专利名称：测量直流电机消耗的平均电流的方法与电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量直流电机的电流的方法与电路。进一步地，本发明 提供一种测定直流电机消耗的平均电流的方法与电路。
背景技术：
内燃机冷却系统包括电子控制单元，该电子控制单元根据内燃机的控制 单元提供的控制信号调节风扇的转速。该电子控制单元通常具有额外的诊断 功能用于检测系统的运行，尤其是通过监控电机消耗的电流来检测超载情况 或者设定必需的功率限制。业内常用的测量电机消耗的电流的方法是使用 精密电阻与电机串联，测量该精密电阻两端的电压降。
精密电阻是一种昂贵的零部件，因此，现有的这种方法成本较高，增加 了总成本。此外，精密电阻还具有额外的功耗。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新的测量电机消耗的平均电流的方法。该 方法包括将一电感线圈串接到直流电机的供电电路，使该电感线圈与所述 直流电机串联；测量所述电感线圈两端的电压降；根据所测量到的电压降的 平均值以及电感线圈的电阻值计算所述直流电机消耗的平均电流。
作为一种改进，该方法还包括测量环境温度，根据所述环境温度确定 所述电感线圈的电阻值；还通过第一滤波器过滤所述电感线圈的电感分量， 通过放大器来测量所述电感线圈两端的电压。
作为进一步的改进，该方法还包括将所述放大器的输出电压从模拟变 量转换成数字变量，并传输给所述微处理器；所述微处理器根据所述数字变 量的输出电压计算所述电压的平均值，并计算所述平均电流。本发明还提供一种测量直流电机消耗的平均电流的电路，包括电感线 圈，所述电感线圈用于与直流电机串联；放大器，所述放大器用于测量所述 电感线圈两端的电压降，并放大所述电压降；模数转换器，所述模数转换器 接收所述放大的电压降，并将所述放大的电压降转换成数字形式；微处理 器，所述微处理器接收所述数字形式的电压降，根据所述电感线圈的阻抗以 及所述数字形式的电压降计算流过所述电感线圈的平均电流。
作为进一步的改进，所述第一滤波器还包括第一电容、第一电阻以及第 二电阻，所述第一电阻的第一端和第二电阻的第一端分别连接到所述电感线 圈的两端，所述第一电阻的第二端和第二电阻的第二端分别连接到所述放大 器的输入端，所述第一电容的两极分别连接所述第一电阻的第二端和第二电 阻的第二端。
本发明使用电感线圈与直流电机串联，通过测量电感线圈两端的电压来 测算直流电机消耗的平均电流。本发明不需要使用精密电阻，节省了成本。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发 明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明 加以限制。
附图中
图l是本发明的测量电机消耗的平均电流的电路示意图2是图1所示电路的局部放大示意图3是用表格的方式显示出根据本发明计算得到的电机消耗的平均电流。
具体实施例方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式
详细描述，将使本发明的 技术方案及其他有益效果显而易见。
在图1中，三相无刷电机BLM具有端子A、 B禾nC。端子A、 B和C分 别连接到全桥控制电路BR的对应端子。全桥控制电路BR已为业内所知，包括6个固态电子开关Q1 Q6，例如金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)晶体管。
固态电子开关Q1 Q6具有对应的控制端子与电机的电子控制单元(图中 未示出)连接。
全桥控制电路BR串接电感线圈Ls后连接到恒压电源VB的正极和负 极，恒压电源Ve可以是汽车的电池。电容Cp的两端连接到恒压电源Vb的正 极与负极，从而与串接了电感线圈Ls的全桥控制电路BR并联。
图l所示电路还包括电容Q和Cb，电容Ca和CB的直接与全桥控制电路 BR并联。
本发明测量电机BLM消耗的平均电流lM的方法是测定电感线圈Ls两端 的电压VL，然后根据电压VL平均值、电感线圈Ls的阻抗的函数计算电机消
耗的平均电流IM。
电感线圈Ls两端的电压VL可以表示为两个分量的和，其中一个分量是 电阻分量(电阻值Rs)，另一个分量是电感分量(电感值L)，如下式所示
其中，k表示电感线圈的电流，而t表示时间。
"稳态"条件下的电压VL平均值^是:
1 '+7'
'+r
《=,仏,+ 0 (2)
因为'+f " ^ = 、(, + r) - l (,)=G(3)
因此，电感线圈Ls两端的电压的平均值主要由电阻分量贡献。
串联的电感线圈Ls两端的电压Vr^可通过电流测量放大器来测定，例如 图1和图2所示的电流测量放大器AMPL，可从商业市场上购买到这些放大 器。放大器AMPL与滤波器F1配合使用，以消除电感线圈Ls的电感分量。
参考图2，滤波器Fl可以是RC型滤波器(即电阻电容型滤波器)，包括 一个电容Cl以及两个电阻Rl和R2，电阻Rl的第一端和电阻R2的第一端分
6别连接到所述电感线圈Ls的两端，而电容Cl则连接电阻Rl的第二端以及电
阻R2的第二端。
放大器AMPL的输出通过输出滤波器F2、模数转换器A/D传输到微处 理器MP，该模数转换器A/D可以集成到微处理器中MP。
下面将会提到，为了考虑电感线圈Ls的铜线的电阻值Rs的变化以提高 测量的精确度，可以通过设计使微处理器MP根据变化的变化提供额外的补偿。
为了提供与温度有关的补偿，微处理器MP连接到温度传感器，例如图l 所示的负温度系数电阻器NTC。这种温度传感器与图l所示电路中的其他元 器件安装到同一块电路板上，用于测量环境温度而不是电感线圈Ls的温度。 为了考虑电感线圈Ls的自热效应，还测量了电感线圈的热阻，并将其温度换 算成所消耗的功率的函数。
电感线圈Ls的电阻值与环境温度T^b的函数关系可如下表示
= A。M [1 + a(rW7C 一 T鹏A + ^rt户必s ) J = ( 4 )
=[i + a(r-r鹏6 + &《)]
其中Ramb是环境温度为Lmb是测量到的电感线圈的电阻值； (X是铜的导热系数；
TwTC是电路板的环境温度，由电阻器NTC测定； Rth是电感线圈Ls的热阻；
PdiM是电感线圈Ls消耗的功率；以及 lM是电机BLM消耗的平均电流。
关系式(4)可以转换成
关系式(4)和关系式(5)表明，电感线圈Ls的串联电阻值Rs可以表
示为环境温度以及电机平均电流的函数
& (6)如图2所示，放大器AMPL输出端的电压VouT等于转换器A/D的输入端
的电压，可以表示如下
(7)
其中，G是放大器AMPL的增益。
输出滤波器F2包括一个串联电阻R3以及一个并联电容C2。输出滤波器 F2的作用是过滤放大器AMPL的输出端的电压，以生成电机的平均电流。
电阻器NTC与电阻R4和R5连接，其中，电阻器NTC—端通过电阻R4 接地以及通过电阻R5连接到稳压持续电源VDD，使得电阻器NTC的特性基 本上是线性的。
根据关系式(7)可以得到下面的关系式(8)。结合关系是(8)，微处理 器MP根据上述的输出电压V。ut以及电阻器NTC提供的温度确定电机BLM 的平均电流。
(8)
因为平均电流lM与电阻Rs有关，因此，关系式(8)可以转换成递归关 系式，如下
,'i+i 一_,「。",_一
微处理器MP根据关系式(9)执行一系列迭代运算，从而计算出流入电 机BLM的平均电流，如图3所示。
在上面所示的关系式(9)中，分母项的l+Ot(TNTC-Tamb)使微处理器MP
的计算相当复杂。对关系式(9)中的上述分母项进行如关系式(10)所示的 线性处理，将会显著降低关系式(9)的计算复杂度。确定常数a和b的值是比较简单的，因为该关系式在一定温度范围或者 NTNC域内是有效的，例如，在-25° C至150。 C的范围内是有效的。
如果微处理器MP具有可重写的存储器(例如EEPROM或者闪存)，还 可以根据电机BLM和关联电路的测试中的测量结果修改某些参数值，从而 改善所测量到的平均电流的准确度。
本发明适用于测量换向器型的电机(有刷电机)和电子开关型的电机 (无刷电机)的平均电流，尤其适用于测量驱动内燃机的冷却系统的风扇的电 机的平均电流。这种冷却系统包括电子控制单元，该电子控制单元根据内燃 机的控制单元提供的控制信号调节风扇的转速。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方 案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应 属于本发明的权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种测量直流电机消耗的平均电流的方法，包括将一电感线圈(LS)串接到直流电机的供电电路中，使所述电感线圈与所述直流电机串联；测量所述电感线圈两端的电压降(VL)；根据所述电压降的平均值、所述电感线圈的电阻值(RS)计算流经所述电感线圈的平均电流(IM)。
2、 如权利要求l所述的测量直流电机消耗的平均电流的方法，其特征在 于，还包括测量环境温度(TNTC)，根据所述环境温度(TNTC)确定所述电 感线圈的电阻值(Rs)。
3、 如权利要求2所述的测量直流电机消耗的平均电流的方法，其特征在 于，还包括通过第一滤波器过滤所述电感线圈的电感分量，通过放大器来测 量所述电感线圈两端的电压降(Vl)。
4、 如权利要求3所述的测量直流电机消耗的平均电流的方法，其特征在 于，将所述放大器输出的电压降从模拟变量转换成数字变量，并传输给所述 微处理器；所述微处理器根据所述数字变量的电压降计算所述电压降的平均 值。 .
5、 如权利要求2或3或4所述的测量直流电机消耗的平均电流的方法，其 特征在于，使用负温度系数传感器检测所述环境温度。
6、 一种测量直流电机消耗的平均电流的电路，其特征在于，包括 电感线圈(Ls)，所述电感线圈用于与所述直流电机串联；放大器(AMPL)，所述放大器用于测量所述电感线圈两端的电压降，并 放大所述电压降；模数转换器(A/D)，所述模数转换器接收所述放大的电压降，并将所述 放大的电压降转换成数字变量；微处理器(MP)，所述微处理器接收所述数字变量的电压降，根据所述 电感线圈的电阻值(Rs)以及所述数字变量的电压降的平均值计算流过所述 电感线圈的平均电流。
7、 如权利要求6所述的测量直流电机消耗的平均电流的电路，其特征在 于，还包括第一滤波器(Fl)，所述第一滤波器包括第一电容(Cl)、第一电 阻(Rl)以及第二电阻(R2)，所述第一电阻的第一端和第二电阻的第一端 分别连接到所述电感线圈的两端，所述第一电阻的第二端和第二电阻的第二 端分别连接到所述放大器的输入端，所述第一电容的两极分别连接所述第一 电阻的第二端和第二电阻的第二端。
8、 如权利要求6所述的测量直流电机消耗的平均电流的电路，其特征在 于，还包括第二滤波器(F2)，所述第二滤波器包括第三电阻(R3)和第二 电容(C2);所述第三电阻(R3)的两端分别连接所述放大器的输出端和所 述模数转换器的输入端，所述第二电容的一极接地，另一极连接所述模数转 换器的输入端。
9、 如权利要求6所述的测量直流电机消耗的平均电流的电路，其特征在 于，还包括负温度系数电阻器(NTC)以及第四电阻(R4)和第五电阻 (R5)，所述负温度系数电阻器的第一端接地，第二端连接所述微处理器，所 述第二端还通过所述第四电阻(R4)接地以及通过所述第五电阻(R5)连接 到所述微处理器的稳压电源(VDD)。
10、 如权利要求6至9中任意一项所述的测量直流电机消耗的平均电流的 电路，其特征在于，所述微处理器还包括可重写的存储器用于存储所述电感 线圈、第一滤波器、放大器、模数转换器的参数值。
全文摘要
本发明涉及一种测量直流电机消耗的平均电流的电路与方法，所述电路包括电感线圈(LS)，所述电感线圈用于与所述直流电机串联；放大器(AMPL)，所述放大器用于测量所述电感线圈两端的电压降，并放大所述电压降；模数转换器(A/D)，所述模数转换器接收所述放大的电压降，并将所述放大的电压降转换成数字变量；微处理器(MP)，所述微处理器接收所述数字变量的电压降，根据所述电感线圈的阻抗以及所述数字变量的电压降计算流过所述电感线圈的平均电流。本发明通过测量电感线圈两端的电压来测算直流电机消耗的平均电流，不需要使用昂贵的精密电阻，节省了成本。
文档编号G01R19/00GK101634667SQ20091016007
公开日2010年1月27日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月24日
发明者潘杰拉·皮尔弗朗哥, 艾斯卡·弗朗西斯科 申请人:盖茨股份有限公司