測定多個導體中的電流的方法
2024-03-07 22:23:15
專利名稱：測定多個導體中的電流的方法
技術領域：
本發明涉及測定多個導體中的電流的方法、以及用於實現這樣的方法的裝置。
在用於汽車工業的旋轉電機的領域中，本發明尤其得到有利的應用。
背景技術：
具有熱機(thermal engine)的機動車可被配備有可逆電機(reversibleelectrical machine)，可逆電機也被稱為交流發電機/起動機(alternator/starter)，其在交流發電機模式、以及起動時的馬達模式下均工作，或者起到輔助加速(例如，對於熱機來說，從500轉/分起)的作用。
可逆電機還包括功率單元和控制單元，所述功率單元在起動機模式中用作電流逆變器，而在交流發電模式中用作整流器，並被控制單元控制。
在此類機器中，有必要能夠在任何時刻控制由交流發電機/起動機提供或消耗的扭矩。然而，此扭矩直接取決於該機器的定子的電流，並且更精確地，在定子以多相電流(例如，三相)方式工作時，取決於定子的各相上的電流。因此，為了監視並隨後調節各個定子電流，存在通常為數值型的整流單元。
在該機器中，這些電流通過位於定子和整流器或功率單元上的逆變器之間的、通常具有高截面的導體。
例如，這些導體是被稱為匯流條(bus-bar)的平行直線導體。
因此，將理解對於最適用於車輛發動機的工作的交流發電機/起動機的控制來說的優點，即，精確地獲知在n個匯流條(在三相機器中，n等於3)上通過的電流。
為了確定定子電流，已經求助於各種已知類型的裝置。
圖1為已知裝置的側視圖，該裝置使用由圍繞每個導體CO、並在霍爾效應傳感器CA上閉合的鐵氧體製成的磁路CM，其中，霍爾效應傳感器CA測定由通過導體CO的電流I使用的磁場，該傳感器與該磁路相對。將這樣的裝置固定到交流發電機/起動機功率單元的耗散器。
然而，這些裝置是昂貴、龐大且使用複雜的，這是由於，它們首先需要該傳感器和通常被稱為控制卡的控制單元之間的連接鏈路，並且其次需要經由鐵氧體磁路而通過匯流條的每個導體。
基於電子分流器(shunt)的裝置也是已知的，然而，如果希望在由於焦耳效應的極少損耗的情況下測定非常強的電流(例如，800A)，則該裝置不十分適用。另外，存在與導體連接的問題。最後，在低分流值(shunt value)的情況下，存在有關低電流的測定的顯著的不精確。
發明內容
由此，要通過本發明的此目的解決的技術問題在於，提出一種測定多個導體中的電流的方法，其將不會昂貴、無損且易於使用，同時確保所探尋的電流的精確確定。
根據本發明，所提出的技術問題的解決方案包括所述方法，其包括以下步驟-將電流換能器(electric current transducer)布置為與每個導體基本相對，其中一個導體為剛性的，-構造去相關矩陣，其為換能器相對於所述導體的位置的函數，-利用電流換能器測定在每個導體中的電流，並利用所述去相關矩陣和所述測定的電流，從中推導出真實的電流。
由此，根據本發明的方法需要僅使用簡單的磁場換能器，而不需要磁路，所述換能器為磁場傳感器，優選地，例如緊湊的霍爾效應傳感器。不會出現由於焦耳效應而造成的能量的耗散，並且，每個導體中的電流的測定是精確且可再現的，去相關矩陣僅涉及通過針對於關聯的電導體的換能器的相應配置而限定性確定的固定參數。
根據本發明，去相關矩陣包括通過以下步驟而確定的元素在每個導體中依次地施加校準電流，在其它導體中施加的電流為零，並且，利用所述換能器，測定與每個導體相關聯的電流信號。隨後，通過應用作為去相關矩陣的逆的矩陣，從測定的電流中推導出真實的電流。
在特別是由於傳感器以及測定所述電流的電路的不精確而造成的電流的偏移的情況下，如果根據本發明的方法還包括以下步驟，則可進一步增加測定的精度，所述步驟即確定偏移矩陣，其元素等於在導體中不施加電流的情況下在每個所述導體中測定的電流，利用去相關矩陣以及所述偏移矩陣，從測定的電流中推導出真實的電流。
隨後，通過從測定的電流矩陣中減去偏移矩陣、並向所得到的結果應用作為去相關矩陣的逆的矩陣，而得到真實的電流矩陣。
最後，在作為本發明的目的的本方法的一種應用(即，將該方法應用於旋轉電機的定子的極的輸入/輸出導體中的電流的測定)中，本發明規定了用來與作為去相關矩陣的逆的矩陣相乘的逆投影矩陣，以便產生應用於測定的定子的輸出電流的單個矩陣，從而影響所述旋轉電機的電流的數值調節。
這個最後的規定具有這樣的優點，即，數值調節處理器包括利用單個矩陣的電流的測定(作為去相關矩陣的逆的矩陣)、以及使得有可能從n相參考系(reference frame)改變為兩相參考系的變換(逆投影矩陣)兩者。
下面通過非限制性例子而給出的有關附圖的描述將提供對本發明的組成、以及如何實現本發明的清楚的理解。
圖1為根據現有技術的電流測定裝置的圖，圖2為實現根據本發明的方法的電流測定裝置的圖，圖3為圖2中的裝置的部分側視圖，圖4為將根據本發明的方法應用於旋轉電機的定子的極的輸入/輸出導體中的電流的測定的圖，以及圖5繪出了根據圖4的方法的一個實施例的三相電流在兩相電流系統中的投影(projection)。
具體實施例方式
圖2繪出了用來測定各自用字母i標註的n個導體中的電流的裝置。
此裝置包括-傳感器Ci，用來測定與n個導體中的每個相對應的磁場，-電路MES，用於測定與通過導體i的每個電流相對應的電壓，此電路用來將在傳感器Ci的端上測定的電壓從第一參考值(例如，-10V、+10V)變換為第二參考值(例如，0V-5V)，以及-測定管理微控制器MC，其用來特別是控制定子電流，所述微控制器包括模數轉換器CAN，其用來將從測定電路MES發出的變換後的測定(0V-5V之間)轉換為數字單位(優選為對應於256、512或1024點的8、10或12位的方式)。
在圖2中繪出的情況下，導體在數目上為3(n＝3)。例如，當將所繪出的裝置及其實現的方法應用於與三相可逆電機(其也被稱為交流發電機/起動機)的定子的極連接的導體中的電流的測定時，出現此情形。例如，導體i例如是定子的匯流條，其在英文中被稱為「bus-bar」。它們還可為線纜或棒(rod)、或任意其它類型的電流導體，優選為剛性的。具體地，剛性特性使得特別有可能徹底地得到穩定且固定的去相關矩陣，即，將在下面詳細地查看的矩陣。
與圖2中的裝置相關聯的測定方法包括以下步驟。
在第一步驟中，如圖3所示，與每個導體i(i＝1、2、3)基本相對地布置電流換能器Ci。優選地，該換能器Ci為磁場測定傳感器，如霍爾效應傳感器。霍爾效應傳感器的優點在於，使得有可能在具有較大精度的情況下測定較寬範圍的磁場值。另外，其使得有可能根據測定的電流而提供與所述真實的測定的電流成比例、並因此代表所述真實的測定的電流的量，也就是說，例如電壓、頻率或電流。
優選地，將每個導體i或匯流條置於功率卡PCB_P上。有利地，將每個換能器或傳感器Ci置於基本上與控制卡PCB_C上的每個導體i相對。自然地，將傳感器Ci布置為使得它們在測定範圍上不飽和。
由此，傳感器不再位於功率卡的耗散器上、而是被直接布置在控制卡上，不再存在對於用來將它們從耗散器連接到控制卡的連接的任何需要。這具有這樣的優點消除了可靠性的問題以及由於龐大和昂貴的連接而造成的機械應力的問題，例如，所述機械應力經常取決於源自車輛的震動。
同樣，換能器Ci不再如同圖1的現有技術中那樣被置於鐵氧體磁路中，在每個導體i中計算的磁場不再被所述磁路引導(channel)。由此，可能出現邊界效應，其中，換能器Ci將僅對被置於與另兩個導體i的磁場相對的關聯的導體i的磁場敏感。以下面的方式解決此問題。
其次，在初始化步驟期間，將校準電流Ij0施加到導體j，在其它導體i(i≠j)中不施加電流，並且，隨後利用每個換能器Ci測定關聯的電流信號Ii。對於導體i(i≠j)來說，測定的等效電流Ii不為零，這是因為，換能器Ci(i≠j)檢測由導體j中的電流Ij0產生的磁場，並且因此提供與此磁場相對應的電流信號。例如，有可能採用與逆變器可承受的最大電流(例如，1000安培)等效的校準電流Ij0。在另一個例子中，有利於管理微控制器MC的校準電流Ij0可取例如2的冪。在2的冪的情況下，例如，可對於0.1安培的解析度而取819.2安培的值，其對應於8192＝213。由此，這有利於隨後的除法的計算，這是由於，此時微控制器僅影響偏移。自然地，如前所述，根據傳感器Ci電流信號Ii為可被表示為電流、電壓、頻率等的量，此電流信號Ii表示在未向其它導體施加電流時的真實的測定的電流。
利用方程Gij＝Ii/Ij0[1]，從此推導出去相關矩陣[G]的n個元素Gij，其中，j是固定的，而i可從1至n變化。在三個導體的情況下，根據在導體i＝1中的電流I10的施加、並根據電流I1、I2和I3的測定，而推導出元素G11、G21和G31I1＝G11·I10I2＝G21·I10I3＝G31·I10通過將校準電流施加到每個導體，而執行此操作n次，根據其推導出矩陣[G]的n2個元素Gij。
對於三個導體來說，矩陣[G]寫為G=G11G12G13G21G22G23G31G32G33]]>由此，由微控制器MC計算該去相關矩陣[G]及其逆矩陣[G]-1，並將其保存在微控制器的一個存儲器中，例如，可寫EEPROM(未示出)。
在車輛上的正常操作模式中，利用電流換能器Ci測定每個導體i的電流Imeasi，以便利用矩陣方程[Ireal]＝[G]-1[Imeas]而從中推導出真實的電流Irealj。
因此，本質上，矩陣[G]實質上是幾何的(geometric)，並且，在安裝傳感器時，尤其考慮到可能的容限，特別是在匯流條和傳感器之間的距離上的分散。
由此，此去相關矩陣[G]使得有可能限制要測定的電流之外的電流、以及因此的由傳感器Ci測定的磁場的影響。
在針對可逆電機的定子的三項u、v、w的電流的應用的情況下，通過以下方程，從測定的電流中得到真實的電流IrealuIrealvIrealw=G-1ImeasuImeasvImeasw]]>優選地，該電流測定計算方法包括附加的校準步驟，其也使得有可能考慮到由於其測定的不精確而造成的偏移，其在英文中被稱為「offset」，其中，測定的不精確特別是由於以下因素引起的-傳感器Ci，-測定電路MES的組件，-微控制器MC的模數轉換器CAN的組件。
例如，如果對於多或少1000A的測定範圍，以12位的方式轉換該測定，則轉換器CAN將精確到與多或少0.5A相對應的1位內(2000/212＝0.5)。對於多或少100A的測定範圍，如果以12位的方式轉換該測定，則轉換器CAN將精確到與多或少0.05A相對應的1位內。
由此，利用偏移矩陣[O]來考慮偏移，其中，偏移矩陣[O]的元素Oi等於在所述導體中不提供電流的情況下、在每個導體i中測定的電流，隨後，通過[Ireal]＝[G]-1([Imeas]-[O])而給出真實的電流矩陣[Ireal]。
元素Oi還可為與測定的電流相對應的數值。
在三個導體的情況下，將偏移矩陣[O]寫為O=O1O2O3]]>還可由微控制器MC計算該矩陣[O]，並將其保存在微控制器的一個存儲器中，例如，可寫EEPROM(未示出)。
當考慮到此校準步驟時，根據以下方程計算去相關矩陣[G]Gij＝(Ii-Oi)/Ij0[2]，其中，Oi對應於在最初的初始化步驟期間的測定的電流Ii，i(i≠j)的偏移。
注意，矩陣[G]和[O]可分別包括鏈(chain)或偏移中的各種增益，其使得有可能將所述信號重新集中(recentre)到與零相對應的值。
由此，在僅將考慮由於傳感器而造成的偏移的情況下，將以歐姆為單位來表示去相關矩陣[G]，而隨後以西門子為單位表示逆矩陣[G]-1。下面，通過每個傳感器Ci給出這樣的矩陣的一個例子，其中，所述傳感器Ci維持在從它們的關聯的匯流條i的垂直面起大約2.5釐米的距離，並且第一傳感器C1位於相對於第二匯流條2的5.5釐米的對角線距離上、以及相對於第三匯流條3的10.5釐米的對角線距離上[G]-1=4021-1250-156-9724212-972-79-8643981]]>其中，對應的偏移矩陣[O]等於O=0.00053-0.001380.00015]]>自然地，要校準整個電流測定裝置(即，傳感器)、測定電路和模數轉換器。在此情況下，去相關矩陣[G]的單位將為安培微控制器單位。
由此，根據該校準，真實的電流Ireal將具有不同的單位。例如，如果該校準僅涉及傳感器Ci，則該單位將能夠為電壓，如果該校準涉及傳感器Ci和測定電路MES，則該單位將能夠為頻率，例如，如果該校準涉及傳感器Ci、測定電路MES以及模數轉換器MC，則該單位將能夠為具有解析度的數值。
由此，去相關矩陣[G](其也可被稱為增益矩陣)以及偏移矩陣[O](其也可被稱為偏移矩陣)，使得有可能通過解決相關傳感器的問題以及由於整個測定裝置的組件而造成的不精確，而校準所有電流測定裝置，這點是僅使用偏移矢量的簡單去相關不可能完成的。
圖4示出了可如何將本發明應用於可逆機器的定子的三相電流Iu、Iv和Iw的數值調節。
在非限制性實施例中，電流測定方法包括利用投影矩陣[C]將測定的n相參考系的真實的電流Ireal轉換到兩相參考系的補充步驟。
進行此補充步驟的目的是簡化計算以及簡化控制交流發電機/起動機的定子的相位中的電流的方式。
在n＝3的情況下，通過諸如以名稱Concordia矩陣公知的矩陣或以名稱Clark矩陣公知的另一種矩陣的矩陣將三相電流Iu、Iv和Iw變換為兩相電流Iα和Iβ，而處理所述電流。隨後，將這些兩相電流施加到數值調節單元，以便調節定子電流。這樣得到
IIIh=[C]-1IuIvIw]]>其中，Ih為同極分量，也就是說，[Iregul]＝[C]-1[Ireal]。
應注意，同極分量與和軸Oβ垂直的第三軸上的三相電流的和相對應。
在本領域的技術人員所共知的以delta方式的相位卷繞(winding)的情況下，同極分量與電流的內循環(internal circulation)相對應。
在本領域的技術人員所共知的以星形方式的相位卷繞的情況下，同極分量與定子的中性點相對應，其中，該中性點為三相之間的公共點。如果未連接中性點，則同極分量是中性的。
將此矩陣[C]及其逆矩陣[C]-1保存在微控制器MC的一個存儲器中，例如，不可寫ROM或可寫EEPROM(未示出)。
圖5繪出了在採用定子的第一相u的軸的系統(α，β，O)中的三相電流Iu、Iv和Iw的投影，以便標記角度，其中，電流Imeasu對應於第一相u。
根據可應用的Concordia投影矩陣的例子[C]=(2/3)1012-1/2(3)/212-1/2(3)/21/2]]>並且[C]-1=(2/3)1-1/2-1/203/2-3/21/21/21/2]]>根據可應用的Clark投影矩陣的例子C=101-1/2-(3)/21-1/2(3)21]]>並且，C-1=2/31-1/2-1/20-(3/2)(3)/21/21/21/2]]>應注意，這些投影矩陣的係數是常數，但為諸如三相電流採用的轉動方向、其電流密度等的約定的函數。由此，有可能具有不同的標準化因子。
由此，可以看出，可利用被寫為[M]＝[C]-1·[G]-1＝[G·C]-1的單個矩陣[M]，由圖2的裝置從測定的電流Imeas中直接得到兩相電流Iα和Iβ。
隨後，以下方程成立[Iα，β]＝[M]·([Imeas]-[O])應注意，脫機(offline)影響兩個矩陣[G]-1和[C]-1的積，其中，不考慮該機器的旋轉以及因此的定子-轉子角度θ。
在希望在該機器的參考系中工作的情況下，也就是說，考慮定子-轉子角度θ並因此聯機(online)(即，實時)進行電流的計算，假定軸Oα和Oβ相對於第一相u的軸偏移角度θ。新的軸為本領域的技術人員所公知的直接軸Od和正交軸Oq。由此，存在通過應用旋轉矩陣[R]的從系統(α，β，θ)到系統(d，q，O)的改變R=cossin0-sincos0001]]>由此，存在XX0=[R]XdXq0]]>也就是說XdXq1=[R]-1XX1]]>利用以名稱Park公知的變換[P]，其為投影矩陣(Concordia或Clark)和旋轉矩陣[R]的積。
P=cossin1cos(-2/3)sin(-2/3)1cos(-4/3)sin(-4/3)1]]>這樣，將逆Park矩陣[P]-1＝[R]-1[C]-1應用於測定的電流Imeas，以便得到新的電流Idq，包括可應用於偏移矩陣[O]的情況。這樣得到[Idq]＝[P]-1·[G]-1·([Imeas]-[O])＝[R]-1·[C]-1·[G]-1·([Imeas]-[O])＝[R]-1·[M]·([Imeas]-[O])該Park變換使得有可能得到對機器電流的更有效的控制。這樣，得到了連續的量，而不是可變或交替的量，其中，連續的量更容易調節。
應注意，在逆變器-整流器的正常運轉之前，由微控制器徹底地計算矩陣[G]、[O]和[M]。
由此，與由計算機進行的去相關矩陣的理論計算相比，該電流測定方法具有特定的優點，前者不知曉例如由於與傳感器相鄰的組件而造成的幹擾以及由於傳感器而造成的不精確。另外，本發明的方法比由計算機進行的計算更簡單。最後，根據本發明的方法允許各種導體中的電流測定的完全去相關。應注意，該去相關與在導體中測定的通量和電流之間的去相關(即，追求與電流的去相關不同的目的的去相關)不同。
應注意，根據本發明的方法不僅可被應用於旋轉電機中的電流的測定，還可被應用於任何如下的應用中其中，在引起測定之間的相關並因此要求去相關的限定空間中，需要對多個電流的測定，例如，汽車或DC/DC轉換器中的電池管理系統、通常所稱的BMS。這是因為，通常電池管理系統包括機架，其包括各種連接器，在連接器上連接了電池和諸如空調和高保真音響管理系統用電設備。為了所述電池和用電設備的正確工作，有必要測定通過它們的電流。
同樣地，DC/DC電壓轉換器包括其中的電流通過且有必要測定輸入和輸出電流的各種單元和組件。應注意，可在42V車輛中使用DC/DC轉換器，其中，電池處於42V，而用電設備處於12V，所述轉換器使得有可能從42V改變為12V。
權利要求
1.一種測定多個(n個)導體中的電流的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟-將電流換能器(Ci)布置為與每個導體(i，i＝1，...，n)基本相對，其中一個導體為剛性的，-構造去相關矩陣([G])，其為換能器(Ci)相對於所述導體的位置的函數，-利用電流換能器(Ci)測定在每個導體(i)中的電流(Imeas)，並利用所述去相關矩陣([G])和所述測定的電流(Imeasi)，從中推導出真實的電流(Ireali)。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述去相關矩陣([G])包括通過以下步驟而確定的元素(Gij)在每個導體(i)中依次地施加校準電流(Ij0)，在其它導體中施加的電流為零，並且，利用所述換能器(Ci)測定與每個導體(i)相關聯的電流信號(Ii)。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，通過應用所述去相關矩陣([G])的逆矩陣([G]-1)，從所述測定的電流(Imeas)中推導出真實的電流(Ireal)。
4.如權利要求1至3中的一個所述的方法，其特徵在於，其還包括以下步驟確定偏移矩陣([O])，其元素(Oi)等於在導體中不提供電流的情況下在每個所述導體(i)中測定的電流，利用所述去相關矩陣([G])以及所述偏移矩陣([O])，從所述測定的電流中推導出真實的電流(Ireal)。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，通過從所述測定的電流(Imeas)的矩陣([Imeas])中減去偏移矩陣([O])、並向所得到的結果應用所述去相關矩陣([G])的逆矩陣([G]-1)，而得到真實電流(Ireal)的矩陣([Ireal])。
6.如權利要求1至5中的任一個所述的方法，其特徵在於，所述電流換能器(Ci)為霍爾效應傳感器。
7.一種用於實現如權利要求1至6中任一項所述的方法的裝置，其特徵在於，其包括多個(n個)電流換能器(Ci)，每個換能器被置於與每個導體(i)基本相對。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述電流換能器(Ci)為霍爾效應傳感器。
9.一種如權利要求1至6中任一項所述的方法的應用，其中，將該方法應用於旋轉電機的定子的極的輸入/輸出導體中的電流的測定。
10.如權利要求9所述的應用，其特徵在於，將逆投影矩陣([C]-1)與去相關矩陣的逆矩陣([G]-1)相乘，以便產生應用於測定的定子的輸出電流的單個矩陣([M]＝[C]-1·[G]-1)，從而影響所述旋轉電機的電流的數值調節。
11.如權利要求10所述的應用，其特徵在於，在將所述單個矩陣([M])應用與測定的電流之前，將偏移矩陣([O])應用於測定的定子的輸出電流。
12.一種如權利要求1至6中任一項所述的方法的應用，其中，將該方法應用於電池管理系統中的電流的測定。
13.一種如權利要求1至6中任一項所述的方法的應用，其中，將該方法應用於電壓轉換器系統(DC/DC)中的電流的測定。
全文摘要
一種測定多個(n個)導體中的電流的方法。根據本發明，所述方法包括以下步驟將電流換能器布置為與每個導體(I，I＝1，...，n)基本相對；構造去相關矩陣([G])，其為換能器相對於所述導體的位置的函數；利用電流換能器測定每個導體(i)中的電流(I
文檔編號G01R31/00GK1997899SQ200580021693
公開日2007年7月11日 申請日期2005年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者麥可·切米恩, 弗雷德裡克·勒魯, 弗朗索瓦－澤維爾·伯納德 申請人:瓦裡奧電動馬達設備公司