测量电路的制作方法与工艺

本发明涉及供电动机使用的测量装置和在确定电动机的角度位置时使用测量装置的电动机的驱动装置。它在电力转向系统中具有特定的应用。

背景技术：
电动机已应用于范围广泛的情况。它们在最近二十年获得应用的一个特定的区域是电力转向系统。在这种系统中，电动机被用于向驾驶员提供辅助扭矩。电动机与转向系统连接，并通过驾驶员施加依赖于向转向系统施加的扭矩的扭矩。一般通过使用与转向柱连接的扭矩传感器测量它。为了控制电动机，常常需要获知电动机的位置。也可在转向系统中使用该测量，以确定转向杆的位置，并由此确定负重轮和转向轮的角度。假定在电动机角度与转向轮之间存在固定的关系，那么，一个的位置的知识允许计算另一个的位置。通常通过使用角度位置传感器执行该测量。可以理解，能够在不设置单独的位置传感器的情况下测量电动机位置会是有利的。这会允许无传感器控制，并可能降低系统的成本和复杂性。WO/2004/023639公开了使用用于测量电动机相中的电感并从测量的电感确定位置的位置感测的算法的三相无刷电动机的驱动系统。为了减少声音噪声，在各PWM周期中的作为添加到PWM模式的导通状态的测试周期中测量电感。试验周期具有零的净电压，并因此不影响电动机的输出，但足够长，以允许电感测量以及对于电流感测使用单个电流传感器。在WO2004/023639中提出用于电气液压功率转向系统的简单的位置测量电路，该位置测量电路包含跨着接地线中的分路电阻器620直接连接以测量相中的电流变化率di/dt并从其确定相位电感和位置的差动放大器610。放大器将放大电阻器两端的电压，并且必须具有高的动态范围以适应试验脉冲开始时的电压的大的变化以及试验脉冲内的电压的小的变化。对于高精度放大器高动态范围放大器的需要增加申请人现在实现的成本，这是不希望的。在附图中的图1中可以看出这一点。在申请人的后面的申请WO2008/139718中，使用采样和保持电路以去除DC偏移，但这种方案也必然是复杂的。

技术实现要素：
根据第一方面，提供一种被配置为产生用于电动机的电动机控制策略中的信号的电动机电路中的测量电路，该测量电路包括：产生表示在连接电动机的相与接地或共用正电源电压的di/dt路径中流动的电流的输出信号的第一电流感测装置，并且，其特征在于，还包括：产生指示在接地线中流动的电流的变化率的输出信号的第二电流感测装置，并且，第二电流感测装置包含Rogowski线圈。申请人已理解，通过在di/dt路径（连接所有的相与接地点或正共用电源的共用线）中一起使用第一电流感测装置和Rogowski线圈以提供需要的电流和变化率信息，可解决在现有技术中存在的问题。迄今为止，导出该信息的所有尝试均通过使用单个感测装置或者通过使用电流分路电阻器。在想到可以使用两个器件之后，申请人想到，如果其中的一个是Rogowski线圈从而使得两个传感器的使用是经济可行的，那么能够使得到的需要的处理电路简化。通过设置Rogowski线圈，可以在不需要来自第一感测装置的信号的复杂的处理的情况下获得电流变化率的简单的直接测量值。由于Rogowski线圈的输出不需要被积分以得到电流测量值，原因是它是从第一电流感测装置获得的，因此，它可被优化，使得在期望的变化率值范围上实现输出的大的摆动。第一电流感测装置和第二电流感测装置的输出可被馈送到电动机控制电路的各输入。第一电流感测装置可包含在接地线中串联连接的电流分路电阻器和产生和输出指示分路电阻器的两端电压降的信号的电路。第一和第二电流感测装置被配置为与接地路径串联。可以设置积分来自Rogowski线圈的输出信号以提供指示在接地线中流动的电流的另一信号的积分器。可以设置比较它与来自第一感测装置的AC电流测量值的比较装置，并且可以设置在它们相差明显的量的事件中标记错误的装置。因此，线圈的输出可被用于检查第一感测装置的输出的完整性。当第一和第二感测装置相互串联时，这是特别方便的。Rogowski线圈可包含环绕路径的导线的螺旋线圈，使得线圈的一端通过线圈的中心绕回到另一端，线圈的输出是跨着线圈的两端测量的电压。当然，它可具有其它的形式。例如，线圈可缠绕到包围路径的模子上，或者，可在印刷电路板（PCB）上铺设为轨道。Rogowski线圈的输出电压Vout由下式描述：Vout=ANdi/dt这里，A是依赖于线圈的尺寸和形状的常数，并且，不管它们是否处于自由空间，N都是匝数，并且，di/dt是通过线圈的接地线中的电流的变化率。线圈可以例如在气芯环形模子上具有250～100匝。为了在基本上为50毫伏的完整电动机转数上提供全尺寸输出电压，模子可具有单件或分离的芯部。根据第二方面，本发明提供一种位于多相电动机的接地线中的Rogowski线圈，该线圈提供指示电动机的使用过程的接地线中的电流变化率的输出信号，该输出信号被馈送到电动机控制器。电动机控制器可适于从来自Rogowski线圈的输出信号估计电动机的电感，并且再从电感的估计值估计电动机的位置。本发明可与各种电动机控制策略一起使用，但是，当用于控制根据WO/2004/023639的教导的电动机时，是特别有利的，在此加入它作为参考。因此，控制策略可形成使用测量电动机相中的电感并从测量的电感确定位置的位置感测的算法的三相无刷电动机的驱动系统的一部分。为了减少声音噪声，在各PWM周期中的作为添加到PWM模式的导通状态的测试周期中测量电感。试验周期具有零的净电压，并因此不影响电动机的输出，但足够长，以允许电感测量以及从共用接地线获得测量值。附图说明现在，参照附图以示例的方式描述本发明的一个实施例，其中，图1是根据本发明的电动机及其相关的包含电流测量电路的驱动和控制电路的一般示意图；图2是图1的电动机的电动机控制和驱动电路的更详细的示意图；图3是表示电动机柱的电动机的示图；图4表示电动机电感如何随电动机位置改变；图5示出电动机的操作中的随时间在PWM电动机中流动的典型的电流；和图6是可用于标记电动机中的电流的测量的电势误差的支电路的示意图。具体实施方式本发明可与各种应用中的电动机一起使用，但是，以下描述用于转向系统中的电动机的例子。转向系统包括被配置为左右移动以控制车辆的前轮的角度的转向齿条。齿条通过转向轴与转向轮连接，转向轮可通过驾驶员转向，以导致齿条移动。为了帮助驾驶员进行车轮转向，电动机通过齿轮箱与轴（或齿条）连接。这通常被称为电力辅助系统。在替代方案中，可通过以已知的方式将液压回路和可动汽缸内的双边活塞连接到齿条，以液压的方式提供功率辅助。通过使用由电动机驱动的泵，以已知的方式围绕着液压回路抽吸液压流体。因此，电动机是辅助用主动力源。它被称为电气液压功率辅助转向系统。参照图3，电动机包括包含转子的三相电气换向正弦AC无刷永磁同步电动机，该转子例如具有安装在其上面的六个磁体，这些磁体在本实例中被配置为提供围绕电动机在南北之间交替的六个柱。在本例子中，静子包括九个具有三个三齿组的九槽铜缠绕元件，每个齿组具有形成各相的共用的绕组。因此，电动机在转子的每个整转上通过三个完整的电气循环。电动机10由处于三个部分中的控制单元100控制，其中，第一部分确定电动机位置，第二部分产生用于适于电动机的PWM信号。在附图的图1中示出电动机与与其相关的各种电路部件之间的关系。控制单元100接收来自车辆速度传感器（未示出）的随车辆速度改变的输入信号和随转向速度改变的来自转向速度传感器的信号。它也可或者替代性地接收随驾驶员需要的扭矩改变的输入信号，该输入信号可从与转向轴相关的扭矩传感器获得。对于液压系统，电动机的速度一般被配置为随转向速度增加并且随车辆速度减小。在电动机在没有液压的情况下直接与转向柱或齿条连接的情况下，控制单元控制由电动机输出的扭矩而不是其速度。在附图的图2中更详细地表示电动机驱动电路30。以星状网络连接一般表示为A、B和C的三个电动机绕组。可以使用Δ网络。各相绕组的一端与各端子32、32、33连接，并且，三个绕组的另一端连在一起以形成星中点。设置包含三相桥的驱动电路30。桥的每个相包括包含顶部开关晶体管（Q1、Q3、Q5）的顶部臂和包含底部开关晶体管（Q2、Q4、Q6）的底部臂。顶部臂和底部臂连在各相绕组的一端，各顶部臂的另一端一起与具有12伏特的供给轨连接。底部臂的另一端一起与接地的接地线连接。因此，桥的各相包含顶部开关和底部开关，使得相绕组在两个开关之间流出。开关根据从PWM控制段60提供的信号在由驱动电路控制的模式中接通和关断，以提供向绕组中的每一个施加的电势差的脉冲宽度调制（PWM），并由此提供流过电动机的电流。这又控制磁场的强度和取向，并由此控制电动机的扭矩和速度。在各相上的开关，事实上，在PWM的状态的各变化中，电流根据该给定PWM配置的三相电流的代数和在DC链接（在任意时间流动的电流具有等于所有流过电动机的电流的总和的值的di/dt路径）中迅速地上升。在实际中，随着电动机旋转，由于相电感的变化，将出现DC电平的小的变化。任选地，在PWM模式内，可向电动机施加试验脉冲。该试验脉冲的目的是提供已知的电流在电动机的一个相内流动（不向其它的相施加电流）的时间周期。然后可确定这一点，或者，更正确地，可测量该电流的变化率，以用于确定电动机位置。该试验脉冲应保持尽可能地短，从而允许在单个电动机转数内施加这种短试验脉冲。在实际中，不需要施加实际的试验脉冲－系统简单地被配置为在PWM模式与试验脉冲所需要的模式对应时在适当的窗口时间中执行试验，PWM策略被选择，使得这些试验窗户固有地作为PWM策略的一部分出现。控制单元需要获知电动机位置，以确保由PWM控制段60产生正确的PWM模式。可从与电动机相关的位置传感器确定这一点，但是，在本例子中，通过估计任何给定时间的电动机的电感确定它。由于它随电动机位置改变，因此，它可被用于在不需要设置位置传感器的情况下估计位置。特定地，在本例子中，通过确定在接地线中流动的电流的变化率，获得电感测量值。在例如用于电气液压（EPHS）系统的WO2004/023639中教导该控制方法，但是，本发明也同样适用于全电气（EPAS）系统。从图3可以理解，由于静子铁芯与转子后铁芯之间的空气间隙随位置改变，因此转子2的电感随电气位置改变，从而导致静子通量磁阻随转子位置变化。在图4中在两转的过程中表示三个相A、B、C中的一个的电感的变化，很清楚表示电感值的周期性本质。其它的相表现它们的自身的唯一的变化。控制单元100利用这一点，使得从电动机电感的估计值导出位置的估计，这些估计自身是在PWM模式中的适当的试验窗口中从电动机的电流的测量值得到的。控制单元也需要在电动机中流动的绝对电流，并且，从包括在电动机的接地线35中串联设置的电流分路电阻器的第一电流感测装置200获得它。该电阻器两端的电压降由于随电流改变而被测量，并且，假定电阻器的值是已知的，那么可很容易地确定电流。为了测量绕组中的每一个中的电流，必须在向绕组的各端子施加的电压已知（并由此特定的相的导通状态已知）的PWM周期内在精确的瞬时上采样总电流。第二电流感测装置300与电流分路电阻器串联。它包括缠绕在接地线周围的导线的螺旋线圈，使得线圈的一端往回穿过用于形成Rogowski线圈的线圈。已知在线圈的两端测量的输出信号提供缠绕它的接地线中的电流的变化率的测量值。该线中的电流指示一般流过电动机的di/dt路径的电流。这两个线被馈送到放大器310。第二传感器300被用于测量相的电感。WO2004/023639又提供可如何使用di/dt信号以确定电感的教导。在该本例子中，变化率信号被馈送到比较级70，该比较级70比较它与存储的电感信息40，以导出估计的位置信号50。也可设置积分Rogowski线圈的输出并提供指示在接地线中流动的电流的信号作为其输出的积分器400。在附图的图6中表示这一点。该导出的电流信号通过使用比较器500与从分路电阻器电路输出的信号比较。如果从积分器和电流分路电路估计的电流流动不同，那么比较器的输出导致出现错误标记600。