CN105938158B - 用于逆变器控制的电机的可靠电流感测 - Google Patents

Abstract

逆变器驱动电机的相电流通过将各个相电流的相导线安装到各自的磁通芯的中心通道中来测量。多个电流传感器被安装到各个磁通芯的间隙中以生成每个相电流的各自的多个电流信号。霍尔效应装置被连接到用于调节电流信号的多个多通道运算放大器装置以使每组霍尔效应装置连接到运算放大器中的不同的一个并且以使每个运算放大器装置接收对应于每个相电流的一个电流信号。因此，对应于每个相导线的有效已调节电流信号通过运算放大器装置生成，除非有霍尔效应装置和运算放大器装置的多重同时发生的故障。

Description

用于逆变器控制的电机的可靠电流感测

背景技术

本发明总体上涉及用于控制逆变器驱动电机的电流感测，并且，更具体地，涉及用于与电动车辆驱动有关的电流感测的增加的容错。

电动车辆——比如混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)——使用逆变器驱动电机来提供牵引扭矩和再生制动扭矩。典型的电驱动系统包括直流(DC)电源(比如电池组或燃料电池)，该DC电源通过接触器开关连接到可变电压转换器(VVC)以调节主链路电容器两端的主总线电压。在主总线和牵引马达之间连接第一逆变器以推进车辆。在主总线和发电机之间可以连接第二逆变器以在制动过程中再生成能量来通过VVC给电池再充电。如在此所使用的，电机指的是马达或发电机。

逆变器包括以桥接配置连接的晶体管开关(比如绝缘栅双极晶体管，或IGBT)。电子控制器打开和关闭开关以便将来自总线的DC电压转化为应用于马达的交流(AC)电压，或以便将来自发电机的AC电压转化为总线上的DC电压。在不同情况下，响应于各种感测到的条件而控制逆变器，该感测到的条件包括电机的旋转位置和流入电机的每个相绕组中的瞬时电流。

逆变器的脉冲宽度调制(PWM)切换通常根据将所需马达电流与所测量的电流进行比较在马达/发电机控制单元(MGCU)的控制下执行。例如，所测量的电流可以被扭矩计算器使用以计算瞬时马达扭矩。所需扭矩可以从驾驶员输入装置(比如加速器踏板)、和发动机控制单元获得。使用通过驾驶员的动作所指示的特定加速或减速以确定多少扭矩应该被传递到车辆车轮。使用所计算出的扭矩需求和实际扭矩(从所测量的电流计算出)之间的差以更新用于切换逆变器的占空比和/或操作频率。

可靠电流感测对电动车辆中的电机的PWM控制的正常运行是至关重要的。使用冗余电流传感器可以增加可靠性，但当使用冗余传感器以取得单相电流多次测量值时，每相的多个传感器的使用已引入校准/一致性问题。此外，获得超出通过已引入冗余传感器的已知电路拓扑结构来实现的稳固性上更大的增加是令人期望的。

发明内容

在本发明的一个方面，一种用于电动车辆的具有多相电机的电驱动装置包括具有设置在多个相桥臂中的逆变器开关的逆变桥。逆变器控制器可控制地切换逆变器开关。第一和第二相导线被连接在各自的逆变器相桥臂和各自的电机的相绕组之间。每个具有中心通道和间隙的第一和第二磁通芯分别被设置以使第一和第二相导线穿过第一和第二磁通芯的中心通道。包含预定数量的第一霍尔效应装置的第一组电流传感器设置在第一磁通芯的间隙中，以生成各自的第一电流信号。包含预定数量的第二霍尔效应装置的第二组电流传感器设置在第二磁通芯的间隙中，以生成各自的第二电流信号。多个多通道运算放大器装置设置用于调节电流信号并且将它们耦合到逆变器控制器。多通道运算放大器装置的数量等于预定数量。第一霍尔效应装置中的每一个连接到运算放大器装置中的不同的一个，并且第二霍尔效应装置中的每一个连接到运算放大器装置中的不同的一个。因此，对应于每个相导线的有效已调节电流信号通过逆变器控制器接收，除非有霍尔效应装置和运算放大器装置的多重故障。

根据本发明，提供一种多相电动马达电流测量方法，包含：

将各自的多个霍尔装置磁连接到各自的马达相以生成各自的相电流测量值；以及

将电流测量值在多个多通道放大器中放大，以使各个相的测量通过不同的放大器放大，从而生成所有相电流的有效电流测量值，除非有霍尔效应装置和放大器的多重故障。

在本发明的一个实施例中，其中每组霍尔装置通过围绕各自导线设置的各自的磁通芯磁连接到各自的马达相的导线。

在本发明的一个实施例中，本发明的方法进一步包含：

将放大的电流测量值在多个模拟-数字转换器中进行转换，其中每个多通道放大器连接到不同的各自模拟-数字转换器。

根据本发明，提供一种测量逆变器驱动电机的相电流的方法，包含：

将各个相电流的相导线安装到各自的磁通芯的中心通道中；

将各自的多个电流传感器安装到各个磁通芯的间隙中以生成每个相电流的各自的多个电流信号，其中每组电流传感器包含预定数量的霍尔效应装置；以及

将霍尔效应装置连接到用于调节电流信号的多个多通道运算放大器装置，以使各自的多个霍尔效应装置中的每一个连接到运算放大器装置中的不同的一个并且以使每个运算放大器装置接收对应于每个相电流的一个电流信号；

从而对应于每个相导线的有效已调节电流信号通过运算放大器装置生成，除非有霍尔效应装置和运算放大器装置的多重同时发生的故障。

在本发明的一个实施例中，其中逆变器控制器控制逆变桥以将相电流供应到电机，方法进一步包含：

使用多个模拟-数字转换器来将已调节电流信号转换数字表示，其中每个运算放大器装置连接到模拟-数字转换器中的不同的一个。

在本发明的一个实施例中，本发明的方法进一步包含：

逆变器控制器将对应于每个相导线的已调节电流信号比较，以便检测发生故障的已调节电流信号。

附图说明

图1是示出了混合动力电动车辆的一个实施例的框图；

图2是更详细地示出了逆变桥和电机相绕组的示意图；

图3是示出了现有技术的安装到印刷电路板的霍尔效应电流传感器的透视图；

图4是示出了安装在磁通芯的间隙中的冗余霍尔效应传感器的透视图，其中印刷电路板以虚线示出；

图5示出了多个相导线，其中每相具有接收各自的多个霍尔效应传感器的磁通芯；

图6是示出了用于将表面安装霍尔效应传感器置于共享磁通芯内的替代布置的透视图；

图7是示出了电流测量电路的框图，其中霍尔效应传感器和放大器的三冗余用来测量电流测量信号且将其报告给控制器；

图8是示出了电流测量电路的框图，其中霍尔效应传感器和放大器的双冗余用来测量电流测量信号且将其报告给控制器；

图9和10是分别示出了没有冗余和具有冗余的放大信号的模拟-数字转换的框图。

具体实施方式

现在参照图1，车辆10被示为具有电驱动系统18的混合动力电动车辆。尽管示出了功率分流的混合动力布局，但是本发明也适用于任何类型的电动车辆(例如，HEV、PHEV、或完全电动车辆)。内燃发动机11和电池组12供应能量用于推进车辆10。电池12采用连接到用于驱动车辆车轮15的变速器齿轮14的输出端来驱动马达13。发动机11的机械输出端通过分流装置16连接到齿轮14，用于提供动力传统的发动机驱动模式。分流装置16也将齿轮14连接到发电机17，以使在再生制动过程中，来自车轮15的可用的机械能可以用来旋转发电机17，其中如本领域中已知的，回收能量用来给电池12充电。因此，电机(即，马达13和发电机17)每个连接到车轮15，用于在存储的电能和车轮的旋转之间双向转换。

电驱动系统18包括用于将电池电压转换为所需总线电压的可变电压转换器20，所需总线电压通过逆变器21可控制地切换(即转换)以驱动马达13。逆变器22被连接在发电机17和转换器20之间，以使在再生制动过程中将来自发电机17的AC电源转化为DC电源，DC电源通过转换器20进一步转换为用于给电池12再充电的适当的电压。

为了控制在逆变桥25和26中的IGBT晶体管开关，现有技术的电驱动系统包括如图2中所示的马达-发电机控制单元(MGCU)27。电流传感器28-33设置在各自逆变器相桥臂和各自相绕组之间的每个相导线处，以便感测各自AC电流并且提供相应的电流信号给MGCU27。用于测量相电流的一种优选类型的装置是基于响应于围绕载流导线生成的磁通量的霍尔效应，以便量化电流量同时保持与负载电路电隔离。霍尔效应电流传感器可用在结合各种相关联的电路系统的集成电路封装中。为了避免电流电平接近于零的饱和问题，典型的霍尔效应集成电路装置生成具有预定偏移的输出电压(即，对应于零安培的测量电流的输出电压处于大于零的预定电压，比如在0.1ⅹV_cc)。因此，进一步的信号调节通常需要移除偏移和/或以其他方式放大或转移传感器信号。

图3示出了在安装在印刷电路板36上的集成电路封装35中的现有技术的霍尔效应传感器单元的示例。相导线37从端子38携带负载电流到各自的马达相/从各自的马达相携带负载电流。集成电路封装35具有接收导线37的中心通道40。通过在导线37中流动的电流生成的磁通耦合到内部磁芯(未示出)和嵌入式霍尔效应元件，该嵌入式霍尔效应元件在输出销41中的一个上生成与电流大小成正比的输出信号。与封装35相同的多个集成电路封装可以安装在电路板36上(每个接收导线37)，以便提供冗余测量信号。然而，当每个封装将各自芯与霍尔效应元件结合时，板空间和成本可在使用冗余封装时过大。

如图4中所示，本发明通过使用具有多个霍尔效应元件46-48的共享磁通芯45来实现封装效率。印刷电路板(PCB)50以虚线被示出，其中霍尔效应元件46-48安装在电路板50的底侧，并且磁通芯45设置在底侧，以使在芯45中的间隙51接收元件46-48，并且以使中心通道52接收各自相导线(以汇流条或绝缘导线的形式)。芯45的形状和磁特性和间隙51内霍尔装置46-48的布局被选择，以确保每个装置接收大体上相等的磁通量，这由于通过置于中心通道52内的负载导线的电流流动造成。霍尔装置46可以是例如通孔安装或表面安装的装置。A1363霍尔效应传感器IC和A1381霍尔效应传感器IC——两者可向马萨诸塞州伍斯特市的Allegro微系统有限公司(Allegro MicroSystems,LLC)购买——已用来实践本发明。

对于低电流应用，芯45可以足够小以直接地安装到印刷电路板50上。对于更高电流应用——其中需要更大的芯，芯45可以优选被安装(例如，封闭)到塑料壳或壳体(未示出)，其中间隙51被设置，以使当PCB50被安装到壳体时，装置46-48正确地定向在间隙51内。同样地，安装在携带将要被测量的电流的PCB50上的负载导线或汇流条(未示出)也可以从PCB 50延伸，以便当PCB 50装配在壳体内时置于中心通道52内。尽管图4示出了单一电流的测量，但是本发明可以应用于具有部件的进一步重复的多相电驱动装置。因此，典型的三相驱动装置可以包括一种总成，其中三个磁通芯封闭到机械壳体，并且然后携带三组冗余霍尔传感器的PCB拧到壳体上，以使各自负载电流导线和各组霍尔传感器同时置于各自磁通芯中。

图5示出了本发明的进一步实施例，其中执行用于三相电机的电流测量。因此，印刷电路板55具有在其上终止的相导线56、57和58，用于将各自相电流传递到电机(未示出)。冗余霍尔效应装置60A、60B和60C在板55的一侧上被安装成一排，以使当板55与芯61一起安装(例如，芯61已被先前安装在壳体59中)时，则装置60A-60C被置于芯61的间隙62内，并且导线56被置于芯61的中心通道63中。同样地，冗余霍尔效应装置64A、64B、和64C在板55的一侧上被安装(通孔或表面安装)成另一排，以便被接收在同样安装在壳体59中的芯65的间隙66中。此外，导线57被接收在芯65的中心通道67中。冗余霍尔效应装置68A、68B和68C在板55的一侧上被安装成一排，以便被接收在芯70的间隙71中。此外，导线58被接收在芯70的中心通道72中。因此，霍尔传感器可以以紧凑且方便的方式有效地设置在印刷电路板的一侧上，并且磁通芯被方便地放置来以保持连接到每个传感器的大体上相等的磁通的方式与霍尔传感器和负载导线相互作用，以使精确电流测量具有高可靠性，因为多个部件故障必须合力以防止做出且传送精确电流测量。

图6显示了另一种布置，其中印刷电路板75具有侧边缘76，其中安装有一对冗余霍尔传感器IC 77和78。磁通芯80具有用于接收板75的边缘76的间隙81，以使霍尔传感器IC77和78可以设置在间隙81内。相应的相导线(未示出)将被接收在芯80的中心通道82中。运算放大器(op amp)集成电路79被示出在电路板75上，用于调节霍尔效应电流信号。霍尔传感器IC 83和84也沿着边缘76安装，以便接收另一个磁通芯(未示出)。运算放大器85被安装在板75上，用于调节附加传感器信号。尽管在图6中示出了每个马达相一个运算放大器装置，但是来自每相的各自的霍尔传感器信号可以优先地交错在不同的运算放大器装置之间，用于如下所讨论的增加的可靠性。同样地，三相霍尔效应IC和三相运算放大器可以置于板75上，其中有三个磁通芯被设置为接收它们。

图7示出了作为三相电机的电驱动的一部分的印刷电路板90。磁通芯91、92、和93接收来自各自的相导线(未示出)的磁通，并且每个芯容纳三个各自的霍尔元件。因此，芯91接收霍尔元件94-96，芯92接收霍尔元件97-99，和芯93接收霍尔元件100-102。安装在电路板90上的运算放大器装置103、104、和105可以每个包含多通道装置(例如，四元运算放大器装置)，其中每个运算放大器在各自通道从相导线中的每一个接收一个测量电流信号。因此，运算放大器103具有接收来自霍尔装置96的测量电流信号的第一通道、接收来自霍尔装置99的测量电流信号的第二通道、和接收来自霍尔装置102的测量电流信号的第三通道。众所周知，典型的集成电路装置的故障模式导致集成电路装置的功能完全丧失。然而，一个装置的故障可能通常不会对其他附近的装置有影响。使用图7中所示的电路拓扑结构，需要至少三个不同的装置的故障以便防止有效状态电流信号通过逆变器控制器接收。例如，如果有任何单个运算放大器故障，则不会对电流感测有影响。即使三分之二的运算放大器发生故障，完整的系统控制可以仍然得到保持并且对功能没有影响(除非一个或多个霍尔装置同时发生故障)。

图8示出了具有双冗余(即每相有两个独立霍尔装置和两个运算放大器装置)以确保可靠传感器性能的替代实施例。因此，印刷电路板110抵靠磁通芯111、112、和113设置以接收各自相导线并且以接收如所示的各自霍尔传感器IC 114-119。运算放大器装置120和121被交错以在各个运算放大器通道中接收来自相导线中的不同的一个的电流信号。因此，对应于每个相导线的有效已调节电流信号通过逆变器控制器接收，除非i)一个相的两个霍尔效应装置都发生故障，或ii)两个运算放大器120和121同时发生故障。

更概括地说，如图7和8中所示的本发明使用用于每个相导线的预定数量的霍尔效应装置。相同的预定数量的运算放大器被使用，其中每个运算放大器装置具有大于或等于预定数量的多个通道。用于每个相的多个霍尔效应装置中的每一个被连接到运算放大器装置中的不同的一个。除非有霍尔效应装置和运算放大器装置的多重故障，否则有效已调节电流信号继续通过用于每个相导线的逆变器控制器接收。

图9示出了电路板90上的运算放大器103-105与包括模拟-数字转换器126的逆变器控制器125的相互连接。转换器126可以包含用于对每个来自运算放大器103-105的电流传感器信号顺序地进行采样的单个通道。用于每相的三个信号可以通过控制器125中的软件算法进行比较以识别任何发生故障的信号。例如，如果一个特定信号明显偏离其它两个信号或不能以电机的旋转速度适当地改变，则可以做出决定特定传感器信号是发生故障的(假如错误在多个连续样本上是持续的)。图10示出了使用具有三个独立模拟-数字转换器通道131-133的逆变器控制器130建立附加冗余的实施例。每个运算放大器103-105被馈送到不同的转换器通道或装置，导致用于每相的电流测量被分布在转换器131-132中的不同的转换器之间。已转换的电流测量然后使用相同的故障检测算法进行分析，以识别任何发生故障的测量。此外，每相的有效测量可以被组合或特定的一个有效信号可以被选择用于在电机的PWM控制中使用。

Claims (5)

1.一种用于电动车辆的具有多相电机的电驱动装置，包含：

逆变桥，所述逆变桥具有设置在多个相桥臂中的逆变器开关；

逆变器控制器，所述逆变器控制器用于可控制地切换所述逆变器开关；

第一和第二相导线，所述第一和第二相导线被连接在各自的逆变器相桥臂和所述电机的各自的相绕组之间；

第一和第二磁通芯，所述第一和第二磁通芯每个分别具有中心通道和间隙，其中所述第一和第二相导线分别穿过所述第一和第二磁通芯的所述中心通道；

第一组电流传感器，所述第一组电流传感器包含预定数量的第一霍尔效应装置，每个所述第一霍尔效应装置设置在所述第一磁通芯的所述间隙中以生成各自的第一电流信号；

第二组电流传感器，所述第二组电流传感器包含预定数量的第二霍尔效应装置，每个所述第二霍尔效应装置设置在所述第二磁通芯的所述间隙中以生成各自的第二电流信号；以及

多个多通道运算放大器装置，所述多个多通道运算放大器装置用于调节所述电流信号并且将所述电流信号耦合到逆变器控制器，其中多通道运算放大器装置的数量等于所述预定数量；

其中所述第一霍尔效应装置中的每一个连接到所述运算放大器装置中的不同的一个，并且其中所述第二霍尔效应装置中的每一个连接到所述运算放大器装置中的不同的一个，从而对应于每个相导线的有效已调节电流信号通过所述逆变器控制器接收，除非有所述霍尔效应装置和所述运算放大器装置的多重故障。

2.根据权利要求1所述的电驱动装置，其中所述电机具有三个相，并且其中所述电驱动装置进一步包含：

第三相导线，所述第三相导线被连接在各自的逆变器相桥臂和所述电机的各自的相绕组之间；

第三磁通芯，所述第三磁通芯具有中心通道和间隙，其中所述第三相导线穿过所述第三磁通芯的所述中心通道；以及

第三组电流传感器，所述第三组电流传感器包含第三霍尔效应装置，每个所述第三霍尔效应装置设置在所述第三磁通芯的所述间隙中以生成各自的第三电流信号；

其中所述预定数量是三个，并且其中所述第三霍尔效应装置中的每一个连接到三个运算放大器装置中的不同的一个。

3.根据权利要求1所述的电驱动装置，其中所述逆变器控制器包括预定数量的模拟-数字转换器，并且其中每个运算放大器装置连接所述模拟-数字转换器中的不同的一个。

4.根据权利要求1所述的电驱动装置，其中所述逆变器控制器将对应于每个相导线的所述已调节电流信号进行比较以便检测发生故障的已调节电流信号。

5.根据权利要求1所述的电驱动装置，其中每组霍尔效应装置在电路板上安装成相应的排，并且其中各自的磁通芯和所述电路板安装在壳体中以使所述各自的间隙接收所述相应的排的霍尔效应装置。

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