CN102057281B - 用于在相线中测量电流的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在一种用于在多相电网中进行电流测量的方法中，在多相电网的多个相(U、V、W)之间建立起导电连接，从而使多个相彼此短接。在检测时间点检测在所述导电连接和第一电势(0V)之间流动的电流值(ISh)。

Description

用于在相线中测量电流的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于在特别是多相电网中测量电流的方法。
背景技术
多相电网例如用于为电动机供电。可以借助低阻抗的电阻(分流器)对在多相电网的一个相中流动的电流进行测量。在所谓的1-分流器-电流测量中，可以经由唯一的分流器求出各个相中的电流。但在此可能会出现由偏差引起的测量不精确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，改进电流测量。
本发明实现了一种自动的测量误差补偿，其例如可以在1-分流器-电流测量中使用。在此，本发明的方法(Ansatz)基于对用来求出所出现的偏差的扫描时间点的定义。在1-分流器-电流测量(1-Shunt-Strommessung)中，可能产生两个由偏差引起的测量误差。在此涉及一个运算放大器偏差和一个纹波偏差，该纹波偏差的起因可以是借助带相位差的不对称的脉宽调制(PWM)的相电压输出。按照本发明的方法，不再有必要通过带端均衡求出该偏差，以及例如在控制器的EEPROM中储存该偏差。通过省去带端均衡节省成本。所述的偏差部分不是在所有的工作点上都是恒定的。此外，它们承受一定的老化效应。本发明考虑到了这些效应，从而可以改善电流测量的质量。可以有利地将本发明的方法与已知的测量方法组合使用。本发明的方法也可选能够单独使用。
按照一种设计方案，本发明创造了一种用于在多相电网中进行电流测量的方法，该方法具有如下步骤：
-在多相电网的多个相之间建立起导电连接，从而使多个相彼此短接；以及
-在检测时间点检测在导电连接和第一电势之间流动的电流值。
可以借助布置在在导电连接和第一电势之间的测量装置来检测所述电流值。这例如可以使用分流器。
多个相可以经由至少一个第一开关与测量装置连接，以及至少一个第一开关可以在检测时间点闭合。因此所述方法适用于1-分流器-电流测量。
此外，多个相中的每一个相都可以分别经由第一开关与测量装置连接，以及所有的第一开关都在第一检测时间点闭合。这样的布置可以结合桥式电路使用，可以用它来触发多相的用电设备。
预先确定的最少持续时间位于最后一个第一开关闭合和检测时间点之间。由此可以确保所使用的测量装置起振。
多个相可以经由至少一个第二开关与第二电势连接。这实现了将多相的用电设备接入直流电压电路中。
此外，在多相电网的所有相之间建立起导电连接。
按照一项设计方案，电流值可以对测量装置的零点位移进行补偿。
按照另一种设计方案，本发明创造了一种用于在多相电网中进行电流测量的方法，该方法具有下列步骤：
-在第一检测时间点检测在多相电网的第一相和第一电势之间流动的第一电流值；
-在第二检测时间点检测在第一相和第一电势之间流动的第二电流值，其中，第一和第二检测时间点选择为，使第一和第二电流值具有不同的符号；以及
-从第一和第二电流值求出电流值。
第一和第二电流值的检测可以借助布置在第一电势和多个第一开关之间的测量装置完成，其中，多相电网的各个相经由多个第一开关中的各一个与测量装置连接。因此所述方法适用于1-分流器-电流测量。
在第一检测时间点，可以闭合仅一个配属于第一相的第一开关，以及在第二检测时间点可以仅打开前述配属于第一相的第一开关。这种开关模式可以求出电流测量的偏差补偿的值。
第一检测时间点可以是与配属于第一相的第一开关的第一开关过程间隔的预定持续时间，第二检测时间点可以是与配属于第一相的第一开关的第二开关过程间隔的预定持续时间。因此可以实现，在第一和第二检测时间点检测到的电流彼此对称。
第一预定持续时间例如可以与第二预定持续时间对应。因此检测时间点和各相关的开关过程之间的时间间隔一致。
此外电流值可以从第一和第二电流值中求出作为电流值来作为平均值。
按照这种设计方案，当无法在第二检测时间点检测第二电流值时，由存储器提供与第二电流值对应的值。
此外，多相电网的每一个相能够经由各一个第二开关与第二电势连接，其中在第一检测时间点仅可以打开第一相的第二开关，在第二检测时间点闭合仅所述第一相的第二开关。因此所述方法可以应用在用于触发多相的用电设备的桥式电路中。
按照另一种设计方案，本发明还创造了一种用于在多相电网中进行电流测量的设备，包括：多个第一开关，用于在多相电网的多个相之间建立起导电连接，从而使多个相彼此短接；用于触发多个第一开关的控制装置；以及测量装置，用于在检测时间点检测在导电连接和第一电势之间流动的电流值。
测量装置可以尤其成形为测量电阻，并且布置在导电连接和第一电势之间。
多个相可以经由多个第一开关中的至少一个与测量装置连接，以及控制装置可以设计成，这样来触发多个第一开关，使得至少一个第一开关在检测时间点闭合。
多个相的每一个相可以经由多个第一开关的各一个与测量装置连接，以及控制装置可以设计成，这样来触发多个第一开关，使所有第一开关在检测时间点闭合。
控制装置可以设计成，这样来触发多个第一开关，使在闭合最后一个第一开关和检测时间点之间有一个预定的最少持续时间。
所述设备可以具有至少一个第二开关，其中，多个相经由至少一个第二开关与第二电势连接。
按照另一种设计方案，本发明创造了一种用于在多相电网中进行电流测量的设备，包括：测量装置，其设计成在第一检测时间点检测在多相电网的第一相和第一电势之间流动的第一电流值，以及在第二检测时间点检测在第一相和第一电势之间流动的第二电流值，其中第一和第二检测时间点选择为，使第一和第二电流值具有不同的符号；以及用于从第一和第二电流值中求出电流值的装置。
所述设备可以具有多个第一开关，其中，测量装置设在第一电势和多个第一开关之间，并且多相电网的各个相经由多个第一开关的各一个与测量装置连接。
在此，可以在第一检测时间点闭合仅一个配属于第一相的第一开关，以及在第二检测时间点打开该第一开关。
第一检测时间点可以是与配属于第一相的第一开关的第一开关过程间隔的预定持续时间，第二检测时间点可以是与配属于第一相的第一开关的第二开关过程间隔的预定持续时间。第一预定持续时间可以与第二预定持续时间对应。
所述设备可以具有存储器，它设计成，当无法在第二检测时间点检测第二电流值时，提供一个与第二电流值对应的值。
所述设备可以具有多个第二开关，这些第二开关被布置成，使多相电网的每个相能够经由多个第二开关的各一个与第二电势连接，其中，在第一检测时间点打开仅一个配属于第一相的第二开关，以及在第二检测时间点闭合该第二开关。
附图说明
本发明借助附图中的实施例示意性示出，以及在下文中参考附图加以详细说明。附图借助实施例阐释本发明。附图中：
图1表示一个多相电网；
图2至4表示不同的开关模式；
图5表示一个多相电网；以及
图6表示另一个开关模式。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的一个实施例有桥式电路的多相电网。桥式电路具有三个桥式支路。每个桥式支路具有第一开关102和第二开关104。桥式电路设计成用来触发一个三相用电设备。为此，第一桥式支路和用电设备的第一相U，第二桥式支路和第二相V以及第三桥式支路和第三相W连接。用电设备可以设计成三相异步电机。第一开关102和第二开关104可以由没有示出的控制单元触发。
桥式电路与可以设计成电流中间电路的直流电路连接。为此，桥式电路的第一接线经由可以成型为分流器的电阻RSh与第一电势0V连接。桥式电路的第二接线与第二电势UBat连接。在桥式电路的第一和第二接线之间接有电容器。
流经第一开关的相电流IU、IV、IW在节点合成一个流过电阻RSh的电流ISh。电阻RSh可以是测量装置的一部分，该测量装置设计用于检测电流ISh。测量装置可以具有测量放大器电路和模数转换器，所述模数转换器将电阻RSh的模拟信号转换成数字信号。测量放大器电路可以在运行时具有起振时间。模数转换器可以具有扫描时间，可设计成场效应晶体管(FET)的开关102、104可以具有停止时间。在通过电阻RSh测量时考虑到这两个时间。
例如可以用电阻RSh以连续的顺序求出相电流IU、IV、IW.为此，可以测量所有三个相电流IU、IV、IW中的其中两个以及借助基尔霍夫第二定律计算第三个相电流。为了测量相电流IU、IV、IW，需要特定的开关模式，亦即需要对开关102、104进行确定的触发，从而使流过电阻RSh的电流对应待测量的相电流IU、IV、IW。
为对开关102、104进行触发，可以选择间歇模式，在该模式中，开关102、104的切换时间在时间上是移动的，从而可以在脉宽调制周期内对三个相电流IU、IV、IW中的至少两个进行测量。例如可以在第一次测量的时间点上使通过电阻RSh的电流对应相U中的电流，以及在第二次测量的时间点上使通过电阻RSh的电流对应相W中的反向电流，这一点对应相电流U和V的相加。这些测量可以在脉宽调制周期的两个子周期A、B之一内进行。子周期A、B的和为脉宽调制周期。
按照本发明的一个实施例，测量放大器电路的偏差可以用电阻RSh补偿。
因为电流测量的测量区应具有正区和负区，所以有必要将放大器电路的输入端预加载到平均电压。为此，可以借助电阻分压器将测量放大器电路的运算放大器(OPV)的输入端置于平均电压。这种电阻分压器可以在例如生产相关的控制器(ECU)时借助激光调准，因而非常精确。但无法阻止电阻由于温度而发生改变。这会导致平均电压的位移，因而导致电流测量的零点的发生位移。为此还可以补上运算放大器本身的温度漂移。因此两个效应都会导致电流测量时与温度相关的偏差。
按本发明的方法(Ansatz)，实现了对运算放大器偏差的自动补偿。
如图1所示，用于测量电流的分流器RSh与中间电路连接。这对应1-分流器-电路测量的结构。因此相对3-分流器-电流测量有如下优势，即，仅中间电路电流必须变为零。因此存在与相电流IU、IV、IW的不相关性以及并不强制要求使输出扭矩变为零。按照本发明的方法，寻找一种开关模式，在该开关模式中能够求出运算放大器电路的偏差值。当所有的低边开关102或所有的高边开关104都开着时，这种开关模式是给定的。
图1中示出了用来确定运算放大器偏差的开关模式。按照该实施例，三相用电设备设计成电机，开关102、104设计成场效应晶体管。在图1中示出的开关模式下，所有三个电机相位U、V、W经由低边场效应晶体管短接，从而使中间电路电流以及因此穿过分流器RSh的电流变为零。按照本发明，在该时间点扫描分流器RSh的电压。由此可以得到电流测量的零点位移的值，借助该值可以通过减法进行偏差补偿。在此需要注意的是，扫描前就已经足够长久地发出开关模式，因而在测量电路的模数转换器的输入端附有一个起振值。这种要求意味着对运算放大器偏差而言，在半周期A结束时这样长久地发出一个零电压矢量，直至电流测量放大器起振。
因此得出各个相U、V、W的脉宽调制上限，在该上限之下可以进行运算放大器偏差测量。该极限值取决于对应的相的相位差。基本上为：
PWMmax＝(TPWM-Tphaseshift-tx)/TPWM  (1)
PWMmax代表各个相U、V、W的脉宽调制上限，TPWM代表脉宽调制的周期持续时间以及时间TSetlinkOPV、Tphaseshift和Tsample反映运算放大器的起振时间、相位差和扫描时间。由此得出时间tx：
tx＝停止时间+起振时间OPV+扫描时间。
图2示出了最大的脉宽调制，此时，可以进行运算放大器偏差的测量。图中还示出了在半周期A和半周期B内对相U、V、W的扫描模式。通过在图1中示出的开关102、104的切换实现在相U、V、W内的过渡。在此，运算放大器偏差的测量在半周期A过渡到半周期B时在时间窗tx内完成。
按照本发明的另一个方法，可以通过电流波纹实现对偏差的补偿。
通过在子周期B和A期间发出不同的电压矢量，在带相位差的非对称的脉宽调制中出现电流的波纹。在下文中，这种波纹也被称为纹波(Ripple)。这种电流纹波在此具有与脉宽调制一样的频率。因为两个电流测量所需的电流在不同的扫描时间点被确定，因此该电流纹波导致电流测量中的偏差。
图3表示在带相位差的非对称的脉宽调制中的偏差以及特别示出，如何通过电流波纹产生所述偏差。图中示出了带相应的电流纹波的两个脉宽调制周期。
在图3的上部图表中示出了相U、V、W的电机电压的变化曲线。在下部图表中则示出了相电流IU、IW的变化曲线。分别示出相电流IU、IW的平均值和波纹。无论是第一次测量还是第二次测量都在半周期B中完成，半周期A紧接其后。在第一次测量中测量相电流IU。相电流IU的偏差312在第一次测量的时间点上作为在相电流IU的平均值和波纹之间的间距示出。相电流IW的偏差314在第一次测量的时间点上作为在相电流IW的平均值和波纹之间的间距示出。
通过带相位差的脉宽调制产生的电流测量误差与电池电压Ubat、欧姆电阻RFET和RMotor、电机感应率LMotor和在输入端跃变及测量时间点之间的时间t相关。
在此，欧姆电阻RFET和RMotor以及电机感应率LMotor又受温度的影响。感应率还受机器中的磁通或铁的饱和度的影响。
与对温度偏差的补偿相反的是，在对纹波偏差的补偿中，不使用在3-分流器-电流测量中现有的方法以及因此居中的脉宽调制，其中在居中的脉宽调制中，电流值不是被连续地扫描，而是被平行地扫描，以及测量时间点选择为，使得能求出该波纹的过零中的电流以及因而不产生任何偏差。
按照这种实施例，借助双重扫通过电流波纹实现偏差补偿。
一种用于补偿电流纹波误差的可能方案提供了波纹的对称性。这种对称性可以通过在负半轴内重新扫描电流值以及从两个值中形成平均值而得到充分利用。为此，在图3中示出的测量为了在半周期A中对两个电流IU、IW进行第二次测量而被扩大。
图4示出了按照本发明的一种实施例的电流测量的过程，测量时伴随着通过双重扫描进行的自动纹波偏差补偿。除了业已在图3中示出的测量“IU第一次测量(IU 1.Messung)”、“IW第一次测量(IW1.Messung)”外，在图4中还示出了另外两个测量“IU第二次测量”、“IW第二次测量”，这两种测量在半周期A内进行。分别在第二次测量的时间点上示出相电流IU、IW的相应的偏差412、414。
按照这种实施例，第二次测量的时间点意义重大。它们必须以和在第一次测量时正好相同的间距来切换相U、V、W的对应的场效应晶体管102、104。只有这样才可以确保，在两次测量中因纹波偏差造成的测量误差相同以及这样来充分利用电流波纹的对称性。这种方法的另一个优点在于，同样自动地消除了因温度漂移产生的偏差，因为这种偏差在第二次测量中用相反的符号叠加给相电流。这一点最好在相U中的电流测量中举例示出。在时间点“IU第一次测量”，这样切换场效应晶体管，使得分流器电流对应相U中的电流。因此偏差在此以和有效信号相同的符号测量结果中发生作用。在相电流IU在半周期A内的第二次测量中，分流器电流现在对应从相U中流出并因而具有负号的电流。这种情况在图5中示出。
图5示出了业已在图1中示出的B6-电桥在时间点“IU第二次测量”上的状态，正如其在图4中所示的那样。按照这种实施例，偏差此时以和有效信号相反的符号流入测量结果，并且因此在平均值形成时被消除。
方程式2表示在相U中的电流的这种相互关系：
IU＝(IU1，Messung-IU2，Messung)/2                (2)
其中适用于两个测量结果IU1，Messung和IU2，Messung的是：
IU1，Messung＝IU+纹波偏差+温度偏差               (3)
或
IU2，Messung＝-IU+纹波偏差+温度偏差              (4)
在计算第二相电流时，仅需考虑的是，第一次测量提供带负号的电流，第二次测量提供带正号的电流。因此得出：
IW＝(IW2，Messung-IW1，Messung)/2                (5)
其中适用于两个测量结果IW1，Messung和IW2，Messung的是：
IW1，Messung＝-IW+纹波偏差+温度偏差              (6)
或
IW2，Messung＝IW+纹波偏差+温度偏差               (7)
刚刚说明的按本发明的方法可以仅在一定的脉宽调制模式下使用。
图6示出了一种开关模式，此时无法进行相电流的W的第二次测量以及因而双重扫描。在图6中又示出了相U、V、W的电机电压以及测量“IU第一次测量”、“IW第一次测量”、“IU第二次测量”、“IW第二次测量”。但无法使用测量“IW第二次测量”，因为相V的电机相电压无法相对在测量“IW第一次测量”时的状态逆转。
在此，第二次测量也无法实现测量时间点的移动，因为在半周期A内找不到任何可以使所搜寻的电流IW足够长久地流过分流器的开关模式，因而在测量装置的模数转换器的输入端可以扫描一个起振值。因为该开关模式在正常运行时更确切地说是规律而不是例外，所以在软件中求出并储存上一次求得的纹波偏差。通过从来自该双重扫描的第一次测量的原始值中得到借助在可能的双重扫描时的测量而求出的电流，这一点可以非常简单。在无法进行双重扫描时，这个存储的值就可以用于偏差补偿。

Claims (4)

1.一种用于在多相电网中进行电流测量时对偏差进行补偿的方法，它具有下列步骤：
-在第一检测时间点检测在多相电网的第一相(U、V、W)和第一电势0V之间流动的第一电流值(ISh)；
-在第二检测时间点检测在所述第一相和所述第一电势之间流动的第二电流值(ISh)，其中如此选择所述第一和第二检测时间点，以致于所述第一和第二电流值具有不同的符号；以及
-从所述第一和第二电流值求出所述偏差，
其中借助布置在所述第一电势0V和多个第一开关(102)之间的测量装置(RSh)执行所述第一和第二电流值的检测，其中多相电网的各个相(U、V、W)分别经由多个第一开关之一与所述测量装置连接，
其中在所述第一检测时间点仅将配属于第一相的第一开关(102)闭合，以及在所述第二检测时间点仅将该配属于第一相的第一开关打开，
其中所述第一检测时间点是与配属于第一相的第一开关(102)的第一开关过程间隔的预定的第一持续时间，以及所述第二检测时间点是与配属于第一相的第一开关的第二开关过程间隔的预定的第二持续时间，其中所述预定的第一持续时间和所述预定的第二持续时间是相同的。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，当无法在所述第二检测时间点检测到所述第二电流值(ISh)时，由存储器提供与所述第二电流值对应的值。
3.按权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，多相电网的每个相(U、V、W)都能够分别经由第二开关(104)与第二电势(UBat)连接，以及其中，在所述第一检测时间点仅将第一相的第二开关打开并在所述第二检测时间点仅将所述第一相的这个第二开关闭合。
4.一种用于在多相电网中进行电流测量时对偏差进行补偿的设备，具有如下特征：
测量装置(RSh)，所述测量装置(RSh)被设置在第一电势0V和多个第一开关(102)之间，其中多相电网的各个相(U、V、W)分别经由多个第一开关之一与所述测量装置连接，其中所述测量装置(RSh)被设计成在第一检测时间点检测在多相电网的第一相(U、V、W)和第一电势0V之间流动的第一电流值(ISh)以及在第二检测时间点检测在第一相和第一电势之间流动的第二电流值(ISh)，其中如此选择第一和第二检测时间点，以致于第一和第二电流值具有不同的符号；其中在所述第一检测时间点仅将配属于第一相的第一开关(102)闭合，以及在所述第二检测时间点仅将该配属于第一相的第一开关打开，其中所述第一检测时间点是与配属于第一相的第一开关(102)的第一开关过程间隔的预定的第一持续时间，并且所述第二检测时间点是与配属于第一相的第一开关的第二开关过程间隔的预定的第二持续时间，其中所述预定的第一持续时间和所述预定的第二持续时间是相同的；以及
用于从第一和第二电流值中求出电流值的装置。
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