CN101634667B - 测量直流电机消耗的平均电流的方法与电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量直流电机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。

Description

测量直流电机消耗的平均电流的方法与电路

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。

附图说明

附图中：

图1是本发明的测量电机消耗的平均电流的电路示意图；

图2是图1所示电路的局部放大示意图；

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和C。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L_S后连接到恒压电源V_B的正极和负极，恒压电源V_B可以是汽车的电池。电容C_P的两端连接到恒压电源V_B的正极与负极，从而与串接了电感线圈L_S的全桥控制电路BR并联。

图1所示电路还包括电容C_A和C_B，电容C_A和C_B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I_M的方法是测定电感线圈L_S两端的电压V_L，然后根据电压V_L平均值、电感线圈L_S的阻抗的函数计算电机消耗的平均电流I_M。

电感线圈L_S两端的电压V_L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R_S)，另一个分量是电感分量(电感值L)，如下式所示：

$V_L=R_S{i}_L\left(t\right)+L\frac{d{i}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，i_L表示电感线圈的电流，而t表示时间。

“稳态”条件下的电压V_L平均值V_L是：

$\stackrel{\‾}{V_L}=\frac{1}{T}\underset{t}{\overset{t+T}{\∫}}(R_S{i}_L\left(t\right)+L\·\frac{d{i}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}})\mathrm{d\ξ}=\frac{1}{T}{R}_S\underset{t}{\overset{t+T}{\∫}}{i}_L\left(t\right)\mathrm{d\ξ}+0---\left(2\right)$

因为 $\underset{t}{\overset{t+T}{\∫}}\frac{d{i}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{d\ξ}=i_L(t+T)-i_L\left(t\right)=0---\left(3\right)$

因此，电感线圈L_S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L_S两端的电压V_L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L_S的电感分量。

参考图2，滤波器F1可以是RC型滤波器(即电阻电容型滤波器)，包括一个电容C1以及两个电阻R1和R2，电阻R1的第一端和电阻R2的第一端分别连接到所述电感线圈L_S的两端，而电容C1则连接电阻R1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L_S的铜线的电阻值R_S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1所示的负温度系数电阻器NTC。这种温度传感器与图1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L_S的温度。为了考虑电感线圈L_S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L_S的电阻值与环境温度T_amb的函数关系可如下表示：

$R_S=R_{\mathrm{amb}}[1+\mathrm{\α}(T_{\mathrm{NTC}}-T_{\mathrm{amb}}+R_{\mathrm{th}}{P}_{\mathrm{diss}})]=$

$=R_{\mathrm{amb}}[1+\mathrm{\α}(T_{\mathrm{NTC}}-T_{\mathrm{amb}}+R_{\mathrm{th}}{R}_S{I}_M^2)]---\left(4\right)$

其中：R_amb是环境温度为T_amb是测量到的电感线圈的电阻值；

α是铜的导热系数；

T_NTC是电路板的环境温度，由电阻器NTC测定；

R_th是电感线圈L_S的热阻；

P_diss是电感线圈_LS消耗的功率；以及

I_M是电机BLM消耗的平均电流。

关系式(4)可以转换成：

$R_S=\frac{R_{\mathrm{amb}}[1+\mathrm{\α}(T_{\mathrm{NTC}}-T_{\mathrm{amb}})]}{1-\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{amb}}{R}_{\mathrm{th}}{I}_M^2}---\left(5\right)$

关系式(4)和关系式(5)表明，电感线圈L_S的串联电阻值R_S可以表示为环境温度以及电机平均电流的函数：

R_S＝f(T_NTC，I_M)             (6)

如图2所示，放大器AMPL输出端的电压V_OUT等于转换器A/D的输入端的电压，可以表示如下：

V_out＝R_SI_MG                (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一端通过电阻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_out以及电阻器NTC提供的温度确定电机BLM的平均电流。

$I_M=\frac{V_{\mathrm{out}}}{G{R}_S}---\left(8\right)$

因为平均电流I_M与电阻R_S有关，因此，关系式(8)可以转换成递归关系式，如下：

$I_M^{n+1}=\frac{V_{\mathrm{out}}}{G{R}_S(T_{\mathrm{NTC}},I_M^n)}=$

$=\frac{V_{\mathrm{out}}(1-\mathrm{\α}{R}_{\mathrm{amb}}{R}_{\mathrm{th}}{I}_M^{n^2})}{G{R}_{\mathrm{amb}}[1+\mathrm{\α}(T_{\mathrm{NTC}}-T_{\mathrm{amb}})]}---\left(9\right)$

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1+α(T_NTC-T_amb)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。

$\frac{1}{1+\mathrm{\α}(T_{\mathrm{NTC}}-T_{\mathrm{amb}})}\≅(a-b{T}_{\mathrm{NTC}})---\left(10\right)$

其中，a和b是两个恒量。

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℃至150℃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。

Claims (9)

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(L_S)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(V_L)；

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(V_L)，所述第一滤波器包括第一电容(C1)、第一电阻(R1)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；

根据所述电压降的平均值、所述电感线圈的电阻值(R_S)计算流经所述电感线圈的平均电流(I_M)。

2.如权利要求1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(T_NTC)，根据所述环境温度(T_NTC)确定所述电感线圈的电阻值(R_S)。

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：

使用第三电容(C_P)与所述电机的供电电源并联；

使用第四电容(C_A)串接所述电感线圈(L_S)后与所述电机的供电电源并联；和

第五电容(C_B)，所述第五电容(C_B)串接所述电感线圈(L_S)后与所述电机的供电电源并联。

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(L_S)，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(R_S)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；

还包括第一滤波器(F1)，所述第一滤波器包括第一电容(C1)、第一电阻(R1)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。

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。

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)。

9.如权利要求6至8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。

Images