CN103675399B - 具有强抗干扰能力的霍尔电流测量装置 - Google Patents

具有强抗干扰能力的霍尔电流测量装置 Download PDF

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Abstract

<b>本发明涉及电流测量技术，特别涉及汽车中的霍尔电流测量装置以及采用该霍尔测量装置的汽车电子控制***。</b><b>按照本发明的实施例，对于不同的温度采用不同的修正方法，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修正后的电流，具有实</b><b>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，采用小波滤波器可以有效滤除干扰信号。</b><b />

Description

具有强抗干扰能力的霍尔电流测量装置
技术领域
本发明涉及电流测量技术，特别涉及汽车中的霍尔电流测量装置以及采用该霍尔测量装置的汽车电子控制***。
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。
在典型的应用中，从汽车内部多个位置处测量得到的电流经传输线被送至控制器，而后由控制器根据这些测量信号确定控制策略并且产生控制指令。虽然可以采用分布式控制架构，将控制器的控制能力分散化（即，将部分控制功能集成到电流测量设备内），但是这将导致控制过程的复杂化，并且增加了制造和维护成本。因此在汽车应用中，集中式控制是首选的架构。
为了实现准确、实时的控制过程，集中式控制架构要求在传输过程中应尽量避免外界对所传送信号的干扰。然而，这并不容易做到，因为汽车内部某些地方的环境是相当严苛的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于汽车的霍尔电流测量装置，其具有抗干扰能力强的优点。
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电流测量装置，包含传感单元、处理单元和将所述传感单元和处理单元连接起来的信号传输缆线，其中，
所述传感单元包含：
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；
与所述霍尔传感元件耦合的电压频率变换器，其将所述电压测量信号转换为方波信号并沿所述信号传输缆线传送，所述方波信号的频率与所述电压测量信号的幅值成比例关系；
所述处理单元包括：
小波滤波器，其与所述信号传输缆线相连，用于对所述方波信号进行滤波以消除传输过程中引入的干扰信号；以及
与所述小波滤波器耦合的信号处理器，其根据所述小波滤波器输出的滤波信号得到电流测量值。
优选地，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，所述传感单元还包括温度传感元件，其设置在所述霍尔传感元件附近并经信号传输缆线向所述信号处理器输出温度测量信号，所述信号处理器按照下列方式对所述电流测量值进行温度修正：
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，否则，则利用神经网络模型计算所述待测电流的修正值：
这里，、、、、和为常数，UH和Ut分别为所述电压测量信号和温度测量信号。
优选地，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，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：
UH和Ut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，在上述霍尔电流测量装置中，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，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，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，UHk为霍尔传感元件的电压测量信号的第k个采样值，Utk为霍尔传感元件附近的温度测量信号的第k个采样值。
优选地，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，所述霍尔传感元件与温度传感元件贴合在一起。
优选地，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，所述小波滤波器为声表面波换能器，其采用下列形式的脉冲响应函数：
优选地，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，所述小波滤波器为声表面波换能器，其采用下列形式的脉冲响应函数：
优选地，在上述用于汽车的霍尔电流测量装置中，还包含设置在所述小波滤波器与信号处理器之间的施密特触发器。
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***，其能够对混合动力汽车进行快速、准确的电气控制。
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电流测量装置，其中，所述霍尔传感元件被设置在所述电机、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修正方法，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修正后的电流，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，采用小波滤波器可以有效滤除干扰信号。
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电流测量装置的示意图。
图2为图1所示的霍尔电流测量装置所用神经网络模型的示意图。
图3为图1所示的霍尔电流测量装置所用温度修正方法的流程图。
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。
图1为按照本发明一个实施例的霍尔电流测量装置的示意图。
如图1所示，该霍尔电流测量装置10包含传感单元110、处理单元120和将传感单元110和处理单元120连接起来的信号传输缆线130。
参见图1，传感单元110包含霍尔传感元件111、温度传感元件112、分别与霍尔传感元件111和温度传感元件112相连的放大器113A、113B和与放大器113A相连的电压频率转换器114。
霍尔传感元件111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112设置在霍尔传感元件附近（例如与霍尔传感元件111贴合在一起）以测量霍尔传感元件附近的温度，放大器113A和113B分别对电流测量信号和温度测量信号进行放大。
电压频率转换器115与放大器113A相连，其将放大后的电压测量信号转换为方波信号并经信号传输缆线130传输，其中，方波信号频率与电压测量信号幅值成比例关系。放大器113B的输出信号则直接经信号传输缆线130传输至处理单元120。
如图1所示，处理单元120包括小波滤波器121、施密特触发器122、信号处理器123和存储器124。
小波滤波器121与信号传输缆线130相连，其对接收自信号传输缆线130的电压测量信号进行滤波以消除传输过程中引入的干扰信号。本发明的发明人经过研究发现，对于从信号传输缆线130接收的方波信号，采用小波滤波器作为滤波器具有较佳的滤波效果。优选地，采用声表面波换能器作为小波滤波器，并且可采用下列两种形式之一的脉冲响应函数：
（1）
（2）
施密特触发器122被设置在小波滤波器121与信号处理器123之间。信号处理器123根据施密特触发器122输出的电压测量信号得到电流测量值。优选地，信号处理器123可以通过信号传输缆线130与温度传感元件112或放大器113B相连，从而利用温度测量信号对电流测量值进行修正，有关温度修正的细节将在下面作进一步的描述。信号处理器123还与存储器124相连，其可以访问存储器124以调用温度修正程序并存储修正后的测量信号。另外，信号处理器123还向外部（例如电子控制器）输出修正后的电流测量值。
以下描述由信号处理器执行的温度修正方法。
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修正温度对霍尔传感元件的影响是一个较佳的技术途径。
待测电流在霍尔传感元件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：
（3）
这里，Im为待测电流的经过温度校正的值，、、、、和为常数，UH和Ut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（3）确定的Im，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：
（4）
其中，
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，UHk为霍尔传感元件的电压测量信号的第k个采样值，Utk为霍尔传感元件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（4）和（5）之后，即可求解出常数、、、、和。
按照本发明的实施例，对于式（3）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2为图1所示的霍尔电流测量装置所用神经网络模型的示意图。
如图2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：
（6）
UH和Ut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：
（7）
这里，δ取值范围为0.2-0.5之间。
优选地，存储器124（例如ROM存储器或闪存）存储信号处理程序和参数，例如以式（3）为代表的算法以及基于图2所示神经网络模型的算法。另外，存储器124还存储计算用参数，例如式（3）计算中需要的常数、、、、和。信号处理器123根据温度值从存储器124调用相应的算法程序完成对待测电流的温度修正。
图3为图1所示的霍尔电流测量装置所用温度修正方法的流程图。
参见图3，在步骤310，从设置在汽车内的通电导线附近的霍尔传感元件接收测量信号。
接着，在步骤320，获取霍尔传感元件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330，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340，根据式（3）来计算待测电流的修正值Im，否则，则进入步骤350，利用图2所示的神经网络模型计算待测电流的修正值。
在步骤360中，输出经过温度修正的待测电流值。
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1-3描述的霍尔电流测量装置，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 (7)

1.一种用于汽车的霍尔电流测量装置，其特征在于，包含传感单元、处理单元和将所述传感单元和处理单元连接起来的信号传输缆线，其中，
所述传感单元包含：
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；
与所述霍尔传感元件耦合的电压频率变换器，其将所述电压测量信号转换为方波信号并沿所述信号传输缆线传送，所述方波信号的频率与所述电压测量信号的幅值成比例关系；
所述处理单元包括：
小波滤波器，其与所述信号传输缆线相连，用于对所述方波信号进行滤波以消除传输过程中引入的干扰信号；以及
与所述小波滤波器耦合的信号处理器，其根据所述小波滤波器输出的滤波信号得到电流测量值，
其中，所述传感单元还包括温度传感元件，其设置在所述霍尔传感元件附近并经信号传输缆线向所述信号处理器输出温度测量信号，所述信号处理器按照下列方式对所述电流测量值进行温度修正：
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，否则，则利用神经网络模型计算所述待测电流的修正值：
这里，α0、α1、α2、α3、α4和α5为常数，UH和Ut分别为所述电压测量信号和温度测量信号，
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：
UH和Ut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。
2.如权利要求1所述的用于汽车的霍尔电流测量装置，其中，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。
3.如权利要求1所述的用于汽车的霍尔电流测量装置，其中，所述霍尔传感元件与温度传感元件贴合在一起。
4.如权利要求1所述的用于汽车的霍尔电流测量装置，其中，所述小波滤波器为声表面波换能器，其采用下列形式的脉冲响应函数：
。
5.如权利要求1所述的用于汽车的霍尔电流测量装置，其中，所述小波滤波器为声表面波换能器，其采用下列形式的脉冲响应函数：
。
6.如权利要求4或5所述的用于汽车的霍尔电流测量装置，其中，还包含设置在所述小波滤波器与信号处理器之间的施密特触发器。
7.一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1-6中任意一项所述的霍尔电流测量装置，其中，所述霍尔传感元件被设置在所述电机、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。
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