向感性负载馈电的换向结构中的反向电流的检测方法与流程

本发明涉及向感性负载馈电的换向结构中的反向电流的检测方法。包括至少一个功率开关并且被适配成根据占空比来驱动负载中的电流的换向结构一边连接到电源，并且另一边连接到地，以便控制感性负载。

本发明优选地、但并非限制性地应用于汽车领域。例如，本发明可以实现于包含诸如晶体管h桥之类的换向结构的电子电路中。在汽车工业中，这种电子电路可用于控制如例如电动机的感性负载中的电流的方向和/或强度。

背景技术：

如例如电动机的感性负载的馈电通常使用换向结构，如h形开关桥，这不是对本发明的限制。

如图1所示，作为感性负载1的换向结构2的h桥包括四个功率开关hs1、hs2、hl1和hl2，即在正馈电vps侧的两个“高侧”开关hs1、hs2以及负馈电或接地mas侧的两个“低侧”开关ls1和ls2，正馈电例如是产生正馈电电压的电池组。每个开关通常包括功率mos晶体管。感性负载1通过输出端s1和s2衔接到h桥。

通过换向电路递送到感性负载中的注入电流的量通常由用于控制这四个开关的一系列模拟控制信号来控制，所述模拟控制信号是基于整定控制信号产生的。整定控制信号和模拟控制信号通常是脉宽调制信号，也称为针对英语“pulsewidthmodulation”的首字母缩写词pwm。

借助于这种换向结构，能够在两个方向上驱动感性负载。还可以通过斩波（hachage）来控制感性负载，以操控流过感性负载的电流。

在激活时，感性负载中的这对力产生加速度，该加速度在电动机作为负载的情况下是有角度的，从而引起感性负载的有角度的或线性的运动。在该运动的作用下，感性负载产生与感性负载的角速度或线速度成比例的反电动势。因此，可通过电感、电阻和电压源来对感性负载建模，即与馈电电压相反的反电动势。

感性负载的控制由控制阶段和续流（rouelibre）阶段构成，在控制阶段期间来自电源的电流根据给定的占空比向感性负载馈电，在续流阶段期间来自感性负载的感应电流排向大地。电流的流动方向和在感性负载中递送的电流的量取决于占空比和模拟控制信号的状态的各种组合。

在先前的控制阶段中的高占空比之后的续流阶段期间，在换向结构中易于产生反向电流，从而在感性负载中产生反电动势。

在续流阶段期间，也就是说当电动机的两个端子通过换向结构（例如h桥）连接时，馈电电压不再施加到电动机，并且唯一的电压源是所产生的反电动势。电动机的电感倾向于保持流过它的电流值，但是反电动势倾向于反转电流方向，并且如果其值够高且如果续流时间够长就确实会这样。

在死区时间阶段期间，电流方向相对于预期方向的这种反转在开关结构的二极管中产生电流回流。实际上，在换向结构中，当发生斩波时，避免控制同一侧的换向器，也就是说，再次参考图1，避免同时控制hs1和ls1或者hs2和ls2，相反，经历这两个换向器断开的阶段。这个阶段称为死区时间。图3a和3b再次呈现图1，其中比图1增补了每个换向晶体管的结构的二极管。在死区时间阶段期间，这些二极管为电流提供路径。在死区时间期间，当负载1施加从s1到s2的电流方向时，如图3a所示，输出端s1的电位略微为负，并且输出端s2的电位略高于电位vps。在死区时间期间，当负载1相反地施加从s2到s1的电流方向时，如图3b所示，输出端s2的电位略微为负，并且输出端s1的电位略高于电位vps。因此，当电流在反电动势的作用下反转时，可以预期略微负的电位并获得略高于vps的电位，反之亦然。

在某些诊断中，这种影响可能会造成干扰。因此，驱动软件识别潜在的电流反转情况是有利的。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是检测换向结构中的电流反转，该换向结构旨在在换向结构中的续流阶段期间用直流来驱动感性负载。

为此，本发明涉及一种用于检测向感性负载馈电的换向结构中的反向电流的方法，该换向结构包括至少一个功率开关并且被适配成根据占空比来驱动负载中的电流，该换向结构一边连接到电源，并且另一边连接到地，以便控制感性负载，该方法涉及控制阶段和续流阶段，在控制阶段期间来自电源的电流根据给定的占空比向感性负载馈电，在续流阶段期间来自感性负载的感应电流逐渐降低，在先前的控制阶段中的高占空比之后的续流阶段期间，在换向结构中易于产生反向电流，从而在感性负载中产生反电动势。该方法的特征在于，将在给定时刻的反电动势近似为与作为时间的函数的占空比的积分基本成比例，或者根据估计出的反电动势来计算反向电流，或者建立电流反转判据。

所得到的技术效果是通过使用不严格准确的近似以简单的方式建立反向电流的诊断。所做出的近似是考虑到反电动势类似于占空比随时间的积分。于是可以通过知道反电动势来计算反向电流或建立反转判据，这样做不如计算反向电流来得精确，但更容易实现。

有利地，对照感性负载来检定（étalonner）反电动势的近似，并且定义占空比的积分系数。由于根据本发明的方法是基于近似，因此有利的是修改占空比随时间的积分以使之更加接近反电动势。

有利地，n阶的占空比的积分integ[占空比(n)]由n-1阶的先前占空比的积分integ[占空比(n-1)]和n阶的占空比占空比(n)根据下式来定义，a是积分系数，在0与1之间：

integ[占空比(n)]=a*integ[占空比(n-1)]+(1-a)*占空比(n)

序列integ[占空比(n)]的第一个元素为零，即：

integ[占空比(0)]=0

注意，占空比是有符号的，即，方向对应于符号，并且因此，占空比(n)在-1与+1之间变化。

例如，积分系数a可以等于0.8，并且可以定义占空比积分的时间粒度为5毫秒，并且可以以-50％的占空比开始，持续40ms，然后应用+50%的占空比。

有利地，当建立电流反转判据时，估计占空比的积分曲线上的斜率p的极限，并且根据下式来设置针对时间粒度g的对应于斜率的极限的极限值b：

b=p*g

接下来定义电流反转判据，其跟n阶的占空比的积分integ[占空比(n)]与n-1阶的占空比的积分integ[占空比(n-1)]之间的差有关，并且

当对于正的占空比的积分来说这个差小于-b时，即：

integ[占空比(n)]-integ[占空比(n-1)]<-b

或当对于负的占空比的积分来说这个差大于+b时，即：

integ[占空比(n)]-integ[占空比(n-1)]>+b

估计出电流反转是有效的。

有利地，可根据所选时间粒度并且根据所使用的感性负载以及脉宽调制信号的频率来校准极限b。

有利地，当计算反向电流i时，基于平均电流来进行该计算，平均电流根据下式被表示为估计出的反电动势fcem、测量出的电源电压vps、占空比以及电路电阻r的函数：

i平均=(占空比*vps-fcem)/r。

本发明还涉及一种感性负载及其馈电设备的组件，该馈电设备包括换向结构，该换向结构包括至少一个功率开关并且被关联至控制单元，该控制单元包括用于根据具有脉宽调制的占空比来驱动负载中的电流的驱动装置，换向结构一边连接到电源并且另一边连接到地，其特征在于，该组件实现这种用于检测换向结构中的反向电流的方法，该控制单元包括占空比积分装置、用于根据占空比积分来近似反电动势的装置、用于基于反电动势的近似来计算反向电流的装置或用于根据保持在控制单元的存储装置中的反转判据来检测电流反转的装置，控制单元还包括用于发送电流反转信息的装置。

有利地，换向结构是h桥。

附图说明

在通过参考所附示意性图示给出的以下描述中，本发明的细节和优点将变得更加清楚，在附图中：

-图1是作为换向结构的h桥的透视图的示意表示，根据本发明的反向电流检测方法能够用这种结构来实现，

-图2是包括两组不同曲线的时序图，上面的一组曲线由以下曲线形成：有符号的占空比曲线、警报曲线和占空比的积分曲线，而下面的一组曲线由以下曲线形成：电流强度曲线、反电动势曲线和角位置曲线，在根据本发明的方法中，根据占空比的积分来近似反电动势，

-图3a和3b示出了图1的换向结构的二极管，在死区时间期间、即就在换向之后，负载所施加的电流流过所述二极管，

-图4a和4b示出了可与本发明兼容的另外的换向结构，分别为图4a的半桥和图4b的简单换向结构。

具体实施方式

参考图1和图2，本发明涉及用于检测向感性负载1馈电的换向结构2中的反向电流的方法。感性负载1可以有利地是电动机，更具体地是直流电动机。

已在本申请的介绍部分中描述的图1涉及h桥，其是在本发明的背景下实现的换向结构2的优选但非限制性的实现形式。从现有技术中已知这种h桥。

一般而言，换向结构2包括至少一个功率开关hs1、hs2、ls1、ls2，并且被适配成根据占空比来驱动负载中的电流。换向结构2一边连接到电源，在图1中标记为vps，另一边连接到地mas。

换向结构2使得能够执行感性负载1的控制，该控制包括控制阶段和续流阶段，在控制阶段期间来自电源vps的电流向感性负载1馈电，在续流阶段期间由感性负载1产生电流。电流在控制阶段期间增大并在续流阶段期间减小。平均电流与占空比成比例，占空比对应于控制阶段的持续时间除以周期。

如前文提到的，在先前的占空比之后的续流阶段期间，在换向结构2中易于产生反向电流，从而在感性负载1中产生反电动势fcem。

根据本发明，并且更具体地参考图2，将在给定时刻的反电动势fcem近似为与作为时间t的函数的占空比的积分integ[占空比]基本成比例。然后，根据估计出的反电动势fcem来计算反向电流，或者建立电流反转判据。

图2示出了作为时间t的函数的两组各三条曲线。图2中上面的曲线是：占空比积分的曲线，记为integ[占空比]并且由实线示出；有符号的占空比曲线，即具有占空比方向的指示，符号表示控制方向，记为“有符号的占空比”并用虚线示出。最后，第三条曲线是发送表示潜在反向电流的警报信号的曲线，记为“警报”并用具有星星的曲线示出。

图2中下面的曲线是以安培表示的平均电流的强度i的曲线，由具有方块的曲线示出；以伏特表示的反电动势fcem的曲线，记为fcem并且由具有圆圈的曲线示出。第三条曲线是感性负载1的角位置的曲线，记为“角位置”，并由具有菱形的曲线示出。

在图2中，可以看出，记为integ[占空比]的占空比积分的曲线看起来类似反电动势fcem的曲线。通过选择占空比的积分系数a来进行检定，可以增强两条曲线之间的这种相似性。

然而，这种近似并不准确，实际上也不能将其视为是占空比积分的曲线integ[占空比]与反电动势fcem的曲线之间的相等。考虑到平均电流与占空比和反电动势呈线性相关，这是非常合理的，于是得到了一组等式：

（moyen为平均，rap_cycl为占空比，vitesse为速度，acceleration为加速度）

最终关系产生了微分方程，其中列出了常数α、β、γ、k而不是根据下式的占空比的积分integ[占空比]，其中λ是常数：

因为这假设系数β被抵消，这是不正确的。然而，我们将归结于这种近似，并且检定将使得能够获得令人满意的结果，尽管存在这种数学上的不准确性。

在没有反电动势fcem的情况下，电流i与占空比成比例。反电动势fcem与角速度成比例，角速度由加速度的积分导出。由于加速度与电流i成比例，因此如果反电动势fcem为零，则反电动势fcem将与占空比的积分integ[占空比]成比例，但事实并非如此并且因此限制了近似。

这证明了与占空比的积分integ[占空比]的关系，同时由于反电动势fcem减小了电流i，因此不可能与该积分严格成比例。

这涉及到适配占空比的积分的曲线integ[占空比]，以便产生尽可能类似于反电动势fcem的信号。这可以通过调整积分水平来实现，以最大程度地与反电动势fcem相似。因此，需要首先将仿真模型调整到所考虑的电动机上，然后给积分系数定量。

正是由于这个原因，需要检定和积分系数来校正占空比的积分integ[占空比]的曲线。然而，可以认为该近似足以给出反电动势fcem的有效估计。

在图2中，电流i的曲线穿过零电流的轴，而占空比的方向没有改变，因此有符号的占空比符号相同。这反映了电流i的反转。

在电流i的曲线中间（以时间t的标度作为参考），电流i改变方向但是与有符号的控制占空比的符号的改变一致。在这种情况下，没有相对于预期方向的电流反转。

在本发明的第一优选实施例中，n阶的占空比的积分integ[占空比(n)]由n-1阶的先前占空比的积分integ[占空比(n-1)]和n阶的占空比占空比(n)根据下式来定义，a是积分系数：

integ[占空比(n)]=a*integ[占空比(n-1)]+(1-a)*占空比(n)。

例如，积分系数a可以等于0.8，并且定义占空比积分的时间粒度为5毫秒，并且以-50％的占空比开始，持续40ms，然后应用+50%的占空比。

对于此示例，对于最开始的元素，所得到的序列是：

。

当建立电流反转判据时，可以估计占空比的积分integ[占空比(n)]的曲线上的斜率p，并且可以根据下式来设置针对时间粒度g的该斜率的极限b：

b=p*g。

接下来可以定义电流反转判据，其跟n阶的占空比的积分integ[占空比(n)]与n-1阶的占空比的积分integ[占空比(n-1)]之间的差有关。

当对于正的占空比的积分来说这个差小于-b时，即：

integ[占空比(n)]-integ[占空比(n-1)]<-b

或当对于负的占空比的积分来说这个差大于+b时，即：

integ[占空比(n)]-integ[占空比(n-1)]>+b

估计出电流反转是有效的。

可以根据所选时间粒度并且根据所使用的感性负载以及脉宽调制信号的频率来校准极限b。

在本发明的第二优选实施例中，其中计算反向电流i，基于电流来进行该计算，电流根据下式被表示为估计出的反电动势fcem、测量出的电源电压vps、占空比以及电路电阻r的函数：

i平均=(占空比*vps-fcem)/r。

对于正占空比，通过减去通过校准获得的估计差幅来获得最小电流。

对于负占空比，通过加上通过校准获得的估计差幅来获得最大电流。

当电流在占空比未改变方向的情况下改变方向时，该电流i称为反向电流。当占空比为正时，通过负最小电流来检测该方向改变，或者当占空比为负时，通过正最大电流来检测该方向改变。

该表达式实际上给出了平均电流。当它足够接近0时，在续流结束时可能存在电流方向的反转。为了时刻知晓该电流，有必要执行一个远不那么简单的计算，如下所述。

使用周期，其中t0是周期开始的时间，激活时的电流方程为：

其中ζ是通过将负载的电感除以电路的总电阻而获得的时间常数。

在续流阶段期间，从时间t1=t0+占空比*周期开始，电流方程为：

。

因此，电流在续流阶段结束时在时刻t2处取其最小值。

t2=t0+周期

。

通过在一个周期上对电流进行积分，以数学方式获得平均电流。结果是上面已经给出的表达式：

i平均=(占空比*vps-fcem)/r。

出现了反电动势的值的三种使用方式：

第一种是根据下式来进行精确计算：

第二种是使用下式进行简化计算：

i平均=(占空比*vps-fcem)/r

并且电流差幅对应于平均电流与最小电流之间的估计差值。

第三种是通过比较反电动势的斜率得出的。

后两种方式对于更好的计算简化性来说是有利的。由于反电动势的值取决于负载，因此在任何情况下都需要进行检定，并且检定易于补偿公式中的近似。

参考图1和图2，本发明还涉及感性负载1及其馈电设备的组件，该馈电设备包括换向结构2，该换向结构2包括至少一个功率开关hs1、hs2、ls1、ls2并且被关联至控制单元，该控制单元包括用于根据具有脉宽调制的占空比来驱动负载中的电流的驱动装置。即，本发明涉及h桥、h半桥以及与回流二极管相关的简单换向器。

例如但并非限制性地，图4a和4b示出了可与本发明兼容的另外的换向结构，分别为图4a的半桥和图4b的简单换向结构。

换向结构2一边连接到电源vps，并且另一边连接到地mas。

该组件实现了如上所述的用于检测换向结构2中的反向电流的方法。控制单元包括占空比积分integ[占空比]装置、用于根据占空比积分integ[占空比]来近似反电动势fcem的装置、用于基于反电动势fcem的近似来计算反向电流的装置或用于根据保持在控制单元的存储装置中的反转判据来检测电流反转的装置，控制单元还包括用于根据图2上部记为“警报”的信号来发送电流反转信息的装置。