CN110073235A - 用于动态补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于动态补偿包括电流传感器(1)的采集系统的偏移误差的方法，所述电流传感器(1)配置成测量或估计流过由交流电压供电的电气设备的致动器(6)的电流，采集系统具有预定的偏移值，所述方法包括以下步骤：－确定所述致动器(6)的多个周期性工作时间范围(PT)以动态实施采集系统的偏移误差的补偿序列(SC)；－在多个确定的工作时间范围(PT)中的任何一个期间执行所述补偿序列(SC)；所述致动器(6)的确定的工作时间范围(PT)中的任何一个与所述补偿序列(SC)的执行之间的同步是从同步装置实施的，所述同步装置包括同步模块(7)，其配置成从电网交流供电电压(AC)识别参考时刻(Réf)。

Description

用于动态补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差的方法

技术领域

本发明涉及电子工业计量学的一般技术领域。

更具体地，本发明涉及一种用于动态补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差的方法，所述电流传感器配置成测量或估计流过由交流电压供电的电气设备的致动器的电流，所述采集系统具有预定的偏移值。

背景技术

这种电气设备例如是家电设备系列的一部分。

在家电设备中需要测量流过不同电动或机电致动器的电流，以便推断出设备工作所需的特征量的值。

因此，在某些设备上，电流测量由专用采集系统执行，该专用采集系统与处理装置相关联，允许例如确定电动机转矩、瞬时功率、消耗功率、超过阈值的检测或者实现电流调节。

这些确定的精度直接取决于电流测量的精度。

不过，这种精度还直接取决于采集系统且因此设备的成本。极其精确的采集系统比精度较低的解决方案昂贵得多。

测量采集系统上存在多种类型的误差，导致测量的不精确，其主要类型是偏移误差、增益误差和/或由噪声引起的误差。

发明内容

本发明特别尤其涉及一种用于补偿包括电流传感器的测量采集系统上存在的偏移误差的方法。

每个采集系统都有理论偏移，通常称为采集系统的偏移。

采集系统的这种偏移本质上与采集系统中使用的不同部件相关联，并且可以根据这些部件的理论特征来计算。

偏移误差的存在引起传感器的电流测量随时间的漂移。

采集系统的这种随时间的测量漂移主要与采集系统集成在设备中的环境温度的演变有关。

此外，在从一秒到十来秒的相对长的采集时间内，采集系统的测量漂移的演变尤其显著。

已知实施用于补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差的多个方法。

文献US5945853A和US6674322B2描述了一种需要专用电路的有源补偿方法。

然而，该方法昂贵且麻烦，因为它需要在现有的采集系统中增设辅助电路。

文献US8618789B2描述了一种对交流电流求平均的测量方法。

然而，该方法仅限于在零平均值处假设的交流电流。

文献US8981701B2和US20150214881A1各自描述了一种通过恰好在设备功能启动之前测量偏移来进行无源和静态补偿的方法。

然而，该方法限于仅在启动时的静态测量，并且不允许在设备工作过程中动态补偿采集系统的偏移误差。

文献US20140253004A1描述了一种方法，该方法允许通过使用现有电路和特定发动机控制序列动态补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差。

然而，该方法仅限于无刷直流电动机或永磁同步电动机。

另外，该方法包括应周期性执行的补偿序列。

而且，本发明的目的是解决上述所有或部分缺点。

特别地，本发明的目的是因此提出一种用于动态补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差的方法，该方法可以在最大数量的设备中实施，以便保持电流测量的精度提高并限制随时间的测量漂移。

另一个目的是可以周期性地或非周期性地无差别地引发补偿序列。

为此，本发明涉及一种用于动态补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差的方法，所述电流传感器配置成测量或估计流过由交流电压供电的电气设备的致动器的电流，所述采集系统具有预定的偏移值，所述方法包括以下步骤：

－确定所述致动器的多个周期性工作时间范围以动态实施所述采集系统的偏移误差的补偿序列；

－在所述多个确定的工作时间范围中的任何一个期间执行所述补偿序列；

所述致动器的所述确定的工作时间范围中的任何一个与所述补偿序列的执行之间的同步是从同步装置实施的，所述同步装置包括同步模块，所述同步模块配置成从电网的交流供电电压识别参考时刻，所述补偿序列包括以下步骤：

(i)停止所述致动器的供电以中断所述电流传感器中的电流通过；

(ii)等待预定的持续时间，在所述预定的持续时间结束时认为或估计为电流不再流过所述电流传感器；

(iii)测量所述采集系统的实际偏移值；

(iv)将该实际偏移值视为所述采集系统的新偏移值；

(v)为所述致动器供电，以确保所述电流传感器中的电流通过；

(vi)使用所述采集系统的所述新偏移值来控制所述致动器。

该设置允许以简单且廉价的方式补偿包括电流传感器的采集系统的偏移误差。

预定的持续时间固有地与致动器的类型和采集系统的部件相关，在该预定的持续时间结束时认为电流不再流过电流传感器。

本发明不是仅限于无刷直流电动机或永磁同步电动机，而是可以针对需要电流测量的其他电子、机械或机电致动器而变化。

本发明能够校正包括电流传感器的采集系统的偏移误差，该电流传感器测量直流电流或交流电流或包括交流分量(调制)的直流电流。

工作时间范围是周期性的，但是可以在任何这些工作时间范围中任一个的过程中周期性地或非周期性地实施补偿序列。

本发明需要辅助测量，该辅助测量允许使补偿序列的执行与确定的工作时间范围同步。

另外，该方法可转换到集成包括电流传感器的采集系统和时间常数远大于几毫秒的致动器的任何电子卡。

根据所述方法的一个实施方案，预定的持续时间固有地与致动器的类型和采集系统的部件相关，在该预定的持续时间结束时认为电流不再流过电流传感器。

因此，该持续时间根据采集系统和致动器而更长或更短。

根据所述方法的一个实施方案，时间范围确定成使补偿序列的执行不会将致动器的确定的工作特性的值修改为超过确定的阈值。

这种工作特性可以例如包括与启动感应发电机相关的噪声、由感应发电机加热的器具的温度、或者电动机的速度或转矩。

因此，本发明能够在启动时静态地实现采集系统的偏移误差的补偿，但也能够动态地，即在设备的工作过程中实现该补偿，并且这无需使用者觉察设备工作的任何变更，尤其是与启动感应发电机相关的噪声的变化，由感应发电机加热的器具的温度变化，或者发动机速度或转矩的变化。

根据所述方法的一个实施方案，致动器是感应发电机、通用电动机或由合适的电子装置控制的异步电动机，所述异步电动机与电子电路相关联，所述电子电路配置成阻止电动机在时间范围期间在发电机模式下工作。

根据所述方法的一个实施方案，确定的工作时间范中的任何一个包括通过电网的交流供电电压的零值的时刻，并且必要时感应发电机的确定的工作特性包括：在从感应发电机向待加热器具传输能量时由感应发电机发出的噪声的声级，或者待加热器具的温度变化，并且必要时致动器的确定的工作特性包括电动机的转速或转矩。

根据所述方法的一个实施方案，致动器是直流电动机或永磁同步电动机，这些电动机中的每一个与电子电路相关联，所述电子电路配置成阻止电动机在时间范围期间在发电机模式下工作。

根据所述方法的一个实施方案，确定的工作时间范围中的任何一个包括通过电网的交流供电电压的最大值和/或最小值的时刻，并且电动机的确定的工作特性包括电动机的转速或转矩。

本发明还涉及一种用于由交流电压供电的电气设备，其包括：

－致动器；

－包括电流传感器的采集系统，所述电流传感器用于测量或估计流过所述致动器的电流；以及

在所述致动器是包括发电机工作模式的电动机的情况下，则所述电气设备包括电子电路，所述电子电路连接到所述电动机并且配置成阻止所述电动机在时间范围期间在其发电机模式下工作；

－同步装置，用于确定所述致动器的多个周期性工作时间范围，以在所述多个确定的工作时间范围中的任何一个期间动态执行所述采集系统的偏移误差的补偿序列，所述同步装置包括同步模块，所述同步模块配置成从电网的交流供电电压识别参考时刻；

－处理装置，配置成实施上述的方法。

本发明更有利地用于包括集成了电流传感器的功率元件的设备，例如：

－包括电动机的设备，无论电动机类型如何；

－包括加热元件例如丝网印刷或钎焊的任何类型的电阻器的设备；

－包括感应发电机的设备。

同步模块已经存在于大多数电子设备中，这些电子设备能够由电网提供交流电压并且需要时钟信号。

根据本发明的一个方面，致动器是感应发电机、由合适的电子装置控制的异步电动机、永磁同步电动机或通用电动机。

附图说明

本发明的其他优点和特征将通过阅读本发明的详细描述而更清楚地显现，该详细描述通过参照附图以图示和非限制的方式进行，这些附图示出了根据本发明的偏移误差补偿方法的全部或一部分。

图1示出了感应发电机的电路的第一传统结构。

图2示出了感应发电机的电路的第二传统结构。

图3示出了确定工作时间范围的方式，在该工作时间范围期间合适的是执行感应发电机或通用电动机或由合适的电子装置控制的异步电动机中的采集系统的偏移误差的动态补偿方法的补偿序列。

图4示出了用于实施感应发电机中的采集系统的偏移误差的动态补偿方法的电信号的时间演变。

图5示出了确定工作时间范围的方式，在该工作时间范围期间合适的是执行永磁同步电动机或直流电动机中的采集系统的偏移误差的动态补偿方法的补偿序列。

图6示出了用于实施永磁同步电动机中的采集系统的偏移误差的动态补偿方法的电信号的时间演变。

图7示出了用于集成了斩波器的通用电动机的电路的传统结构。

图8示出了用于实施通用电动机中的采集系统的偏移误差的动态补偿方法的电信号的时间演变。

图9是示出根据本发明的方法的补偿序列的步骤的流程图。

具体实施方式

仅示出为理解本发明所必需的元件。为了便于阅读附图，相同的元件在不同的图中具有相同的附图标记。

在图1和图2中提出的示例中，致动器6是感应发电机6a。

在该两个图1和图2中示出的感应发电机6a的电路2的传统结构集成了电流测量，该电流测量允许控制电流幅度和传递到待加热材料的功率。

该电流测量在感应发电机6a的工作中是关键和基本的。测量中的小误差意味着感应发电机6a中的电流以及因此传递到待加热材料的功率的显著误差。

为了测量或估计流过感应发电机6a的电流，电流传感器1可以定位在图1和图2中的叉号所示的电路2的不同位置处。

在图4和图6中提出的模拟中，在包围叉号的位置实施电流测量。

在提出的示例中，电路2还包括电压整流器3、电容器4和功率开关5。

该电路2由电网提供的交流电压供电，并且其信号形式在图3和图5的上部示出。

另外，该电路2在电压整流器3的上游连接到包括同步模块7的同步装置。

该同步模块7允许从电网C的交流供电电压AC限定参考时刻Réf。

当然，同步模块7可以不同地连接到电压整流器3，尤其是在其下游。

在该情况下，参考时刻Réf被限定为信号改变斜率的时刻，即被限定为最大和/或通过总线的整流电压的零值。

根据本发明的方法包括这样的步骤：确定致动器的多个周期性工作时间范围PT，以动态实施采集系统的偏移误差的补偿序列SC。

这些时间范围PT是周期性且是确定的，使得补偿序列SC的执行不会将致动器的确定的工作特性的值修改为超过确定的阈值。

另外，这些时间范围PT相对于由同步模块7限定的参考时刻Réf同步。

然而，补偿序列SC可以在多个确定的工作时间范围PT中的任何一个期间执行。

例如，感应发电机6a的工作原理是，当最大交流供电电压存在于电压整流器3的输入端上时，则可用于加热容器的功率以及因此由电流传感器1测量的电流是最大的。

相反，当交流供电电压为零时，则电流不再流过电流传感器1，并且提供给感应发电机6a的功率理论上为零。

因此，当交流供电电压几乎为零时，则可以认为传输功率与当交流供电电压最大时传输的功率相比可忽略不计。

因此，当交流供电电压小于确定的阈值，例如介于最大或最小交流供电电压的幅度的大致15％之间时，必须执行用于感应发电机6a的补偿序列SC。

这样，补偿序列SC不会将感应发电机的确定的工作参数的值修改为超过确定的阈值。

例如，对于230V/50Hz的标称交流供电电压，应该当供电电压AC介于-50V和+50V之间时执行补偿序列SC，这对应于几毫秒的工作时间范围PT。

如图3所示，这些工作时间范围PT例如是2ms并且以通过电网交流供电电压的零值为中心。

在感应发电机6a的情况下，工作特性可以是在从感应发电机6a向待加热器具的能量传输时或者在待加热器具的温度变化时由感应发电机引起的噪声。

该器具可以例如设置在感应板上或者在烹饪制备设备中。

因此，在确定的工作时间范围期间执行补偿序列SC的过程中，由感应发电机引起的噪声的声级小于确定的噪声阈值，或者温度变化小于确定的阈值，这对于感应发电机的使用者来说具有的优点是不用觉察感应发电机的工作中的变化。

补偿序列SC包括图9所示的多个步骤。

第一步骤(i)是停止感应发电机6a的供电，以中断电流传感器1中的电流通过。

如图4所示，在该步骤时，电流将开始通过电流传感器1消失。

在该图4中，信号VBus对应于放置在图1所示的电路2的结构上的电压整流器3的输出端处的电容器CBus的端子电压。

该信号VBus对应于由电压整流器3整流的交流供电电压。

因此，该信号VBus仅包括正分量。

信号Vstart自身对应于这样的控制信号，该控制信号允许停止和恢复供电，并因此禁止并准许感应发电机6a中的电流通过，并因此禁止并准许采集系统的传感器1中的电流通过。

因此，该信号Vstart限定了时间范围PT，在该时间范围PT期间执行补偿序列SC。

如图4所示，该控制信号Vstart与由同步模块7发送的信号Sync同步。

在图4中，该时间范围为1ms并且位于9.5ms和10.5ms之间。

信号Is对应于由电压整流器3的输出端处的电流传感器1测量的电流值。

在第二步骤(ii)期间，等待预定的持续时间，在该预定的持续时间结束时认为或估计为电流不再流过电流传感器1。

该持续时间通常对应于电路2的时间常数。

对于感应发电机6a，该持续时间非常短。

在图4中可以看出，当控制信号Vstart停止供电时，电流Is在电流传感器1中几乎瞬间消失。

在第三步骤(iii)期间，测量采集系统的实际偏移值。

该测量允许突出显示先前考虑的偏移与采集系统的实际偏移之间的偏差。

实际上，由于在确定的持续时间之后认为电流不再流过电流传感器1，则此时由电流传感器1测量的值理论上应对应于采集系统的实际偏移。

因此，应该在第四步骤(iv)期间通过将该实际偏移视为采集系统的新偏移值来校准电流传感器1。

一旦校正了采集系统的偏移，则在第五步骤(v)期间，控制信号Vstart恢复感应发电机6a的供电，以确保电流传感器中的电流通过。

在随后的步骤(vi)时，采集系统的新偏移值用于控制致动器。

在该补偿序列SC期间，用户不会察觉到其感应发电机的工作的任何变化。

以上参照感应发电机描述的方法的实施方案可以针对通用电动机或由合适的电子装置例如逆变器控制的异步电动机类似地实施。

考虑到用于异步电动机的实施方案，本领域技术人员知道，在该情况下，电动机应与电子电路相关联，该电子电路配置成阻止电动机在执行补偿序列的时间范围期间在发电机象限中工作。

有利地，当致动器是永磁同步电动机，特别是无刷同步电动机或直流电动机时，也可以执行包括相同步骤的补偿序列SC。

与通用电动机完全一样，永磁同步电动机或直流电动机有两个工作模式。

以发电机形式的第一工作模式，其中电动机释出能量，以及以电动机形式的第二工作模式，其中能量由电子装置提供给电动机。

在集成了永磁同步电动机或直流电动机的大多数电气设备中，以发电机形式的第一工作模式不受电子电路的结构控制，该电子电路的结构特别集成了续流二极管。

因此，当向电动机供电的交流电压的值小于电动机的电动势时，这种电动机根据其以发电机形式的第一工作模式工作，并且当该相同值大于电动机的电动势时，根据其以电动机形式的第二工作模式工作。

在以发电机形式的第一工作模式中，电动机通过续流二极管为电子装置供电。

因此，当电动机的供电切断时，不能确保电流在电流传感器1中变为零。

因此，在以发电机形式的第一工作模式期间不必执行补偿序列SC。在以电动机形式的第二工作模式期间，能量从电网电源传递到电动机。

在该第二工作模式中，电网交流供电电压大于电动机的电动势。

因此，当在电动机处于其以电动机形式的第二工作模式下的时刻停止电动机的供电时，则电动机不会根据其以发电机形式的第一工作模式工作，因为电子结构不允许。

电动机的机械能则以机械损失的形式消散，并且电流在电动机中和在电流传感器1中变为零。

在该期间中，能够实现采集系统的偏移误差的补偿序列SC。

如果电动机与电子电路相关联，则还能够在其他确定的时间范围PT上执行补偿序列SC，该电子电路配置成阻止电动机在这些其他时间范围期间在发电机象限中工作。

如图5所示，在所示的示例中，永磁同步电动机的工作时间范围PT在电网的交流供电电压达到其最大值的时刻之前不久确定。

因此，这些时间范围PT由于同步模块7而与这些参考时刻Ref同步，由同步模块7传送的信号与时间范围的开始之间的时间间隔是恒定的。

在所示的示例中，工作时间范围PT是1ms。

在电动机的情况下，确定的工作特性可以是转子的转速或转矩。

因此，在确定的工作时间范围PT期间执行补偿序列SC的过程中，电动机由于其机械惯性导致的转速和转矩大于确定的速度或转矩阈值，这对电动机的使用者来说具有的优点是不会觉察到电动机工作中的变化，特别是由于不存在工作间歇。

补偿序列SC包括与以上参照感应发电机6a描述的相同的步骤(i)至(vi)。

在图6中，信号VBus对应于位于整流器3的输出端处的电容器4的端子电压。

信号Vstart自身对应于允许停止和恢复电动机的供电的控制信号。

然而，与感应发电机6a不同，该信号仅在停止时刻的信号VBus大于电动机的电动势的情况下才禁止电流传感器1中的电流通过。

与感应发生器6a完全一样，信号Vstart限定执行补偿序列SC的时间范围PT。

如图6所示，该控制信号Vstart与由同步模块7发送的信号Sync同步。

在图6中，该时间范围为1ms并且位于4ms和5ms之间。

信号Is对应于由电流传感器1测量的电流值。

在图6中，还可以看出，当控制信号Vstart停止电动机的供电时，电流Is在电流传感器1中变为零的时间比在感应发电机6a的情况下要长一些。

然而，该时间比可以执行补偿序列SC的时间范围的持续时间短得多。

在图7中提出的示例中，致动器6是通用电动机6b。

该电路2包括与上面针对感应发电机6a描述的相同的元件。

为了测量或估计流过通用电动机6b的电流，电流传感器1可以定位在由叉号表示的电路2的不同位置处。

在图8中提出的模拟中，在包围叉号的位置实施电流测量。

对于通用电动机6b，可以在任何时刻执行补偿序列SC。

然而，与感应发电机完全一样，补偿序列优选地在以通过电网交流供电电压的零值的时刻为中心的工作时间范围PT中执行。

实际上，与永磁同步电动机不同，这种类型的电动机不能在发电机模式下工作，因为电动势和电流总是具有相同的符号。

与感应发电机或永磁同步电动机一样，时间范围PT的持续时间取决于电动机的特性(电感，电阻…)和采集系统的特性(测量位置，调节电路类型...)并且是几毫秒。

尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是显然本发明绝不限于此。

在不脱离本发明的保护范围的情况下，特别是从各种元件的配置和构造的观点或通过替换技术等同物，能够进行修改。

Claims (8)

1.一种用于动态补偿包括电流传感器(1)的采集系统的偏移误差的方法，所述电流传感器(1)配置成测量或估计流过由交流电压供电的电气设备的致动器(6)的电流，所述采集系统具有预定的偏移值，所述方法包括以下步骤：

－确定所述致动器(6)的多个周期性工作时间范围(PT)以动态实施所述采集系统的偏移误差的补偿序列(SC)；

－在所述多个确定的工作时间范围(PT)中的任何一个期间执行所述补偿序列(SC)；

所述致动器(6)的所述确定的工作时间范围(PT)中的任何一个与所述补偿序列(SC)的执行之间的同步是从同步装置实施的，所述同步装置包括同步模块(7)，所述同步模块(7)配置成从电网交流供电电压(AC)识别参考时刻(Réf)，所述补偿序列(SC)包括以下步骤：

(i)停止所述致动器的供电以中断所述电流传感器(1)中的电流通过；

(ii)等待预定的持续时间，在所述预定的持续时间结束时认为或估计为电流不再流过所述电流传感器(1)；

(iii)测量所述采集系统的实际偏移值；

(iv)将该实际偏移值视为所述采集系统的新偏移值；

(v)为所述致动器(6)供电，以确保所述电流传感器(1)中的电流通过；

(vi)使用所述采集系统的所述新偏移值来控制所述致动器(6)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间范围(PT)确定成使所述补偿序列(SC)的执行不会将所述致动器(6)的确定的工作特性的值修改为超过确定的阈值。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述致动器(6)是感应发电机、通用电动机或由合适的电子装置控制的异步电动机，所述异步电动机与电子电路相关联，所述电子电路配置成阻止电动机在时间范围(PT)期间在发电机模式下工作。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述确定的工作时间范围(PT)中的任何一个包括通过电网交流供电电压(AC)的零值的时刻，并且必要时所述感应发电机的所述确定的工作特性包括：在从所述感应发电机向待加热器具传输能量时由所述感应发电机发出的噪声的声级，或者所述待加热器具的温度变化，并且必要时所述致动器的所述确定的工作特性包括所述电动机的转速或转矩。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述致动器(6)是直流电动机或永磁同步电动机，这些电动机中的每一个与电子电路相关联，所述电子电路配置成阻止所述电动机在所述时间范围期间在发电机模式下工作。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述确定的工作时间范围(PT)中的任何一个包括通过电网交流供电电压(AC)的最大值和/或最小值的时刻，并且所述电动机的所述确定的工作特性包括所述电动机的转速或转矩。

7.一种用于由交流电压供电的电气设备，其包括：

－致动器(6)；

－包括电流传感器(1)的采集系统，所述电流传感器(1)用于测量或估计流过所述致动器(6)的电流；以及

在所述致动器(6)是包括发电机工作模式的电动机的情况下，则所述电气设备包括电子电路，所述电子电路连接到所述电动机并且配置成阻止所述电动机在时间范围期间在其发电机模式下工作；

－同步装置，用于确定所述致动器(6)的多个周期性工作时间范围(PT)，以在所述多个确定的工作时间范围(PT)中的任何一个期间动态执行所述采集系统的偏移误差的补偿序列(SC)，所述同步装置包括同步模块(7)，所述同步模块(7)配置成从电网交流供电电压(AC)识别参考时刻(Réf)；

－处理装置，配置成实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的电气设备，其中，所述致动器是感应发电机(6a)、由合适的电子装置控制的异步电动机、永磁同步电动机或通用电动机(6b)。