CN102209900A - 用于测量被监视的信号的有效电流的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))的电路(22)，其特征在于，该电路包括用于使得连续的参考信号(i_DC(t))依赖于被监视的信号(i(t))的装置，以使得该连续的参考信号(i_DC(t))的有效电流(i_DCeff(t))等于被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))。

Description

用于测量被监视的信号的有效电流的电路

技术领域

本发明涉及用于测量被监视的信号的有效电流的电路，具体地在监视可变电感电机(诸如用于机动车辆中的所谓的电磁阀(“无凸轮”***)的致动器)的电流的领域。

更一般地，本发明涉及任何设备，其需要真正有效量(具体地，有效电流)的一个或多个同时测量以用于监测、诊断或闭环(close)保护其内没有可用的数值资源或计算能力(power)或者不足以处理该测量并且不希望在其中引入昂贵的模拟组件(诸如模拟乘法器或其他不平常的专用集成电路)。

本发明特别地在可靠地诊断过载方面有益，具体地在优化其中期望利用最大能力同时不超过工作极限的电磁阀***方面有益。

背景技术

实际上，必须监视为负载提供强电流的设备以便具体地保证人和硬件的安全，优化负载的消耗，检测这些负载的可能的异常(过载)和/或将保护阈值适配为外部和/或可变参数(诸如温度、启动模式或设备项的特定配置)的函数。

在线性负载的情况下，不管电流是AC还是DC，测量峰值电流、平均电流或平均整流电流足以获得有效电流的间接测量。

事实上，在一方面测量的量与***的消耗或传导该电流的组件的变热之间存在直接联系。因而不必要执行有效电流的测量。

但是，当负载是非线性的并且电流的形状因子很小且随时间变化时，峰值电流、平均电流或平均整流电流的测量不再指示有效电流。

考虑例如图1所示的脉动电流，平均值测量I_mean与有效测量i_effective之间的比率是占空比的平方根，占空比被定义为信号的持续时间t1与它的周期T的比率。

根据特定于汽车领域的示例，

$I_{\mathrm{effective}}=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}=I*\sqrt{\frac{t_1}{T}}$

$\mathrm{Imean}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}i\left(t\right)\mathrm{dt}=I*\frac{t_1}{T}$

$\frac{I_{\mathrm{mean}}}{I_{\mathrm{effective}}}=\sqrt{\frac{t_1}{T}}=0.3(\mathrm{with}{t}_1=7.2\mathrm{msandT}=80\mathrm{ms})$

该情况发生在电磁阀控制中，其中阀的致动器消耗其频率被适配于发动机速度的脉动电流。因而，脉冲的宽度与它们的周期相比变化很小，以致这样的信号的平均值恒定而它的有效电流却不恒定。

在此典型情况下，峰值和平均值均不表示致动器、供电电缆或传导该电流的任何其他组件的变热。

现有技术提供的已有解决方案主要分五种类型：

-通过组合峰值和平均值来近似估计有效电流的值：

这样的方案例如在专利申请WO9505023“METHOD AND APPARATUS FOR RMS CURRENT APPROXIMATION”中描述。

此方案受限于信号的谐波失真率。此外，此方案对外部干扰和各种类型的控制非常敏感，因而降低了它的可再现性。

具体地，此方案不能通过诸如由专利US5027060“MEASURING DEVICE OF THE RMS VALUE OF A SIGNAL，NOTABLY FOR CURRENT MEASUREMENT IN A SOLID-STATE TRIP DEVICE”提出的校正因子来改进。

-通过数值计算推导有效电流的值：

通过基于模拟-数字采集的数值计算可以获得有效电流的测量，模拟-数字采集需要足够大以不对处理的信号进行过度滤波的通带和采样频率。

因此，这些计算可以独占重要的数值资源，具体地在计算能力方面，更重要的是，被监视的电流的测量的数量越高，谐波率越显著。因此，该解决方案呈现出高成本。

-通过模拟计算推导有效电流的值：

为了不独占计算资源，可以采用模拟电路。

市场上存在各种使得可以执行必需的计算(具体地，乘法和平方根函数)以获得有效值的模拟设备。借助于诸如这些的模拟设备，可以获得信号的有效值的平方的值。

还可以将有效值的平方的该测量与预期从其中提取它的平方根的函数关联，因而趋向于有效测量的值。这样就是具体地基于吉伯电池的解决方案的情况，诸如由专利US7002394“LOW SUPPLY CURRENT RMS-TO-DC CONVERTER”提出的那样。

但是当必须对大量路径执行测量时，例如在用于8或16个电磁阀的电子控制电路的情况下，该函数的成本变得和前一方案一样高。

此外，有效值的平方的测量不能使得可以在宽范围的值上具有良好的灵敏度，测量结果的相对误差和分辨率与测量的平方相反地变化。

-使用热效应：

耗散的功率与有效电流的平方成比例，可以通过将稳定的DC电流经过的电阻器的温度上升随动(slave)到作为测量的电流的镜像的电流经过的电阻器的温度上升，来得到有效电流的值。

这样的解决方案在专利US3911359和US3624525“TRUE RMS CONVERTER”以及专利US2007024265“SYSTEMS AND METHODS FOR MEASURING AN RMS VOLTAGE”中公开。

但是该技术实施起来很棘手，因为必须保证热阻抗的对称性以及相对于周围的热量的隔绝以便不干扰测量。此外，该电路的积分时间难以调节，并且热时间常数限制装置(setup)的反应作用。

-将电流断路：

一般使用的电流断路解决方案是保险丝和电磁热断路器。

这些解决方案具有许多缺陷：对阈值的容差很宽且对温度敏感，需要外部干预来替换保险丝或重置断路器，需要的空间显著并且断路阈值或触发时间不可实时调节。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于提供用于测量被监视的信号的有效电流的电路，其对于诸如监视用于汽车发动机的电磁阀的电源电流之类的应用呈现低成本和令人满意的可靠性。

为此，本发明提出一种用于测量被监视的信号的有效电流的电路，其特征在于，它包括用于将DC参考信号随动(slave)到被监视的信号的装置，以使得该DC参考信号的有效电流等于被监视的信号的有效电流。

根据本发明的测量电路具体地呈现以下优点：

-由于它可以用很便宜的电子电路以模拟方式实现同时避免依赖于数值计算的事实，它的成本减小了。

此外，根据本发明的电路可以用诸如标准运算放大器之类的低成本的组件实现。因此，不需要模拟乘法器或专用集成电路。

-它的使用实现其电压或强度容易测量的DC信号。

-它的通带仅仅由斩波频率和使用的组件(诸如运算放大器)的速度限制。因而，可以将此通带适配于电路期望的成本/性能比。

-它的时间常数是可调节的，从而再次使得可以将该参数适配于期望的成本/性能比。

-它的实施不消除包括在通带中的任何谐波，从而排除了对被监视的电流的任何过度的滤波。

-它对被监视的信号的测量通过与有效电流的平方成比例的测量来执行，从而即便对该有效电流的低值也允许敏感的测量。

-它的通带是可调节的。在有效电流断路的框架内，该解决方案提供实时地调节断路阈值的可能性。

分别考虑或根据所有技术上可能的组合，根据本发明的电路还可以呈现下文特征中的一个或多个：

在一个实施例中，该电路包括第一调制器和第二调制器，其分别处理被监视的信号或参考信号以便提供第一调制信号或第二调制信号，第一调制信号或第二调制信号的平均电流分别与被测量的信号的有效电流的平方或参考信号的有效电流的平方成比例。

根据一个实施例，该电路包括用于借助于周期信号通过脉冲宽度和幅度调制来调制第一调制信号和第二调制信号的装置。

在一个实施例中，第一调制器包括使得该脉冲宽度调制对应于与被监视的电流的强度成比例的占空比的装置。

根据一个实施例，该电路包括用于利用斩波频率调制被监视的信号和DC参考信号的装置，以使得在第一调制信号或第二调制信号的平均值的计算的周期T上该平均值与被测量的信号或参考信号的有效电流的平方成比例。

在一个实施例中，每个调制器包括运算放大器，其在第一输入端处接收被调制的信号并在第二输入端处接收该周期信号。

根据一个实施例，该电路包括：

-在调制信号的有效电流之间通过它们的各个平均值执行比较的块，和

-经由反馈环路将该比较的结果馈送给该电路作为DC参考信号的块。

本发明还涉及一种用于测量被监视的信号的有效电流的方法，其特征在于，通过根据先前实施例之一的电路将DC参考信号随动到被监视的信号，以使得该DC参考信号的有效电流等于被监视的信号的有效电流。

在一个实施例中，测量机动车辆的电磁阀致动器的供电电流。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从下面给出的对参考附图给出的本发明的实施例的非限制的指示的描述而清楚呈现，其中：

-图1示出已被描述的脉动电流；

-图2表示根据本发明的一个实施例的实现用于调制信号的比较电路；

-图3表示根据本发明的一个实施例的通过脉冲宽度和幅度调制的双重调制信号；

-图4是根据本发明的一个实施例的测量电路的功能图；

-图5表示运算放大器和比较器电路；以及

-图6是使得可以执行图4描述的功能的电路图。

在所有图中，公共的元件带有相同的引用数字。

具体实施方式

根据本发明，用于测量被监视的信号i(t)的有效电流的电路包括用于将DC参考信号i_DC(t)随动到该被监视的信号i(t)的装置，以使得该参考信号i_DC(t)的有效电流i_DCeff(t)等于被监视的信号的有效电流i_eff(t)。

为了执行此随动，根据本发明的电路可以实现施加于被监视的信号i(t)和参考信号i_DC(t)二者的双重调制功能。

下面参考被监视的信号i(t)描述对于两个信号相似的该双重调制。它具体地包括：

-第一脉冲宽度调制，使得调制信号u(t)的占空比·(t)(即，在时刻t的脉冲宽度)根据下述公式与被测量的电流i(t)的强度成比例：

·(t)＝K*i(t)

其中K是常数。

-第二幅度调制，使得调制信号u(t)的幅度与被测量的电流i(t)的强度成比例。

在实际方式中，该脉冲宽度和幅度双重调制可以通过包括运算放大器10的调制器11(图2)来执行。为此，在运算放大器10的V+输入端(12)处提供被监视的信号i(t)，而在前述运算放大器10的V-输入端(14)处提供周期信号，通常为锯齿波信号。

当V+端子(12)处的电压大于放大器10的V-端子(14)处的电压时，上拉电阻器16施加信号i(t)的电压。如果合适，该电压为零。

由这样的双重调制产生的信号u(t)的形状如图3所示，其中将该信号u(t)的强度(纵坐标轴18)表示为时间(横坐标轴17)的函数。

借助该双重调制，获得信号u(t)，在实践中其平均值可以与它的有效强度i_eff(t)成比例。

实际上，通过考虑该信号的脉冲周期(也两倍于斩波周期)相对于为了对信号u(t)的平均值U(T)求值而实施的积分时间T较大，可以将平均值U(T)写为：

$\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}u\left(t\right)\mathrm{dt}\≈\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}i\left(t\right)*\mathrm{\α}\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{K}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=K.{i^2}_{\mathrm{eff}}.$

在下文中，可以将从被监视的信号i(t)的双重调制而来的该信号u(t)的平均值U(T)与从DC参考信号i_DC(t)的双重调制而来的信号u_DC(t)的平均值U_DC(T)相比较。

因而，可以提供随动电路，向该随动电路提供这两个平均值U(T)和U_DC(t)之间的偏差，其倾向于消除此偏差。因此，基于被监视的电流i(t)获得的调制信号的平均值U(T)倾向于等于基于参考电流i_DC(t)获得的调制信号的平均值U_DC(t)。

可以在该周期T上将该等式写为：

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}[U\left(t\right)-U_{\mathrm{DC}}\left(t\right)]\mathrm{dt}=0$

$\⇒\underset{0}{\overset{T}{\∫}}U\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{U}_{\mathrm{DC}}\mathrm{dt}$

$\⇒K{\left(i_{\mathrm{measured}}\right)}_{\mathrm{eff}}^2=K{\left(i_{\mathrm{DC}}\right)}_{\mathrm{eff}}^2$

$\⇒{\left(i_{\mathrm{measured}}\right)}_{\mathrm{eff}}={\left(i_{\mathrm{DC}}\right)}_{\mathrm{eff}}$

因而，该等式表达随动电路的功能，其倾向于修改参考信号i_DC(t)使其接近一个值以使得它的有效电流i_DCeff(t)等于被监视的信号i(t)的有效电流i_eff(t)。

参考图4，根据本发明的电路22因而包括环路20

-提供有来自于比较器24的输出信号

-用于随动基于被测量的电流i(t)调制的信号U(T)和基于参考电流i_DC(t)调制的u_DC(t)的各个平均值U(T)和U_DC(T)。

在由放大器26处理之后，该输出信号是被发送到调制器19的输入端的DC参考信号i_DC(t)，调制器19的操作方式类似于已经描述的调制器11的操作方式。

在实践中，电路22可以采取具有图5所示的运算放大器的电路的形式。更确切地说，运算放大器30可以通过在它的输入端32处接收基于被测量的电流调制的信号u(t)，以及在它的输入端34处接收基于参考电流调制的信号u_DC(t)，来执行比较器24的功能。

环路20以具有运算放大器36的积分电路的形式实现，该积分电路将测量的偏差进行积分并且将它以DC参考信号的形式反馈到该电路。

功能上，根据本发明的电路在该实施例中包括四个工作块，即：

-执行被监视的信号i(t)的双重调制的块11，

-执行参考信号i_DC(t)的双重调制的块19，

-执行电流i_eff(t)与i_DCeff(t)之间的比较然后将该结果求平均的块24，

-将该比较的结果作为参考信号i_eff(t)反馈到该装置的块26。

举例来说，图6表示根据本发明的电路的电路图。应当注意，实现的组件(运算放大器、比较器和电阻器)呈现低成本和令人满意的可靠性来实现本发明。

还应注意，已经在使用使得可以执行描述的功能的放大器的情况下对本发明进行了具体的描述。然而，也可以使用其他类型的元件(具体地，采用晶体管)而不背离本发明的范围。最后，可以将任何装置用等效的装置替换。

Claims (9)

1.一种用于测量被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))的电路(22)，其特征在于，它包括用于将DC参考信号(i_DC(t))随动到被监视的信号(i(t))的装置，以使得该DC参考信号(i_DC(t))的有效电流(i_DCeff(t))等于被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))。

2.如权利要求1所述的电路(22)，其特征在于，它包括第一调制器(11)和第二调制器(19)，分别处理该被监视的信号(i(t))或该参考信号(i_DC(t))以便提供第一调制信号(u(t))或第二调制信号(u_DC(t))，第一调制信号(u(t))或第二调制信号(u_DC(t))的平均电流(U(T)、U_DC(T))分别与该被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))的平方或该参考信号(i_DC(t))的有效电流(i_DCeff(t))的平方成比例。

3.如权利要求2所述的电路(22)，其特征在于，第一调制器(11)和第二调制器(19)包括用于借助于周期信号、通过脉冲宽度和幅度调制来调制第一调制信号(u(t))或第二调制信号(u_DC(t))的装置。

4.如权利要求3所述的电路(22)，其特征在于，第一调制器(11)包括使得第一调制信号(u(t))的脉冲宽度调制对应于与被监视的信号(i(t))的强度成比例的占空比(α)的装置。

5.如权利要求4所述的电路(22)，其特征在于，它包括用于利用斩波频率调制该被监视的信号(i(t))和参考信号(i_DC(t))的装置，以使得在第一调制信号或第二调制信号的平均值(U(T)、U_DC(T))的计算的周期T上该平均值(U(T)、U_DC(T))与被监视的信号(i(t))或参考信号(i_eff(t))的有效电流(i_eff(t)、i_DCeff(t))的平方成比例。

6.如权利要求3、4或5所述的电路(22)，其特征在于，每个调制器(11、19)包括运算放大器(10)，其在第一输入端(12)处接收被处理的信号(i(t)、i_eff(t))之一、并在第二输入端(14)处接收该周期信号。

7.如权利要求2到6中的一个所述的电路(22)，其特征在于，它包括：

-在被处理的信号(i(t)、i_eff(t))的有效电流(i_eff(t)、i_DCeff(t))之间通过它们的各个平均值(U(T)、U_DC(T))执行比较的块(24)，以及

-将该比较的结果经由反馈环路馈送给该电路作为该电路(22)的参考信号(i_eff(t))的块(26)。

8.一种用于测量被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))的方法，其特征在于，通过根据前述权利要求中的一个所述的电路将DC参考信号(i_DC(t))随动到被监视的信号(i(t))，以使得该DC参考信号(i_DC(t))的有效电流(i_DCeff(t))等于被监视的信号(i(t))的有效电流(i_eff(t))。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，监视与用于机动车辆的电磁阀致动器的供电电流有关的信号。

Images