CN108519506B - 测量电流有效值装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种测量装置，用于测量交流电流的有效值，其特征在于包括：充放电电路、输入电路和充放电控制电路。输入电路的输出上的电压用于向所述充放电电路进行充电，根据所述充放电电路上的充电电压获得电流有效值；充放电控制电路用于控制所述输入电路和充放电电路；在一个测量周期中，充放电控制电路的控制使得：(i)输入电路对所述充放电电路(108)进行充电，(ii)充放电电路上的充电电压被保持，(iii)在所述充电电压被输出后，对所述充放电电路放电。

Description

测量电流有效值装置和系统

技术领域

本发明涉及一种测量电流有效值的装置和系统，特别是涉及一种测量电机在运行中电流有效值的装置和系统。

背景技术

在使用交流电机传动的应用中，电动机的电流有效值是一个重要的运行参数。例如，在人机界面上需要显示电网侧或电机侧的三相电流有效值；在变频器或伺服驱动器中，需要计算出三相电流有效值，并根据计算出的三相电流有效值来判断电机是否过载，已达到控制并保护电机的目的；判断电机运行时，电机三相电流是否平衡，也需要根据三相电流有效值来判断。

所以，需要一种改进的测量电机运行中三相电流有效值的装置和系统，该系统需要具有成本低、速度高、精度好的特点。

发明内容

鉴于以上问题，本申请涉及一种测量装置，用于测量交流电流的有效值，其特征在于包括：

充放电电路；

输入电路，所述输入电路的输出上的电压用于向所述充放电电路进行充电，根据所述充放电电路上的充电电压获得电流有效值；

充放电控制电路，所述充放电控制电路用于控制所述输入电路和充放电电路；

其中，在一个测量周期中，所述充放电控制电路的控制使得：

(i)输入电路对所述充放电电路进行充电，

(ii)所述充放电电路上的充电电压被保持，

(iii)在所述充电电压被输出后，对所述充放电电路放电。

如上所述的测量装置，其特征在于所述的测量装置还包括：

采集电路，所述采集电路与所述输入电路的输入相连；

所述充放电电路具有放电通路，

所述采集电路用于将交流电流转换成交流电压，

所述充放电控制电路使得所述输入电路的输出与充放电电路的输入可控地相连，并且使得充放电电路与放电通路可控地相连，

所述充放电控制电路使得所述充放电电路通过所述放电通路放电。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述测量装置在多个测量周期中运行，每个测量周期包括：(i)充电阶段，(ii)放电阶段，和(iii)保持阶段，所述保持阶段处于所述充电阶段和放电阶段之间，

在所述充电阶段内，所述充放电控制电路使得输入电路对所述充放电电路进行充电，

在所述放电阶段内，所述充放电控制电路使得所述放电电路进行放电，

在所述保持阶段，所述充放电控制电路使得所述放电电路保持其上的充电电压。

如上所述的测量装置，其特征在于：

在所述充电阶段内，输入电路对所述充放电电路输入多个具有不同峰值的交流电压，在所述充放电控制电路的控制下，所述充放电电路保持交流电压中的最大峰值。

如上所述的测量装置，其特征在于所述的测量装置还包括：

整流电路，所述整流电路用于将所述交流电压变成单极性的电压，所述整流电路的输入与所述输入电路的输出相连接，所述整流电路的输出向所述充放电电路提供所述单极性的充电电压。

如上所述的测量装置，其特征在于所述测量装置还包括：

处理装置，用于控制所述充放电控制电路并用于获取在充放电电路上电压值。

如上所述的测量装置，其特征在于

所述处理装置在所述保持周期获取在充放电电路上充电电压值。

如上所述的测量装置，其特征在于所述充放电控制电路包括：

充电控制电路，用于控制所述输入电路，使得所述采集电路的输出电压输出到所述输入电路或者阻止所述采集电路的输出电压输出到述输入电路。

如上所述的测量装置，其特征在于所述充放电控制电路还包括：

放电通路；

放电控制电路，用于将所述放电通路与所述放电控制电路连接或断开，在所述放电通路与所述放电控制电路断开时，使得所述充放电电路上的充电电压被保持，

在所述放电通路与所述放电控制电路连接时，所述充放电电路通过所述放电通路进行放电。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述处理装置来设置所述测量周期的充电阶段、放电阶段和保持阶段，

在所述充电阶段，所述处理装置控制所述充电控制电路，使得所述充电控制电路将所述采集电路的输出电压连接到所述输入电路，

在所述放电阶段，所述处理装置控制所述充电控制电路，使得所述充电控制电路阻止将所述采集电路的输出电压连接到所述输入电路，并且控制所述放电控制电路使得所述放电控制电路将所述放电通路与所述充放电电路连通，

在所述保持阶段内，所述处理装置控制所述充电控制电路，使得所述充电控制电路阻止将所述采集电路的输出电压连接到所述输入电路，并且控制所述放电控制电路，使得所述放电控制电路将所述放电通路与所述放电控制电路断开，以保持所述充放电电路上的充电电压。

如上所述的测量装置，其特征在于所述输入电路包括：

第一运算放大器；

所述第一运算放大器的输入与所述采集电路的输出相连接。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述整流电路包括二极管S1；

所述输入电路还包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的输出与所述二极管S1的正极相连，所述二极管S1的负极与所述充放电电路相连；

所述第一运算放大器的输出与所述第二运算放大器的输入可控制地相连接，所述第二运算放大器的输出与所述整流电路的输入相连接。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述充电控制电路包括控制元件Q1，所述控制元件Q1具有控制输入端和两个输出端，所述控制输入端与充电阶段控制信号B相连接，所述控制输出连接在所述第一运算放大器的输出和所述第二运算放大器的输入之间。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述控制元件Q1为三极管或场效应管Q1，所述三极管或场效应管的控制端与所述充电阶段控制信号B相连接，所述三极管或场效应管的两个输出端中的一个连接在所述第一运算放大器的输出和所述第二运算放大器的输入之间。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述放电控制电路包括开关元件Q2，所述开关元件Q2具有控制输入端和两个输出端，所述控制输入端与放电周期控制信号A相连接，所述两个输出中的一个与所述充放电电路相连接。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述开关元件Q2为三极管或场效应管，所述三极管或场效应管的控制端与所述放电周期控制信号A相连接，所述三极管或场效应管的两个输出端中的一个与所述充放电电路相连接。

如上所述的测量装置，其特征在于：

充放电电路包括电容和电阻。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述处理装置配置为读取充放电电路在保持阶段的充电电压，并将所述充放电电路在保持阶段的充电电压转换为所述充放电电路上的电流幅值，再将所述充放电电路上的电流幅值除以一个常数，以得到所述交流电流的有效值。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述常数为根号2。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述交流电流的有效值被配置用于控制电机的驱动电流。

如上所述的测量装置，其特征在于所述测量装置还包括：

输出电路，所述输出电路的输入与所述充放电电路相连，所述输出电路的输出与所述处理装置相连。

如上所述的测量装置，其特征在于括：

所述处理装置还包括A/D转换电路，所述A/D转换电路与所述充放电电路相连,用于将从充放电电路上获得的电压转换成数字信号。

如上所述的测量装置，其特征在于所述采样电路包括：

传感器，所述传感器感测所述交流电流的变化，并对应于感测到的交流电流的变化输出交流电压；

电阻，用于输出交流电压。

如上所述的测量装置，其特征在于：

所述测量装置用于测量电机运行中的一相交流电流的有效值。

根据本申请的第二方面，还提供一种测量电机运行中三相交流电流有效值的系统，其特征在于系统所述包括：

三个测量装置，分别用于测量电机运行中三相中每一相交流电流有效值；

所述三个测量装置中的每一个如上所述的结构；

所述测量到的三相交流电流有效值用于控制所述电机运行。

根据本申请的第三方面，还提供一种测量电机运行中三相交流电流有效值的系统，其特征在于系统所述包括：

两个测量装置，分别用于测量电机运行中两相中每一相交流电流有效值；

计算装置，用于接收所述两个测量装置所测量的两相交流电流有效值，并基于所述接收到的两相交流电流有效值来获得第三相交流电流有效值；

所述两个测量装置中的每一个如上所述的结构；

所述测量到的三相交流电流有效值用于控制所述电机运行。

如上所述的三相交流电流有效值的系统，其特征在于：

计算装置包括运算放大器。

与于现有技术相比，本申请中的测量电流有效值的装置和系统有以下的有益技术效果：

(a)因为电容上的充电电压值被用来获得电流有效值，所以电路简单，制造成本低。

(b)因为电容上的充电电压值被用来获得电流有效值，不需要对电流输入信号进行高速采样的数字化处理，算法简单，所以获得电流有效值的速度快。

(c)同时获得三相电压输出中的三相电流有效值，能够有效控制和调整三相电流的平衡。

(d)具有较宽的响应频率，能对较宽频率的基波电流(包括较低频率的基波电流)进行处理。

(e)通过实验和仿真得知，使用峰值充电电压值(特别是用最大峰值充电电压值)来获得电流有效值，精度高。

(f)由于在一个测量周期对峰值充电电压值读出一次，从而在一段时间内对三相电流调整一次，三相电流的输出平稳。

附图说明

本发明 将参照附图进一步地进行详细描述。

图1A是根据本申请一个实施例的电流有效值测量系统100的示意图；

图1B为图1A所示三个测量装置中一个测量装置101.1的更具体的结构的示意图；

图1C为图1A中的电机驱动器119与图1A-B中的采集电路102的示意图；

图2为图1B中测量装置101.1更具体结构的示意图；

图3为放电周期控制信号(A)和充电周期控制信号(B)的时序关系的示意图；

图4A是根据本申请另一个实施例的电流有效值测量系统400的示意图；

图4B为图4A中计算电路402更具体结构的示意图；

图5为图1A-C中处理器122示意性的结构方框图500。

具体实施方式

下面将参照附图描述本申请所披露的测量电机运行时电流有效值的装置和系统。

在下列描述中，描述了许多特定的细节以提供对本申请的各种实施例的全面理解。然而，本领域的人员可以理解的是，实施例也可在不具有这些特定细节的情况下予以实施。在可能的情况下，本申请中使用的相同或者相类似的附图标记指的是相同的部件。

图1A是根据本申请一个实施例的电流有效值测量系统100的示意图。如图1A所示，电流有效值测量系统100包括：电机驱动器119、电机120、三个结构相同或相似的测量装置101.1、101.2、101.3和处理器122。

通过连接114.1、114.2、114.3，电机驱动器119向电机120提供三相驱动电压输出(W，V，U)；通过连接115.1、115.2、115.3，三个测量装置101.1、 101.2、101.3分别与三相驱动电压输出(W，V，U)相连，用于测量三相驱动电压输出(W，V，U)向电机120输出的三相电流值；通过连接116.1、116.2、 116.3，由三个测量装置101.1、101.2、101.3所测量到的三相交流电压峰值被分别连接到处理器122上，所测量到的三相交流电压的峰值是模拟信号，例如是电压信号；处理器122中包括模数转换电路(ADC电路)114，用于将模拟信号形式的三相交流电压的峰值转成数字信号；通过连接116.1、116.2、 116.3，根据测量到的三相电压的峰值，处理器122获得或计算出的三相电流有效值，并将控制信号(包括以PWM形式)输送到电机驱动器119，用于控制并调节电机驱动器119向电机120输出的三相驱动电流输出。电机驱动器119 包括控制电路129，用于根据处理器122的信号控制和调节的输出电流。

图1B示出图1A所示三个测量装置中一个，例如测量装置101.1的更具体的结构。因为测量装置101.2、101.3与测量装置101.1的结构相似或相同，所以对测量装置101.1的描述也适用于测量装置101.2、101.3。

如图1B所示，测量装置101.1包括采集电路102、输入电路104、充放电电路108和充放电控制电路110。在测量装置101.1中，采集电路102的输入与电机驱动器119中U相输出相连接，其输出与输入电路104的输入相连，采集电路102用于将U相输出的电流转换成交流电压，并将交流电压输送到输入电路104。在充放电控制电路110的控制下，输入电路104的输出与充放电电路108的输入可控地相连，输入电路104的输出112上的电压用于向所述充放电电路108进行充电。充放电电路108的输入与输入电路104的输出相连，其输出与处理器122相连。充放电控制电路110的输入与处理器122 相连，其两个输出分别与输入电路104和充放电电路108相连；在充放电控制电路110的控制下，输入电路104将采集电路102上的电压输送到充放电电路108或阻止采集电路102上的电压被输送到充放电电路108上。所述测量装置101.1在多个测量周期中运行，每个测量周期包括：(i)充电周期， (ii)放电周期，和(iii)保持周期，保持周期处于充电周期和放电周期之间。在充电周期内，充放电控制电路110使得输入电路104对所述充放电电路108进行充电；在放电周期内，充放电控制电路110使得充放电电路108 进行放电；在保持周期，充放电控制电路110使得充放电电路108保持其上的充电电压。在一个实施例中，处理器122在保持周期中从充放电电路108 上获得或读取充放电电路108上的电压值，在充放电电路108上的电压值被读出后，在充放电控制电路110的控制下，充放电电路108被放电。

图1C示出图1A中的电机驱动器119与图1A-B中的采集电路102更具体结构示意图。如图1C所示，电机驱动器119将U,V,W三相输出电流送到电机 120上，三个传感器201.1,201.2,201.3感应该三相电流，图中传感器 201.1',201.2'和201.3'分别为传感器201.1、201.2、201.3的放大示意图。所以在本实施例中，与U相连接的采集电路102包括传感器201.1和电阻203。传感器201.1可以是霍尔传感器，霍尔传感器可以是闭环(电流)型或者开环(电压)型，当霍尔传感器为闭环(电流)型时，电阻203为功率电阻，用于将电流信号转换成电压信号；当霍尔传感器为开环(电压)型时，电阻 203为负载电阻，在一个实施例中负载电阻设置为10k，开环(电压)型霍尔传感器输出信号为电压，通过负载电阻分担一部分负载后，可直接供后端使用，从而通过传感器201.1和电阻203将U相输出的交流电流IU变换成信号大小合适的交流电压并输送到输入电路104。其中闭环(电流)型霍尔传感器精度高，价格贵，开环(电压)型霍尔传感器精度较高(精度高于互感器，低于闭环型霍尔传感器)，价格适中。

另外，传感器201.1还可以是电流互感器，当采用电流互感器进行电流信号采样时，通常采样频率范围小于200Hz，并且电流互感器对电流畸变、多次谐波、非正弦波等波形，电流互感器的测量结果误差较大；当采用霍尔传感器时，可使采样频率提高至几十KHz，从而能对较宽频率的基波电流(包括较低频率的基波电流)进行处理，并且霍尔传感器对电流畸变、多次谐波、非正弦波等波形，电流互感器的测量结果误差较小。

图2示出图1B中测量装置101.1更具体结构的示意图。如图2所示，测量装置101.1包括采集电路102、输入电路104、充放电电路108、充放电控制电路110、整流电路228和输出电路252。

采集电路102包括电阻R7(即图1C中的电阻203)，其输入端IN与传感器201.1(参见图1C)相连，其另一端与地相连。采集电路102的输入端IN 向输入电路104输送从传感器201.1所感测到的交流电压。

输入电路104包括第一运算放大器204和第二运算放大器206。第一运算放大器204的正输入端与电阻R7的输入端IN相连，接收从传感器201.1所感测到的交流电压；限流电阻R2串联地连接在第一运算放大器204的输出端和第二运算放大器206的正输入端之间，使得从采集电路102输送来的交流电压通过限流电阻R2有控制地传送到第二运算放大器206的正输入端；电容 C26的正端连接在第二运算放大器206的正输入端和限流电阻R2之间的连接通路上，电容C26的负端接地，电容C26的作用是对第一运算放大器204的输出的交流电压进行滤波，从而减小电压的失真；第二运算放大器206的输出端与整流电路228的输入相连，用于将第一运算放大器204的输出的交流电压输送到整流电路228；第一运算放大器204的负输入端与其输出端相连；第二运算放大器206的负输入端与整流电路228的输出相连。第一运算放大器204和第二运算放大器206被设置为跟随器，即分别将其正输入端接收到的信号传输到其输出端上，并加强接收到信号的驱动能力。

整流电路228包括二极管S1，二极管S1的正端与第二运算放大器206 的输出相连。整流电路228的输出(即二极管S1的负端)与充放电电路108 的输入相连；并且，通过限流电阻R4，整流电路228的输出(即二极管S1 的负端)还与输出电路252的输入相连。由于二极管S1单向导通的性质，整流电路228的作用是将全波电压转换成正半波单极性脉动电压；所以用于向充放电电路108的充电电压是单极性(正极性)的半波电压。

充放电控制电路110包括电容C3和放电限流电阻R3。电容C3的正端与整流电路228的输出(即二极管S1的负端)和放电限流电阻R3的第一端相连，放电限流电阻R3的第二端与充放电控制电路110相连。所以，在充电时 (充电周期)，整流电路228使用正半波单极性脉动电压向电容C3充电，而充放电控制电路110切断电容C3的放电通路，使得电容C3上的充电过程不会受到放电通路的影响。在保持电容C3的充电电压时(保持周期)，充放电控制电路110使得第一运算放大器204上的电压不被输送到第二运算放大器 206，从而整流电路228停止向电容C3充电，但是由于充放电控制电路110 切断电容C3的放电通路，使得充放电电容C3上的电压被保持；在放电时(放电周期)，充放电控制电路110使得第一运算放大器204上的电压不被输送到第二运算放大器206，从而整流电路228停止向电容C3充电，而且充放电控制电路110接通电容C3的放电通路，对电容C3进行放电，以准备下一周期的运行。

充放电控制电路110包括充电控制电路214和放电回路220，充电控制电路214包括充电控制元件场效应管Q1，而放电控制电路222包括放电控制元件场效应管Q2，充电控制元件场效应管Q1和放电控制元件场效应管Q2都具有栅极G，漏极D和源极S。

对于充电控制元件场效应管Q1，其栅极G接收处理器122产生的充电周期控制信号B，其源极S通过放电通路222与地相连接，其漏极D连接在第二运算放大器206的正输入端和限流电阻R2之间的连接通路上。所以，当充电控制元件场效应管Q1截止时，从第一运算放大器204输出端上的交流电压被输送到第二运算放大器206的输入端；而当充电控制元件场效应管Q1导通时，从第一运算放大器204输出端上的交流电压通过限流电阻R2和Q1接地，使得从第一运算放大器204输出端上的交流电压不能被输送到第二运算放大器 206的输入端。

对于放电控制元件场效应管Q2，其栅极G接收由处理器122产生的放电周期控制信号A，其源极S与地相连接，其漏极D连接在放电限流电阻R3的第二端。所以，当放电控制元件场效应管Q2截止时，电容C3与放电通路222 切断，电容C3上的电压被充电或保持；而当放电控制元件场效应管Q2导通时，电容C3与放电通路222接通，电容C3通过限流电阻R3和放电通路222 进行放电。

基于本申请披露的原则，实施例中的电控制元件场效应管Q1和放电控制元件场效应管Q2可以用晶体管T1和T2代替。晶体管T1和T2具有基极b、集电极c和发射极e，其连接方法分别与场效应管Q1和Q2的栅极G，漏极D 和源极S对应。

输出电路252包括第三运算放大器272和限流电阻R4。限流电阻R4的第一端与整流电路228的输出(即二极管S1的负端)相连，第三运算放大器 272的正输入端与限流电阻R4的第二端相连，第三运算放大器272的输出端与其负输入端相连，第三运算放大器272的输出端还与处理器122中的ADC 电路114相连。第三运算放大器272被设置为一个跟随器，用于将输入电路 104、充放电电路108和整流电路228与处理器122进行隔离并向处理器122 提供充放电电路108(电容C3)上的充电电压。

图3示出放电周期控制信号(A)和充电周期控制信号(B)的时序关系。在本申请中，测量装置101.1在测量周期时序中连续运行，测量周期时序中包括两个周期控制信号，即：放电周期控制信号(A)和充电周期控制信号(B)。所以，为叙述方便，周期时序可以用以下符号表示：(T11，T12，T13；T21，T22，T23；T31，T32，T33；……)。如图3所示，每个测量周期可分为三个阶段，即充电阶段、保持阶段和放电阶段。现用第一测量周期(T11，T12， T13)来叙述本申请电流有效值测量系统100的运行过程，以后的测量周期以同样的方式运行。

如图3所示，在第一个测量周期的第一阶段T11中，放电周期控制信号A 和充电周期控制信号B都为低电平，从充电控制元件场效应管Q1和放电控制元件场效应管Q2截止。所以从第一运算放大器204输出端上的交流电压被输送到第二运算放大器206的输入端，从而整流电路228上的正极性半波脉动电压对电容C3进行充电；此时因为放电通路222被切断，电容C3上的充电电压没有放电回路，所以对电容C3充电不会受到放电通路222的影响。

在第一个测量周期的第二阶段T12中，放电周期控制信号A为低电平，而充电周期控制信号B为高电平，从而充电控制元件场效应管Q1导通，放电控制元件场效应管Q2截止，所以从第一运算放大器204输出端上的交流电压不能被输送到第二运算放大器206的输入端，因为第一运算放大器204输出端上的交流电压被控制元件场效应管Q1导通对地旁路，导致第二运算放大器 206没有充电电压输出；但是，此时因为放电通路222被切断，所以电容C3 上的充电电压被保持。

在第一个测量周期的第三阶段T13中，放电周期控制信号A和充电周期控制信号B都为高电平，从而充电控制元件场效应管Q1和放电控制元件场效应管Q2同时导通。所以从第一运算放大器204输出端上的交流电压不能被输送到第二运算放大器206的输入端；同时因为放电通路222与电容C3连通，所以电容C3上的充电电压被放电，为下一个测量周期的运行准备。后续的测量周期重复第一个测量周期的运行。

在本申请的一个实施例中，周期第一阶段为40ms，周期第二阶段为120ms，周期第三阶段为40ms。通过ADC电路114，处理器122在周期第二阶段中的任意时间内获得或读取充放电电容C3上的充电电压值。在从测量装置101.1 的充放电电容C3获得电压值以后，处理器122将该电压值转化为电流幅值，再将电流幅值除以一个常数，在一个实施例中常数为根号2，以作为U相电流输出有效值。其中，电压值转化为电流幅值通过电压值除以对应电路中的电阻值得到电流幅值。

应该说明的是，在充电阶段可能会出现多个正极性半波电压，在本申请的实施例中，在充放电电容C3上的充电电压值为具有最大峰值的正极性半波电压的峰值。举例来说，如果在充电阶段出现5个正极性半波电压，如果相对于其他4个正极性的半波电压，第一个正极性的半波电压具有最大的峰值，当在充放电电容C3被冲到第一个正极性半波电压具有的最大峰值后，其他4 个正极性的半波电压都不会对充放电电容C3再充电，因为后继4个正极性半波电压的峰值都小于充放电电容C3的电压值；如果在充电阶段出现5个正极性的半波电压的峰值是阶梯升高的，那么对应于每一个正极性的半波电压，充放电电容C3上的电压值都会升高，直到达到第5个正极性半波电压的峰值为止，因为充放电电容C3的电压值小于后继的一个正极性半波电的压峰值；如果在充电阶段出现5个正极性的半波电压的峰值的大小是交错排列，那么充放电电容C3上的电压值有最大峰值的那个正极性半波电压的峰值。

测量装置101.2和101.3可以用同样或相似的结构或方法测量V相和W 相电流输出的有效值。在获得U相、V相和W相电流输出的有效值后，处理器 122将这三个电流输出的有效值转换成三个PWM信号(PWM-U，PWM-V，PWM-W) 并发送给电机驱动器119中的控制电路129，电机驱动器119中的控制电路 129根据三个PWM信号(PWM-U，PWM-V，PWM-W)来控制和调节电机驱动器119 中的三相电压U、V、W，从而控制和调节三相电压U、V、W输出的有效电流。

图4A是根据本申请另一个实施例的电流有效值测量系统400的示意图。与1A所示的电流有效值测量系统100相比，电流有效值测量系统400包括电流有效值测量系统100所有部件，但省略了测量装置101.3，并用计算电路 402来代替测量装置101.3。如图4A所示，计算电路402连接测量装置101.1 和测量装置101.2的输出，以接收测量到的电流有效值信号IU和IV，并根据三相电流代数和为零的原则，通过电流有效值IU和IV来计算电流有效值IW。图4B示出图4A中计算电路402更具体结构示意图。如图4B所示，计算电路 402包括运算放大器406。运算放大器406的正输入端通过电阻R2接地；其负端通过电阻R3和R4分别与测量装置102.1和测量装置101.2的输出相连，用于接收测量到的电流有效值IU和IV；运算放大器406输出通过电阻R5与其负端相连，并输出电流有效值IW。三相电流代数和为零，计算公式为 IW＝-IU-IV,如图4B中所示的其中一个实施例中，R3，R4，R5均为10K，则计算如下：IW＝-(R5/R3)*IV-(R5/R4)*IU＝-(10K/10K)IV-(10K/10K)IU＝-IV-IU.

图5示出图1A-C中处理器122示意性的结构方框图500。如图5所示，处理器122包括总线502、处理器504、存储装置505、输入装置506、输出装置508和工作存储器514；处理器504、存储装置505、输入装置506、输出装置508和工作存储器514与总线502连接，使得处理器504可以控制各个部件的运行和各个部件之间的通讯。处理器504可以对存储装置505和工作存储器514进行读取操作和存储操作，以使得处理器504能够从存储装置 505和工作存储器514读取数据或指令或向存储装置505和工作存储器514 存入数据和指令。通过执行存储装置505和工作存储器514的程序(或指令序列)，处理器504对存储装置505、输入装置506、输出装置508和工作存储器514进行操作，从而完成特定的控制功能。在运行中，处理器504将现行要执行的指令和处理的数据存在工作存储器514中，因为一般来说工作存储器514的存取速度比存储装置505更快，但是存储装置505比工作存储器 514有更大的存储容量。

在处理器504控制下，输入装置506从外部接收输入信号，如有需要输入装置506将输入信号转换成处理器504能够识别的数字信号。具体地说，输入装置506包括如图1A-1C所示的ADC电路，用于将接收从三个测量装置 101.1、101.2、101.3测量到的三个电压值，并将三个电压值转换成处理器 504能够识别的数字信号，从而处理器504能够根据三个电压值计算出有效电流IU、IV、IW。

在处理器504控制下，输出装置508向外部发出计算机控制信号，如有需要输出装置506将输出信号转换成被控制设备能使用的信号。具体地说，输出装置508能将如图3所示的放电周期控制信号(A)和充电周期控制信号 (B)输送到如图2所示的Q1和Q2的栅极。另外，输出装置508包括将输出的信号转换成PMW-U、PMW-V、PMW-V，并将PMW-U、PMW-V、PMW-V输送到电机驱动器119中的控制电路129。

现有技术中的测量电流有效值的装置和系统存在成本高、误码率高、反应速度慢、效率低、故障率高等不足之处。与于现有技术相比，本申请中的测量电流有效值的装置和系统有以下的有益技术效果：

(a)因为电容上的充电电压值被用来获得电流有效值，所以电路简单，制造成本低。

(b)因为电容上的充电电压值被用来获得电流有效值，不需要对电流输入信号进行高速采样的数字化处理，算法简单，所以获得电流有效值的速度快。

(c)同时获得三相电压输出中的三相电流有效值，能够有效控制和调整三相电流的平衡。

(d)具有较宽的响应频率，能对较宽频率的基波电流(包括较低频率的基波电流)进行处理。

(e)通过实验和仿真得知，使用峰值充电电压值(特别是用最大峰值充电电压值)来获得电流有效值，精度高。

(f)由于在一个测量周期对峰值充电电压值读出一次，从而在一段时间内对三相电流调整一次，三相电流的输出平稳。

尽管已参考附图中所示的具体实施例对本申请进行了描述，但是应当理解，在不背离本申请的原则、范围和背景下，本申请所提供的测量电流有效值的装置和系统可具有许多变化。本领域的普通技术人员将意识到，在申请所公开的实施例中的结构和参数可按不同的方式进行改变，且这些改变均落在本申请和权利要求的原则和范围内。

Claims (28)

1.一种测量装置(101.1)，用于测量交流电流的有效值，其特征在于包括：

充放电电路(108)；

输入电路(104)，所述输入电路(104)的输出(112)上的电压用于向所述充放电电路(108)进行充电，根据所述充放电电路(108)上的充电电压获得电流有效值；

充放电控制电路(110)，所述充放电控制电路(110)用于控制所述输入电路(104)和所述充放电电路(108)；

其中，在一个测量周期中，所述充放电控制电路(110)的控制使得：

(i)所述输入电路(104)在充电阶段对所述充放电电路(108)进行充电，

(ii)所述充放电电路(108)上的所述充电电压在保持阶段被保持，

(iii)在所述充电电压被输出后，在放电阶段对所述充放电电路(108)放电。

2.如权利要求1所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述测量装置(101.1)在多个测量周期中运行，每个测量周期包括：(i)充电阶段，(ii)放电阶段，和(iii)保持阶段，所述保持阶段处于所述充电阶段和所述放电阶段之间，

在所述充电阶段内，所述充放电控制电路(110)使得所述输入电路(104)对所述充放电电路(108)进行充电，

在所述放电阶段内，所述充放电控制电路(110)使得所述充放电电路(108)进行放电，

在所述保持阶段内，所述充放电控制电路(110)使得所述充放电电路(108)保持其上的充电电压。

3.如权利要求2所述的测量装置(101.1)，其特征在于所述的测量装置(101.1)还包括：

采集电路(102)，所述采集电路(102)与所述输入电路(104)的输入(111)相连；

所述充放电电路(108)具有放电通路，

所述采集电路(102)用于将交流电流转换成交流电压，

所述充放电控制电路(110)使得所述输入电路(104)的输出与所述充放电电路(108)的输入可控地相连，并且使得所述充放电电路(108)与所述放电通路可控地相连，

所述充放电控制电路(110)使得所述充放电电路(108)通过所述放电通路放电。

4.如权利要求1所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

在所述充电阶段内，所述输入电路(104)对所述充放电电路(108)输入多个具有不同峰值的交流电压，在所述充放电控制电路(110)的控制下，所述充放电电路(108)保持交流电压中的最大峰值。

5.如权利要求3所述的测量装置(101.1)，其特征在于所述的测量装置(101.1)还包括：

整流电路(228)，所述整流电路(228)用于将所述交流电压变成单极性的电压，所述整流电路(228)的输入与所述输入电路(104)的输出相连接，所述整流电路(228)的输出向所述充放电电路(108)提供所述单极性的电压。

6.如权利要求5所述的测量装置(101.1)，其特征在于所述测量装置(101.1)还包括：

处理装置(122)，所述处理装置(122)用于控制所述充放电控制电路(110)并用于获取在所述充放电电路(108)上的电压值。

7.如权利要求6所述的测量装置(101.1)，其特征在于，所述处理装置(122)在所述保持阶段获取在所述充放电电路(108)上的充电电压值。

8.如权利要求6所述的测量装置(101.1)，其特征在于，所述充放电控制电路(110)包括：

充电控制电路(214)，所述充电控制电路(214)用于控制所述输入电路(104)，使得所述采集电路(102)的输出电压输出到所述输入电路(104)或者阻止所述采集电路(102)的所述输出电压输出到所述输入电路(104)。

9.如权利要求8所述的测量装置(101.1)，其特征在于，所述充放电控制电路(110)还包括：

放电通路(222)；

放电控制电路(220)，所述放电控制电路(220)用于将所述放电通路(222)与所述放电控制电路(220)连接或断开，在所述放电通路(222)与所述放电控制电路(220)断开时，使得所述充放电电路(108)上的所述充电电压被保持，

在所述放电通路(222)与所述放电控制电路(220)连接时，所述充放电电路(108)通过所述放电通路(222)进行放电。

10.如权利要求9所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述处理装置(122)来设置所述测量周期的充电阶段、放电阶段和保持阶段，

在所述充电阶段，所述处理装置(122)控制所述充电控制电路(214)，使得所述充电控制电路(214)将所述采集电路(102)的输出电压连接到所述输入电路(104)，

在所述放电阶段，所述处理装置(122)控制所述充电控制电路(214)，使得所述充电控制电路(214)阻止将所述采集电路(102)的所述输出电压连接到所述输入电路(104)，并且控制所述放电控制电路(220)使得所述放电控制电路(220)将所述放电通路(222)与所述充放电电路(108)连通，

在所述保持阶段内，所述处理装置(122)控制所述充电控制电路(214)，使得所述充电控制电路(214)阻止将所述采集电路(102)的所述输出电压连接到所述输入电路(104)，并且控制所述放电控制电路(220)，使得所述放电控制电路(220)将所述放电通路(222)与所述放电控制电路(220)断开，以保持所述充放电电路(108)上的充电电压。

11.如权利要求8所述的测量装置(101.1)，其特征在于所述输入电路(104)包括：

第一运算放大器(204)；

所述第一运算放大器(204)的输入与所述采集电路(102)的输出相连接。

12.如权利要求11所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述整流电路(228)包括二极管(S1)；

所述输入电路(104)还包括第二运算放大器(206)，所述第二运算放大器(206)的输出与所述二极管(S1)的正极相连，所述二极管(S1)的负极与所述充放电电路(108)相连；

所述第一运算放大器(204)的输出与所述第二运算放大器(206)的输入可控制地相连接，所述第二运算放大器(206)的输出与所述整流电路(228)的输入相连接。

13.如权利要求12所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述充电控制电路(214)包括控制元件(Q1)，所述控制元件(Q1)具有控制输入端和两个输出端，所述控制输入端与充电阶段控制信号(B)相连接，所述两个输出端中的一个连接在所述第一运算放大器(204)的输出和所述第二运算放大器(206)的输入之间。

14.如权利要求13所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述控制元件(Q1)为三极管或场效应管，所述三极管或场效应管的控制端与所述充电阶段控制信号(B)相连接，所述三极管或场效应管的两个输出端中的一个连接在所述第一运算放大器(204)的输出和所述第二运算放大器(206)的输入之间。

15.如权利要求14所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述放电控制电路(220)包括开关元件(Q2)，所述开关元件(Q2)具有控制输入端和两个输出端，所述控制输入端与放电周期控制信号(A)相连接，所述两个输出端中的一个与所述充放电电路(108)相连接。

16.如权利要求15所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述开关元件(Q2)为三极管或场效应管，所述三极管或场效应管的控制端与所述放电周期控制信号(A)相连接，所述三极管或场效应管的两个输出端中的一个与所述充放电电路(108)相连接。

17.如权利要求1所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述充放电电路(108)包括电容和电阻。

18.如权利要求6所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述处理装置(122)配置为读取充放电电路(108)在保持阶段的充电电压，并将所述充放电电路(108)在保持阶段的充电电压转换为所述充放电电路(108)上的电流幅值，再将所述充放电电路(108)上的电流幅值除以一个常数，以得到所述交流电流的有效值。

19.如权利要求18所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述常数为根号2。

20.如权利要求5所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述交流电流的有效值被配置用于控制电机的驱动电流。

21.如权利要求6所述的测量装置(101.1)，其特征在于所述测量装置(101.1)还包括：

输出电路(252)，所述输出电路(252)的输入与所述充放电电路(108)相连，所述输出电路(252)的输出与所述处理装置(122)相连。

22.如权利要求6所述的测量装置(101.1)，其特征在于括：

所述处理装置(122)还包括A/D转换电路，所述A/D转换电路与所述充放电电路(108)相连,用于将从所述充放电电路(108)上获得的电压转换成数字信号。

23.如权利要求3所述的测量装置(101.1)，其特征在于所述采集电路(102)包括：

传感器(201.1)，所述传感器(201.1)感测所述交流电流的变化，并对应于感测到的所述交流电流的所述变化输出所述交流电压；

电阻(203)，所述电阻(203)用于输出所述交流电压。

24.如权利要求1-23之一所述的测量装置(101.1)，其特征在于：

所述测量装置(101.1)用于测量电机运行中的一相交流电流的有效值。

25.一种测量电机运行中三相交流电流有效值的系统(100)，其特征在于所述系统(100)包括：

三个测量装置(101.1,101.2,101.3)，分别用于测量电机运行中三相中每一相交流电流有效值；

所述三个测量装置(101.1,101.2,101.3)中的每一个如权利要求1-22中之一所述结构；

所述测量到的三相交流电流有效值用于控制所述电机运行。

26.一种测量电机运行中三相交流电流有效值的系统(400)，其特征在于所述系统(400)包括：

两个测量装置(101.1,101.2)，分别用于测量电机运行中两相中每一相交流电流有效值；

计算装置(402)，用于接收所述两个测量装置(101.1,101.2)所测量的两相交流电流有效值，并基于所述接收到的两相交流电流有效值来获得第三相交流电流有效值；

所述两个测量装置(101.1,101.2)中的每一个如权利要求1-22中之一所述结构；

所述测量到的三相交流电流有效值用于控制所述电机运行。

27.如权利要求26所述的三相交流电流有效值的系统(400)，其特征在于：

所述计算装置(402)包括运算放大器(406)。

28.一种测量装置(101.1)，用于测量交流电流的有效值，其特征在于包括：

充放电电路(108)；

输入电路(104)，所述输入电路(104)的输出(112)上的电压用于向所述充放电电路(108)进行充电，根据所述充放电电路(108)上的充电电压获得电流有效值；

充放电控制电路(110)，所述充放电控制电路(110)用于控制所述输入电路(104)和所述充放电电路(108)；

其中，在一个测量周期中，所述充放电控制电路(110)的控制使得：

(i)所述输入电路(104)在充电阶段对所述充放电电路(108)进行充电，

(ii)所述充放电电路(108)上的所述充电电压在保持阶段被保持，以获取在所述充放电电路108上的充电电压，

(iii)在所述充电电压被输出后，在放电阶段对所述充放电电路(108)放电。

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