im Ethernet-Kabel auch miteinander verdrilltes Adernpaar verwendet wird.

Durch Operationsverstärker werden auf der Transceiver-Platine aus dem Nutzsignal (hier die Steuersignale für die LE) ein positives und ein negatives Signal erzeugt, das nach der Übertragung und Empfang auf der LE durch Differenzbildung wieder zurückgewonnen wird. Störungen können so nahezu vollständig eliminiert werden.

Signalerfassungsplatine und ADC/DAC:

Jede der beiden Signalerfassungsplatinen auf dem Mainboard ist so konzipiert, dass sie die Signale für einen der beiden Antriebsmotoren handhabt. Zu ihren Aufgaben zählt, dass sie die Analogsignale für das danach folgende ADC/DAC-Board aufbereitet.

Die analogen Signale beinhalten die durch den Transceiver empfangenen differentialen Signale der Strangstromsensoren `I_U`,`I_V`,`I_w` der Motoren, sowie die gemessene Zwischenkreisspannung, die anschließend rückgewandelt werden. Diese rückgewandelten Analogwerte werden anschließend mit einem Offset versehen und auf der danach folgenden ADC-Platine in digitale Werte gewandelt.

FPGA:

Die zuvor digital gewandelten Werte werden nun vom FPGA eingelesen und können verarbeitet werden. Dies beinhaltet sowohl die Überwachung der Zwischenkreisspannung und der Motorströme als auch die Berechnung der nächsten Schaltsignale, um die Regelung zu ermöglichen.

Zu sendende Signale nehmen den beschriebenen Signalweg in umgekehrter Richtung. Das heißt das digitale Signale des FPGAs zuerst in analoge Werte gewandelt, anschließend vom Offset befreit und anschließend differentiell übertragen werden.

Stromüberwachungsplatine:

Hier werden zum Schutz vor Stromspitzen oder Überspannung stets die Werte von Strom und Spannung überwacht. Im Fehlerfall wird die Freigabe direkt durch Logikgatter (UND) entzogen und das System in einen sicheren Zustand überführt.