测定多个导体中的电流的方法

专利名称:测定多个导体中的电流的方法
技术领域：
本发明涉及测定多个导体中的电流的方法、以及用于实现这样的方法的装置。
在用于汽车工业的旋转电机的领域中，本发明尤其得到有利的应用。
背景技术：
具有热机(thermal engine)的机动车可被配备有可逆电机(reversibleelectrical machine)，可逆电机也被称为交流发电机/起动机(alternator/starter)，其在交流发电机模式、以及起动时的马达模式下均工作，或者起到辅助加速(例如，对于热机来说，从500转/分起)的作用。
可逆电机还包括功率单元和控制单元，所述功率单元在起动机模式中用作电流逆变器，而在交流发电模式中用作整流器，并被控制单元控制。
在此类机器中，有必要能够在任何时刻控制由交流发电机/起动机提供或消耗的扭矩。然而，此扭矩直接取决于该机器的定子的电流，并且更精确地，在定子以多相电流(例如，三相)方式工作时，取决于定子的各相上的电流。因此，为了监视并随后调节各个定子电流，存在通常为数值型的整流单元。
在该机器中，这些电流通过位于定子和整流器或功率单元上的逆变器之间的、通常具有高截面的导体。
例如，这些导体是被称为汇流条(bus-bar)的平行直线导体。
因此，将理解对于最适用于车辆发动机的工作的交流发电机/起动机的控制来说的优点，即，精确地获知在n个汇流条(在三相机器中，n等于3)上通过的电流。
为了确定定子电流，已经求助于各种已知类型的装置。
图1为已知装置的侧视图，该装置使用由围绕每个导体CO、并在霍尔效应传感器CA上闭合的铁氧体制成的磁路CM，其中，霍尔效应传感器CA测定由通过导体CO的电流I使用的磁场，该传感器与该磁路相对。将这样的装置固定到交流发电机/起动机功率单元的耗散器。
然而，这些装置是昂贵、庞大且使用复杂的，这是由于，它们首先需要该传感器和通常被称为控制卡的控制单元之间的连接链路，并且其次需要经由铁氧体磁路而通过汇流条的每个导体。
基于电子分流器(shunt)的装置也是已知的，然而，如果希望在由于焦耳效应的极少损耗的情况下测定非常强的电流(例如，800A)，则该装置不十分适用。另外，存在与导体连接的问题。最后，在低分流值(shunt value)的情况下，存在有关低电流的测定的显著的不精确。

发明内容由此，要通过本发明的此目的解决的技术问题在于，提出一种测定多个导体中的电流的方法，其将不会昂贵、无损且易于使用，同时确保所探寻的电流的精确确定。
根据本发明，所提出的技术问题的解决方案包括所述方法，其包括以下步骤-将电流换能器(electric current transducer)布置为与每个导体基本相对，其中一个导体为刚性的，-构造去相关矩阵，其为换能器相对于所述导体的位置的函数，-利用电流换能器测定在每个导体中的电流，并利用所述去相关矩阵和所述测定的电流，从中推导出真实的电流。
由此，根据本发明的方法需要仅使用简单的磁场换能器，而不需要磁路，所述换能器为磁场传感器，优选地，例如紧凑的霍尔效应传感器。不会出现由于焦耳效应而造成的能量的耗散，并且，每个导体中的电流的测定是精确且可再现的，去相关矩阵仅涉及通过针对于关联的电导体的换能器的相应配置而限定性确定的固定参数。
根据本发明，去相关矩阵包括通过以下步骤而确定的元素在每个导体中依次地施加校准电流，在其它导体中施加的电流为零，并且，利用所述换能器，测定与每个导体相关联的电流信号。随后，通过应用作为去相关矩阵的逆的矩阵，从测定的电流中推导出真实的电流。
在特别是由于传感器以及测定所述电流的电路的不精确而造成的电流的偏移的情况下，如果根据本发明的方法还包括以下步骤，则可进一步增加测定的精度，所述步骤即确定偏移矩阵，其元素等于在导体中不施加电流的情况下在每个所述导体中测定的电流，利用去相关矩阵以及所述偏移矩阵，从测定的电流中推导出真实的电流。
随后，通过从测定的电流矩阵中减去偏移矩阵、并向所得到的结果应用作为去相关矩阵的逆的矩阵，而得到真实的电流矩阵。
最后，在作为本发明的目的的本方法的一种应用(即，将该方法应用于旋转电机的定子的极的输入/输出导体中的电流的测定)中，本发明规定了用来与作为去相关矩阵的逆的矩阵相乘的逆投影矩阵，以便产生应用于测定的定子的输出电流的单个矩阵，从而影响所述旋转电机的电流的数值调节。
这个最后的规定具有这样的优点，即，数值调节处理器包括利用单个矩阵的电流的测定(作为去相关矩阵的逆的矩阵)、以及使得有可能从n相参考系(reference frame)改变为两相参考系的变换(逆投影矩阵)两者。
下面通过非限制性例子而给出的有关附图的描述将提供对本发明的组成、以及如何实现本发明的清楚的理解。
图1为根据现有技术的电流测定装置的图，图2为实现根据本发明的方法的电流测定装置的图，图3为图2中的装置的部分侧视图，图4为将根据本发明的方法应用于旋转电机的定子的极的输入/输出导体中的电流的测定的图，以及图5绘出了根据图4的方法的一个实施例的三相电流在两相电流系统中的投影(projection)。
具体实施方式图2绘出了用来测定各自用字母i标注的n个导体中的电流的装置。
此装置包括-传感器Ci，用来测定与n个导体中的每个相对应的磁场，-电路MES，用于测定与通过导体i的每个电流相对应的电压，此电路用来将在传感器Ci的端上测定的电压从第一参考值(例如，-10V、+10V)变换为第二参考值(例如，0V-5V)，以及-测定管理微控制器MC，其用来特别是控制定子电流，所述微控制器包括模数转换器CAN，其用来将从测定电路MES发出的变换后的测定(0V-5V之间)转换为数字单位(优选为对应于256、512或1024点的8、10或12位的方式)。
在图2中绘出的情况下，导体在数目上为3(n＝3)。例如，当将所绘出的装置及其实现的方法应用于与三相可逆电机(其也被称为交流发电机/起动机)的定子的极连接的导体中的电流的测定时，出现此情形。例如，导体i例如是定子的汇流条，其在英文中被称为“bus-bar”。它们还可为线缆或棒(rod)、或任意其它类型的电流导体，优选为刚性的。具体地，刚性特性使得特别有可能彻底地得到稳定且固定的去相关矩阵，即，将在下面详细地查看的矩阵。
与图2中的装置相关联的测定方法包括以下步骤。
在第一步骤中，如图3所示，与每个导体i(i＝1、2、3)基本相对地布置电流换能器Ci。优选地，该换能器Ci为磁场测定传感器，如霍尔效应传感器。霍尔效应传感器的优点在于，使得有可能在具有较大精度的情况下测定较宽范围的磁场值。另外，其使得有可能根据测定的电流而提供与所述真实的测定的电流成比例、并因此代表所述真实的测定的电流的量，也就是说，例如电压、频率或电流。
优选地，将每个导体i或汇流条置于功率卡PCB_P上。有利地，将每个换能器或传感器Ci置于基本上与控制卡PCB_C上的每个导体i相对。自然地，将传感器Ci布置为使得它们在测定范围上不饱和。
由此，传感器不再位于功率卡的耗散器上、而是被直接布置在控制卡上，不再存在对于用来将它们从耗散器连接到控制卡的连接的任何需要。这具有这样的优点消除了可靠性的问题以及由于庞大和昂贵的连接而造成的机械应力的问题，例如，所述机械应力经常取决于源自车辆的震动。
同样，换能器Ci不再如同图1的现有技术中那样被置于铁氧体磁路中，在每个导体i中计算的磁场不再被所述磁路引导(channel)。由此，可能出现边界效应，其中，换能器Ci将仅对被置于与另两个导体i的磁场相对的关联的导体i的磁场敏感。以下面的方式解决此问题。
其次，在初始化步骤期间，将校准电流Ij0施加到导体j，在其它导体i(i≠j)中不施加电流，并且，随后利用每个换能器Ci测定关联的电流信号Ii。对于导体i(i≠j)来说，测定的等效电流Ii不为零，这是因为，换能器Ci(i≠j)检测由导体j中的电流Ij0产生的磁场，并且因此提供与此磁场相对应的电流信号。例如，有可能采用与逆变器可承受的最大电流(例如，1000安培)等效的校准电流Ij0。在另一个例子中，有利于管理微控制器MC的校准电流Ij0可取例如2的幂。在2的幂的情况下，例如，可对于0.1安培的分辨率而取819.2安培的值，其对应于8192＝213。由此，这有利于随后的除法的计算，这是由于，此时微控制器仅影响偏移。自然地，如前所述，根据传感器Ci电流信号Ii为可被表示为电流、电压、频率等的量，此电流信号Ii表示在未向其它导体施加电流时的真实的测定的电流。
利用方程Gij＝Ii/Ij0[1]，从此推导出去相关矩阵[G]的n个元素Gij，其中，j是固定的，而i可从1至n变化。在三个导体的情况下，根据在导体i＝1中的电流I10的施加、并根据电流I1、I2和I3的测定，而推导出元素G11、G21和G31I1＝G11·I10I2＝G21·I10I3＝G31·I10通过将校准电流施加到每个导体，而执行此操作n次，根据其推导出矩阵[G]的n2个元素Gij。
对于三个导体来说，矩阵[G]写为[G]=G11G12G13G21G22G23G31G32G33]]>由此，由微控制器MC计算该去相关矩阵[G]及其逆矩阵[G]-1，并将其保存在微控制器的一个存储器中，例如，可写EEPROM(未示出)。
在车辆上的正常操作模式中，利用电流换能器Ci测定每个导体i的电流Imeasi，以便利用矩阵方程[Ireal]＝[G]-1[Imeas]而从中推导出真实的电流Irealj。
因此，本质上，矩阵[G]实质上是几何的(geometric)，并且，在安装传感器时，尤其考虑到可能的容限，特别是在汇流条和传感器之间的距离上的分散。
由此，此去相关矩阵[G]使得有可能限制要测定的电流之外的电流、以及因此的由传感器Ci测定的磁场的影响。
在针对可逆电机的定子的三项u、v、w的电流的应用的情况下，通过以下方程，从测定的电流中得到真实的电流IrealuIrealvIrealw=[G]-1ImeasuImeasvImeasw]]>优选地，该电流测定计算方法包括附加的校准步骤，其也使得有可能考虑到由于其测定的不精确而造成的偏移，其在英文中被称为“offset”，其中，测定的不精确特别是由于以下因素引起的-传感器Ci，-测定电路MES的组件，-微控制器MC的模数转换器CAN的组件。
例如，如果对于多或少1000A的测定范围，以12位的方式转换该测定，则转换器CAN将精确到与多或少0.5A相对应的1位内(2000/212＝0.5)。对于多或少100A的测定范围，如果以12位的方式转换该测定，则转换器CAN将精确到与多或少0.05A相对应的1位内。
由此，利用偏移矩阵[O]来考虑偏移，其中，偏移矩阵[O]的元素Oi等于在所述导体中不提供电流的情况下、在每个导体i中测定的电流，随后，通过[Ireal]＝[G]-1([Imeas]-[O])而给出真实的电流矩阵[Ireal]。
元素Oi还可为与测定的电流相对应的数值。
在三个导体的情况下，将偏移矩阵[O]写为[O]=O1O2O3]]>还可由微控制器MC计算该矩阵[O]，并将其保存在微控制器的一个存储器中，例如，可写EEPROM(未示出)。
当考虑到此校准步骤时，根据以下方程计算去相关矩阵[G]Gij＝(Ii-Oi)/Ij0[2]，其中，Oi对应于在最初的初始化步骤期间的测定的电流Ii，i(i≠j)的偏移。
注意，矩阵[G]和[O]可分别包括链(chain)或偏移中的各种增益，其使得有可能将所述信号重新集中(recentre)到与零相对应的值。
由此，在仅将考虑由于传感器而造成的偏移的情况下，将以欧姆为单位来表示去相关矩阵[G]，而随后以西门子为单位表示逆矩阵[G]-1。下面，通过每个传感器Ci给出这样的矩阵的一个例子，其中，所述传感器Ci维持在从它们的关联的汇流条i的垂直面起大约2.5厘米的距离，并且第一传感器C1位于相对于第二汇流条2的5.5厘米的对角线距离上、以及相对于第三汇流条3的10.5厘米的对角线距离上[G]-1=4021-1250-156-9724212-972-79-8643981]]>其中，对应的偏移矩阵[O]等于[O]=0.00053-0.001380.00015]]>自然地，要校准整个电流测定装置(即，传感器)、测定电路和模数转换器。在此情况下，去相关矩阵[G]的单位将为安培微控制器单位。
由此，根据该校准，真实的电流Ireal将具有不同的单位。例如，如果该校准仅涉及传感器Ci，则该单位将能够为电压，如果该校准涉及传感器Ci和测定电路MES，则该单位将能够为频率，例如，如果该校准涉及传感器Ci、测定电路MES以及模数转换器MC，则该单位将能够为具有分辨率的数值。
由此，去相关矩阵[G](其也可被称为增益矩阵)以及偏移矩阵[O](其也可被称为偏移矩阵)，使得有可能通过解决相关传感器的问题以及由于整个测定装置的组件而造成的不精确，而校准所有电流测定装置，这点是仅使用偏移矢量的简单去相关不可能完成的。
图4示出了可如何将本发明应用于可逆机器的定子的三相电流Iu、Iv和Iw的数值调节。
在非限制性实施例中，电流测定方法包括利用投影矩阵[C]将测定的n相参考系的真实的电流Ireal转换到两相参考系的补充步骤。
进行此补充步骤的目的是简化计算以及简化控制交流发电机/起动机的定子的相位中的电流的方式。
在n＝3的情况下，通过诸如以名称Concordia矩阵公知的矩阵或以名称Clark矩阵公知的另一种矩阵的矩阵将三相电流Iu、Iv和Iw变换为两相电流Iα和Iβ，而处理所述电流。随后，将这些两相电流施加到数值调节单元，以便调节定子电流。这样得到
IαIβIh=[C]-1IuIvIw]]>其中，Ih为同极分量，也就是说，[Iregul]＝[C]-1[Ireal]。
应注意，同极分量与和轴Oβ垂直的第三轴上的三相电流的和相对应。
在本领域的技术人员所共知的以delta方式的相位卷绕(winding)的情况下，同极分量与电流的内循环(internal circulation)相对应。
在本领域的技术人员所共知的以星形方式的相位卷绕的情况下，同极分量与定子的中性点相对应，其中，该中性点为三相之间的公共点。如果未连接中性点，则同极分量是中性的。
将此矩阵[C]及其逆矩阵[C]-1保存在微控制器MC的一个存储器中，例如，不可写ROM或可写EEPROM(未示出)。
图5绘出了在采用定子的第一相u的轴的系统(α，β，O)中的三相电流Iu、Iv和Iw的投影，以便标记角度，其中，电流Imeasu对应于第一相u。
根据可应用的Concordia投影矩阵的例子[C]=(2/3)1012-1/2(3)/212-1/2(3)/21/2]]>并且[C]-1=(2/3)1-1/2-1/203/2-3/21/21/21/2]]>根据可应用的Clark投影矩阵的例子[C]=101-1/2-(3)/21-1/2(3)21]]>并且，[C]-1=2/31-1/2-1/20-(3/2)(3)/21/21/21/2]]>应注意，这些投影矩阵的系数是常数，但为诸如三相电流采用的转动方向、其电流密度等的约定的函数。由此，有可能具有不同的标准化因子。
由此，可以看出，可利用被写为[M]＝[C]-1·[G]-1＝[G·C]-1的单个矩阵[M]，由图2的装置从测定的电流Imeas中直接得到两相电流Iα和Iβ。
随后，以下方程成立[Iα，β]＝[M]·([Imeas]-[O])应注意，脱机(offline)影响两个矩阵[G]-1和[C]-1的积，其中，不考虑该机器的旋转以及因此的定子-转子角度θ。
在希望在该机器的参考系中工作的情况下，也就是说，考虑定子-转子角度θ并因此联机(online)(即，实时)进行电流的计算，假定轴Oα和Oβ相对于第一相u的轴偏移角度θ。新的轴为本领域的技术人员所公知的直接轴Od和正交轴Oq。由此，存在通过应用旋转矩阵[R]的从系统(α，β，θ)到系统(d，q，O)的改变[R]=cosθsinθ0-sinθcosθ0001]]>由此，存在XαXβ0=[R]XdXq0]]>也就是说XdXq1=[R]-1XαXβ1]]>利用以名称Park公知的变换[P]，其为投影矩阵(Concordia或Clark)和旋转矩阵[R]的积。
P=cosθsinθ1cos(θ-2Π/3)sin(θ-2Π/3)1cos(θ-4Π/3)sin(θ-4Π/3)1]]>这样，将逆Park矩阵[P]-1＝[R]-1[C]-1应用于测定的电流Imeas，以便得到新的电流Idq，包括可应用于偏移矩阵[O]的情况。这样得到[Idq]＝[P]-1·[G]-1·([Imeas]-[O])＝[R]-1·[C]-1·[G]-1·([Imeas]-[O])＝[R]-1·[M]·([Imeas]-[O])该Park变换使得有可能得到对机器电流的更有效的控制。这样，得到了连续的量，而不是可变或交替的量，其中，连续的量更容易调节。
应注意，在逆变器-整流器的正常运转之前，由微控制器彻底地计算矩阵[G]、[O]和[M]。
由此，与由计算机进行的去相关矩阵的理论计算相比，该电流测定方法具有特定的优点，前者不知晓例如由于与传感器相邻的组件而造成的干扰以及由于传感器而造成的不精确。另外，本发明的方法比由计算机进行的计算更简单。最后，根据本发明的方法允许各种导体中的电流测定的完全去相关。应注意，该去相关与在导体中测定的通量和电流之间的去相关(即，追求与电流的去相关不同的目的的去相关)不同。
应注意，根据本发明的方法不仅可被应用于旋转电机中的电流的测定，还可被应用于任何如下的应用中其中，在引起测定之间的相关并因此要求去相关的限定空间中，需要对多个电流的测定，例如，汽车或DC/DC转换器中的电池管理系统、通常所称的BMS。这是因为，通常电池管理系统包括机架，其包括各种连接器，在连接器上连接了电池和诸如空调和高保真音响管理系统用电设备。为了所述电池和用电设备的正确工作，有必要测定通过它们的电流。
同样地，DC/DC电压转换器包括其中的电流通过且有必要测定输入和输出电流的各种单元和组件。应注意，可在42V车辆中使用DC/DC转换器，其中，电池处于42V，而用电设备处于12V，所述转换器使得有可能从42V改变为12V。
权利要求
1.一种测定多个(n个)导体中的电流的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤-将电流换能器(Ci)布置为与每个导体(i，i＝1，...，n)基本相对，其中一个导体为刚性的，-构造去相关矩阵([G])，其为换能器(Ci)相对于所述导体的位置的函数，-利用电流换能器(Ci)测定在每个导体(i)中的电流(Imeas)，并利用所述去相关矩阵([G])和所述测定的电流(Imeasi)，从中推导出真实的电流(Ireali)。
2.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述去相关矩阵([G])包括通过以下步骤而确定的元素(Gij)在每个导体(i)中依次地施加校准电流(Ij0)，在其它导体中施加的电流为零，并且，利用所述换能器(Ci)测定与每个导体(i)相关联的电流信号(Ii)。
3.如权利要求
2所述的方法，其特征在于，通过应用所述去相关矩阵([G])的逆矩阵([G]-1)，从所述测定的电流(Imeas)中推导出真实的电流(Ireal)。
4.如权利要求
1至3中的一个所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤确定偏移矩阵([O])，其元素(Oi)等于在导体中不提供电流的情况下在每个所述导体(i)中测定的电流，利用所述去相关矩阵([G])以及所述偏移矩阵([O])，从所述测定的电流中推导出真实的电流(Ireal)。
5.如权利要求
4所述的方法，其特征在于，通过从所述测定的电流(Imeas)的矩阵([Imeas])中减去偏移矩阵([O])、并向所得到的结果应用所述去相关矩阵([G])的逆矩阵([G]-1)，而得到真实电流(Ireal)的矩阵([Ireal])。
6.如权利要求
1至5中的任一个所述的方法，其特征在于，所述电流换能器(Ci)为霍尔效应传感器。
7.一种用于实现如权利要求
1至6中任一项所述的方法的装置，其特征在于，其包括多个(n个)电流换能器(Ci)，每个换能器被置于与每个导体(i)基本相对。
8.如权利要求
7所述的装置，其特征在于，所述电流换能器(Ci)为霍尔效应传感器。
9.一种如权利要求
1至6中任一项所述的方法的应用，其中，将该方法应用于旋转电机的定子的极的输入/输出导体中的电流的测定。
10.如权利要求
9所述的应用，其特征在于，将逆投影矩阵([C]-1)与去相关矩阵的逆矩阵([G]-1)相乘，以便产生应用于测定的定子的输出电流的单个矩阵([M]＝[C]-1·[G]-1)，从而影响所述旋转电机的电流的数值调节。
11.如权利要求
10所述的应用，其特征在于，在将所述单个矩阵([M])应用与测定的电流之前，将偏移矩阵([O])应用于测定的定子的输出电流。
12.一种如权利要求
1至6中任一项所述的方法的应用，其中，将该方法应用于电池管理系统中的电流的测定。
13.一种如权利要求
1至6中任一项所述的方法的应用，其中，将该方法应用于电压转换器系统(DC/DC)中的电流的测定。
专利摘要
一种测定多个(n个)导体中的电流的方法。根据本发明，所述方法包括以下步骤将电流换能器布置为与每个导体(I，I＝1，...，n)基本相对；构造去相关矩阵([G])，其为换能器相对于所述导体的位置的函数；利用电流换能器测定每个导体(i)中的电流(I
文档编号G01R31/00GK1997899SQ20058002169
公开日2007年7月11日 申请日期2005年6月30日
发明者迈克尔·切米恩, 弗雷德里克·勒鲁, 弗朗索瓦－泽维尔·伯纳德 申请人:瓦里奥电动马达设备公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan