CN103513097B - 用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法和霍尔传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流测量技术，特别涉及用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法、基于该补偿方法原理的霍尔传感器以及采用该霍尔传感器的汽车电子控制***。按照本发明的用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法包括下列步骤：接收所述霍尔传感器的电压测量信号；获得所述霍尔传感器附近的温度测量信号；如果温度属于预设范围之内，则根据解析式计算待测电流的修正值，否则，则利用神经网络模型计算所述待测电流的修正值。按照本发明的实施例，对于不同的温度采用不同的补偿方法，可以适应较大的温度范围。在预设范围采用特定的解析式来计算补偿后的电流，具有实现方便、快速和精度高的优点。

Description

用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法和霍尔传感器

技术领域

本发明涉及电流测量技术，特别涉及用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法、基于该补偿方法原理的霍尔传感器以及采用该霍尔传感器的汽车电子控制***。

背景技术

近年来，汽车工业对电流测量的需求急剧增加。在车辆中需要进行电流测量的场合主要包括电机控制领域和电池监测领域，在那里精确、实时的电流测量是实现优化控制的前提条件之一。霍尔传感器是一种普遍采用的电流传感元件，制造霍尔元件的材料一般为半导体材料（例如硅、锗、砷化铟和锑化铟等），这使得霍尔元件的输出线性受温度影响较大。考虑到汽车内部的温度环境非常复杂，影响因素众多，这使误差问题变得更为突出。

汽车内典型的温度变化范围在-40⁰C至+125⁰C之间，偶尔可能会达到+150⁰C。在这样大跨度范围内提供精确的电流测量是对电子技术的一个巨大挑战。为此业界已经提出了多种对霍尔传感器进行温度补偿的方法。但是目前的各种补偿方法在处理大的温度动态变化范围方面仍然显得力不从心，而且没有统一的处理框架，不利于降低开发和制造成本。

此外，随着节能降耗的重要性愈来愈凸显，势必需要将汽车电子***设计得更为紧凑以节省汽车内部空间，这就要求霍尔传感器向集成化和微型化方向发展。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法，其能够适应大的温度动态变化范围并提供高的测量精度。

上述目的可以通过下列技术方案实现：

一种用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法，所述霍尔传感器设置在所述汽车内的通电导线附近，包括下列步骤：

接收所述霍尔传感器的电压测量信号；

获得所述霍尔传感器附近的温度测量信号；

如果温度属于预设范围之内，则根据下式来计算待测电流的修正值I_m：

这里，、、、、和为常数，U_H和U_t分别为所述电压测量信号和温度测量信号，

否则，则利用神经网络模型计算所述待测电流的修正值。

优选地，在上述霍尔传感器温度补偿方法中，所述神经网络模型为BP神经网络，包含：

输入层，其包含两个输入节点u₁和u₂，分别输入下列信号：

U_H和U_t分别为所述电压测量信号和温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数；

隐含层；

输出层，其包含一个输入节点y，输出所述待测电流的修正值。

优选地，在上述霍尔传感器温度补偿方法中，所述隐含层和输出层的激活函数采用下列形式：

这里，取值范围为0.2-0.5之间。

优选地，在上述霍尔传感器温度补偿方法中，所述常数、、、、和通过求解下列方程确定：

;;

;;

;;

;;

;;

;;

;;

这里， l=m×n，m为温度采样点的数量，n为电流采样点的数量，U_Hk为霍尔传感器的电压测量信号的第k个采样值，U_tk为霍尔传感器附近的温度测量信号的第k个采样值。

优选地，在上述霍尔传感器温度补偿方法中，温度补偿的范围在-40⁰C至+125⁰C的范围内，并且所述预设范围在-10⁰C至+50⁰C之间。

本发明的还有一个目的是提供一种用于汽车的具有温度补偿能力的霍尔传感器，其能够适应大的温度动态变化范围并提供高的测量精度。

上述目的可以通过下列技术方案实现：

一种用于汽车的具有温度补偿能力的霍尔传感器，包含：

霍尔传感元件，其设置在汽车内的通电导线附近并输出与所述通电导线内待测电流对应的电压测量信号；

温度传感元件，其设置在所述霍尔传感元件附近并输出温度测量信号；

与所述霍尔传感元件和温度传感元件相连的信号处理单元，其按照下列方式来计算待测电流的修正值I_m：

如果温度属于预设范围之内，则根据下式来计算待测电流的修正值I_m：

这里，、、、、和为常数，U_H和U_t分别为所述电压测量信号和温度测量信号，

否则，则利用神经网络模型计算所述待测电流的修正值。

本发明的还有一个目的是提供一种用于混合动力汽车的电子控制***，其采用能够适应大的温度动态变化范围并提供高的测量精度的霍尔传感器，因而实现了对混合动力汽车的快速、准确的控制。

上述目的可以通过下列技术方案实现：

一种用于混合动力汽车的电子控制***，包括：

电子控制器；

与混合动力汽车的电机和电池组相连的交流-直流逆变器，其在所述电子控制器的控制下，将交流电转换为直流电并向所述电池组充电；

与所述交流-直流逆变器和所述电池组相连的直流-直流变换器，其在所述电子控制器的控制下，将高压直流电转换为低压直流电并向所述电池组充电；

与电子控制器通信的传感器组，包括多个如上所述的霍尔传感器，所述霍尔传感器被设置在所述电机、交流-直流逆变器、直流-直流变换器和电池组的输出线路附近以测量流经线路的电流。

按照本发明的实施例，对于不同的温度采用不同的补偿方法，可以适应较大的温度范围。在预设范围采用特定的解析式来计算补偿后的电流，具有实现方便、快速和精度高的优点。此外，所采用的神经网络模型的输入神经元采用温度信号和霍尔电压信号的组合作为输入，提高了计算精度和速度。再者，在一个实施例中，采用小波变换及重构器件可以有效滤除干扰信号，适合于传感元件与处理单元需要相距较远的应用场合。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的霍尔传感器温度补偿方法所用神经网络模型的示意图。

图2为按照本发明一个实施例的用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法的流程图。

图3为按照本发明一个实施例的霍尔传感器的示意图。

图4为按照本发明的一个实施例的汽车电子控制***的示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述本发明的具体实施方式来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具体实施方式仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。

在本说明书中，“耦合”一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元或数值之用。

本发明的发明人经过深入研究发现，在-40⁰C至+125⁰C这样大的温度范围内，针对不同的范围采用不同的算法来补偿温度对霍尔传感器的影响是一个较佳的技术途径。

待测电流在霍尔传感器中诱发的霍尔电压除了取决于器件结构和参数之外，还受到温度的影响，因此可以将待测电流视为是霍尔电压和温度的函数。本发明的发明人发现，对于一定的温度范围（例如-10⁰C至+50⁰C，具体范围与霍尔传感元件的结构和材料参数相关），待测电流与霍尔电压测量信号和温度测量信号之间的关系可以用下列简单的解析式作比较精确的描述：

（1）

这里，I_m为待测电流的经过温度校正的值，、、、、和为常数，U_H和U_t分别为霍尔电压测量信号和温度测量信号。

以下描述常数、、、、和的标定方法。

对于式（1）确定的I_m，其与实验标定值之间存在误差e，为使校正值与标定值最佳拟合，则应使均方误差R最小。为此，可令R对、、、、和的偏导数为零，从而可得下列方程：

（2）

其中，

;;

;;

;; （3）

;;

;;

;;

;;

这里，l=m×n，m为温度采样点的数量，n为电流采样点的数量，U_Hk为霍尔传感器的电压测量信号的第k个采样值，U_tk为霍尔传感器附近的温度测量信号的第k个采样值。也就是说，首先设置m个温度采样点，对于每个温度采样点，设置n个电流采样点（也即在导线中通以已知大小的电流），由此测得n个电压信号的采样值。当将上述温度采样值和电压采样值代入上述方程（2）和（3）之后，即可求解出常数、、、、和。

按照本发明的实施例，对于式（1）不适用的温度范围，采用神经网络模型来计算待测电流的修正值。

图1为按照本发明的一个实施例的霍尔传感器温度补偿方法所用神经网络模型的示意图。如图1所示，该模型采用三层反向传播神经网络，其包含一层输入层、一层隐含层和一层输出层。输入层包含2个输入神经元，输出层包含1个输出神经元。

本发明的发明人发现，如果在输入层的两个输入节点u₁和u₂上分别输入下列信号可以在保证精度的前提下有效简化神经网络模型的结构并提高计算速度：

（4）

U_H和U_t分别为霍尔电压测量信号和温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数。

对于隐含层，其节点的数量可以取各种数值，例如从4个到16不等。输出层包含一个输入节点y，输出待测电流的修正值。对于隐含层和输出层，其激活函数可采用下列形式：

（5）

这里，取值范围为0.2-0.5之间。

图2为按照本发明一个实施例的用于汽车的霍尔传感器温度补偿方法的流程图。

参见图2，在步骤210，从设置在汽车内的通电导线附近的霍尔传感器或霍尔元件接收电压测量信号。由于电压较小，因此可以将放大器与霍尔元件集成在一起以放大感测到的信号。另外，温度补偿处理算法可以在一个与霍尔元件集成在一起的处理器内完成，也可以在一个与霍尔元件分立的处理器（它们之间例如通过CAN或LIN总线相连）内完成。

接着，在步骤220，获取霍尔传感器附近的温度测量信号。为了精确地测量霍尔元件的温度，可以将温度传感器与霍尔元件贴合在一起。

随后进入步骤230，判断测得的温度是否属于预设范围（例如-10⁰C至+50⁰C）之内，如果判断结果为真，则进入步骤240，根据式（1）来计算待测电流的修正值I_m，否则，则进入步骤250，利用图1所示的神经网络模型计算待测电流的修正值。

在步骤260中，输出经过温度补偿的待测电流值。

图3为按照本发明一个实施例的霍尔传感器的示意图。

如图3所示，该霍尔传感器30包括霍尔传感元件310、温度传感元件320、模数转换单元330、存储器340、数字信号处理单元350。

霍尔传感元件310被设置在汽车内的通电导线附近并输出与通电导线内待测电流对应的电压测量信号。

温度传感元件320设置在霍尔传感元件310附近并输出温度测量信号。优选地，温度传感元件320与霍尔传感元件310贴合在一起。

模数转换单元330与霍尔传感元件310和温度传感元件320相连，其将模拟信号形式的电压测量信号和温度测量信号转换为数字信号并输出至数字信号处理单元350。

存储器340（例如ROM存储器或闪存）存储信号处理程序和参数，例如以式（1）为代表的算法以及基于图1所示神经网络模型的算法。另外，存储器340还存储计算用参数，例如式（1）计算中需要的常数、、、、和。

数字信号处理单元350从模数转换单元330接收数字信号形式的电压信号温度信号，并且根据温度值从存储器340调用相应的算法程序完成对待测电流的温度补偿。

可选地，图3所示的霍尔传感器30还可包括与数字信号处理单元350相连的数模转换单元360以及与数模转换单元360相连的放大单元370。数模转换单元360将经过温度补偿的待测电流转换为模拟信号并输出至放大单元370，经放大后输出。

优选地，可以将霍尔传感元件310、温度传感元件320、模数转换单元330、存储器340、数字信号处理单元350、数模转换单元360以及放大单元370集成在一个集成电路器件中。

值得指出的是，在本实施例中采用一个模数转换单元330，以分时的方式对霍尔传感元件310和温度传感元件320的输出信号进行采样和作模数转换。但是也可以采用两个模数转换单元，分别对霍尔传感元件310、温度传感元件320输出的信号进行采样和作模数转换。

图4为按照本发明的一个实施例的汽车电子控制***的示意图。

如图4所示，该电子控制***40包括电子控制器410、交流-直流逆变器420、直流-直流变换器430和传感器组440。

传感器组440包括上述借助图3描述的霍尔传感器，它们被安装在通电导线附近，例如电机、交流-直流逆变器、直流-直流变换器和电池组的输出线路附近以测量流经线路的电流。传感器组440可经总线与电子控制器410通信以提供测量信号。

交流-直流逆变器420与混合动力汽车的电机50和电池组60相连的，其在电子控制器410的控制下，将交流电转换为直流电并向电池组60充电。

直流-直流变换器430与交流-直流逆变器420和电池组60相连，其在电子控制器410的控制下，将高压直流电转换为低压直流电并向电池组60充电。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims (5)

1.一种用于汽车的具有温度补偿能力的霍尔传感器，其特征在于，包含：

霍尔传感元件，其设置在汽车内的通电导线附近并输出与所述通电导线内待测电流对应的电压测量信号；

温度传感元件，其设置在所述霍尔传感元件附近并输出温度测量信号；

与所述霍尔传感元件和温度传感元件相连的信号处理单元，其按照下列方式来计算待测电流的修正值Im：

如果温度属于预设范围之内，则根据下式来计算待测电流的修正值Im：

这里，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅为常数，U_H和U_t分别为所述电压测量信号和温度测量信号，

否则，则利用神经网络模型计算所述待测电流的修正值，

其中，所述霍尔传感元件与所述信号处理单元集成在一起，

其中，所述霍尔传感元件与温度传感元件贴合在一起，

其中，所述神经网络模型为BP神经网络，包含：输入层，其包含两个输入节点u₁和u₂，分别输入下列信号：

u₁＝k₁×U_H×U_t

u₂＝k₂×U_H-U_t

U_H和U_t分别为所述电压测量信号和温度测量信号，k₁和k₂为归一化常数；

隐含层，其节点的数量为4到16个；

输出层，其包含一个输入节点y，输出所述待测电流的修正值。

2.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中，所述隐含层和输出层的激活函数采用下列形式：

这里，δ取值范围为0.2-0.5之间。

3.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中所述常数α₀、α₁、α₂、α₃、α₄和α₅通过求解下列方程确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{0}l+{\mathrm{\α}}_{1}A+{\mathrm{\α}}_{2}B+{\mathrm{\α}}_{3}C+{\mathrm{\α}}_{4}D+{\mathrm{\α}}_{5}E=U\\ {\mathrm{\α}}_{0}A+{\mathrm{\α}}_{1}C+{\mathrm{\α}}_{2}D+{\mathrm{\α}}_{3}F+{\mathrm{\α}}_{4}G+{\mathrm{\α}}_{5}H=V\\ {\mathrm{\α}}_{0}B+{\mathrm{\α}}_{1}D+{\mathrm{\α}}_{2}E+{\mathrm{\α}}_{3}G+{\mathrm{\α}}_{4}H+{\mathrm{\α}}_{5}I=W\\ {\mathrm{\α}}_{0}C+{\mathrm{\α}}_{1}F+{\mathrm{\α}}_{2}G+{\mathrm{\α}}_{3}J+{\mathrm{\α}}_{4}K+{\mathrm{\α}}_{5}M=X\\ {\mathrm{\α}}_{0}D+{\mathrm{\α}}_{1}G+{\mathrm{\α}}_{1}H+{\mathrm{\α}}_{3}K+{\mathrm{\α}}_{4}M+{\mathrm{\α}}_{5}N=Y\\ {\mathrm{\α}}_{0}E+{\mathrm{\α}}_{1}H+{\mathrm{\α}}_{2}I+{\mathrm{\α}}_{3}M+{\mathrm{\α}}_{4}N+{\mathrm{\α}}_{5}O=Z\end{array}\right.$

这里，l＝m×n，m为温度采样点的数量，n为电流采样点的数量，U_Hk为霍尔传感器的电压测量信号的第k个采样值，U_tk为霍尔传感器附近的温度测量信号的第k个采样值。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的霍尔传感器温度补偿方法，其中，温度补偿的范围在-40℃至+125℃的范围内，并且所述预设范围在-10℃至+50℃之间。

5.一种用于混合动力汽车的电子控制***，其特征在于，包括：

电子控制器；

与混合动力汽车的电机和电池组相连的交流-直流逆变器，其在所述电子控制器的控制下，将交流电转换为直流电并向所述电池组充电；

与所述交流-直流逆变器和所述电池组相连的直流-直流变换器，其在所述电子控制器的控制下，将高压直流电转换为低压直流电并向所述电池组充电；

与电子控制器通信的传感器组，包括多个如权利要求1-4中任意一项所述的霍尔传感器，所述霍尔传感器被设置在所述电机、交流-直流逆变器、直流-直流变换器和电池组的输出线路附近以测量流经线路的电流。