CN102472779A - 混合模式磁通门电流换能器 - Google Patents

Abstract

电流换能器，包括用于测量初级导体(2)中流动的初级电流I_P的测量电路(6)和电感器(4)，所述电感器包括由高磁导材料制作的可饱和磁芯(10)以及用于承载被配置为使所述磁芯交变地饱和的交变励磁i的次级线圈(12)，所述线圈被连接到所述测量电路。所述测量电路被配置为对于小电流振幅测量所述次级线圈中励磁电流的平均值并从其确定所述初级电流的数值，所述测量电路进一步被配置为对于大电流估计所述励磁电流i的频率并从其确定所述初级电流的数值。

Description

混合模式磁通门电流换能器

技术领域

本发明涉及电流换能器，尤其是磁通门类型的。

背景技术

常规的磁通门电流换能器典型情况下包括经受着磁通门励磁线圈的交变磁场的高磁导率软磁性材料的磁芯。励磁线圈的交变磁场以交变方式使磁芯饱和。磁场，例如由初级导体中流动的电流产生的外磁场存在时，软磁芯的饱和特性变为(显然，从次级侧所见)不对称并在驱动磁通门线圈的电路中产生对应的信号。结果信号与外磁场的振幅相关。在闭环电流换能器中，这个信号在反馈回路中被用于驱动被配置为抵消由初级电流联接引起的磁场效应的磁路上的次级线圈。闭环磁通门换能器的主要优点是它们的测量稳定性和准确地测量小振幅电流的能力以及动态范围大。不过，这样的换能器构建成本相对昂贵，所以并非最适于一般的成本敏感的电流测量应用。

一定的应用要求以有限成本测量大范围的电流。要求准确地测量小振幅电流和大测量范围的应用实例是电池监视。电池监视可以包括测量电池系统的不同参数，温度、电压、阻抗和电流，以便估计电池的状态(电量、健全)[2]。往往需要监视由几百模块组成的复杂系统，如工业UPS、电信系统或电池存储器系统。涉及电池监视应用的困难之一是电流测量，其中测量范围(DC)典型情况下可能从10mA升到1000A变化。当今可用的低成本电流换能器不太适应对小振幅电流具有足够的准确度同时支持非常大的测量范围的工作，该非常大的测量范围可以从几毫安的涓流充电(浮动)电流到几百安培的电池放电和再充电电流。

某些电动机、发电机和其他电力驱动器还可能要求在非常大范围上测量电流，用于准确而可靠地控制驱动器或发电机。

发明内容

在本发明的目标是提供准确地测量小电流又具有大测量范围的电流换能器。

有利地，提供生产成本低的电流换能器。

有利地，提供准确且生产成本低的用于电池监视的电流换能器。

有利地，提供容易实施的电流换能器。

有利地，提供紧凑而可靠的电流换能器。

本发明的若干目标已经实现了，方式为提供根据权利要求1的混合模式磁通门换能器和根据权利要求10的电流测量方法。

本文公开的磁通门电流换能器包括用于测量初级导体中流动的初级电流I_P的测量电路和电感器，所述电感器包括由高磁导材料制作的可饱和磁芯以及连接到所述测量电路的自振荡电路的次级线圈，所述次级线圈用于施加被配置为使所述磁芯交变地饱和的交变励磁电流i。估计电路被配置为对于小电流振幅测量所述励磁电流i的均值并从其确定所述初级电流的数值，所述估计电路进一步被配置为对于大电流测量所述励磁电流i的频率并从其确定所述初级电流的数值。

所述电流换能器优选情况下具有的测量电路包括双极型DC电压源V_C、将这个电压源交替地以一个或另一个极性连接到所述可饱和电感器的装置、检测流过影响所述连接装置的电感器的电流阈值的装置、测量这个电流的均(平均)值的电路、测量振荡频率的电路、将这些测量值线性化并结合的装置以及传送所述初级电流的计算值的输出电路。将所述电压源连接到所述可饱和电感器和所述电流阈值检测器的装置可以是比较器电路。所述平均值测量电路可以包括低通滤波器和模数转换器。测量所述振荡频率的电路可以被配置为通过在电压连接装置的切换周期期间对已知频率的周期计数而执行频率测量。使所述信号线性化并结合的装置可以是具有数模转换器和/或数字接口的系统。所述测量电路可以包括电阻R_m以测量所述励磁电流。

所述电流换能器可以进一步包括连接所述测量电路的微处理器，所述微处理器除包括数值处理单元外还包括一个或多个以下模块：模数转换器、电压基准、用于时间(周期)测量的计数器、数模转换器、数字输出。

根据本发明，测量在初级导体中流动的电流的方法包括：

-提供包括具有自振荡励磁电路的测量电路以及电感器的电流换能器，所述电感器包括围绕可饱和磁芯缠绕的次级线圈。

-将励磁电压施加到被配置为交变地使所述磁芯饱和的所述次级线圈。

-对于小初级电流振幅，测量所述励磁电流i的均值，并从其确定所述初级电流的数值，以及

-对于大初级电流振幅，测量驱动所述励磁电流流过所述电感器的所述自振荡电路的频率，并从其确定所述初级电流的数值。

对于在数值i＝0附近的过渡区中的初级电流，可以根据所述励磁电流平均值和所述振荡频率两者计算所述输出值。

根据本发明的、基于“磁通门”类型技术的电流换能器，生产和实施成本低又具有宽广的测量范围，同时提供了足够的准确度。所述换能器使用了由作用于可饱和电感器的初级电流所建立的磁场。在初级电流振幅低时，在所述次级线圈中流动的所述励磁电流的平均值产生趋向抵消由所述初级电流产生的磁场的平均磁场，使得所述交变励磁电流的平均值与所述初级电流的平均值相关。对于大初级电流，在励磁电流方向改变之间所述磁芯没有完全去饱和，使得所述交变励磁电流的平均值不再与所述初级电流相关。对于大初级电流，测量了所述交变励磁电流的励磁频率，其与所述初级电流相关，并且利用了适宜的微控制器，从而对于非常大测量范围上的高低电流级别都有可能准确地估计所述初级电流的数值。

对于小初级电流I_P，根据在所述次级线圈中流动的所述励磁电流的平均值的数值，可以确定所述初级电流值。

优选情况下，对于表示了以下条件的初级电流，采用用于小电流的测量方法：

$\left|\frac{I_P}{N}\right|<i_{s0}$

其中I_P是初级电流，N是所述次级线圈的匝数，而i_s0是在初级电流为0时使所述磁芯饱和的所述励磁电流的振幅。

对于大初级电流，所述初级电流的测量基于对驱动所述次级线圈中所述交变励磁电流i的所述自振荡电路的所述励磁频率的估计。

附图说明

按照权利要求书以及本发明若干实施例的以下详细说明和附图，本发明的进一步目标和优势特征将显而易见，其中：

图1是表明测量参数的电池监视系统的简化展示；

图2展示了根据本发明的实施例的电流换能器的可饱和电感器及其主要参数；

图3是曲线图，展示了作为初级电流的函数，在次级(即励磁)线圈中电流频率变化的测量值；

图4a展示了根据本发明实施例的磁通门电流换能器的仿真模型的电路图，电流源由此被连接到磁通门换能器的等效电路图和电子测量电路；

图4b是根据本发明的用于估计流过磁通门的电流的均值及其振荡频率的示范测量电路的仿真模型的功能框图；

图4c展示了仿真模型的几何和磁性参数以及电子比较器所需要的电压源；

图5a是曲线图，展示了初级电流小时在次级磁通门绕组中流动的电流；

图5b是曲线图，展示了初级电流大时在次级磁通门绕组中流动的电流的切换频率；

图6a是曲线图，展示了电路的两个输出信号与初级电流的关系；

图6b是图6a的放大图；

图6c是图6a的另一幅放大图；

图7展示了根据本发明的电流换能器的测量电路的实施例的电路图。

具体实施方式

参考图1、图2和图7，根据本发明的电流换能器的实施例，用于测量在例如连接到电池1或者其他电气设备或电机的初级导体2中流动的初级电流I_P，该初级电流对应于电池的充电或放电电流，或者电动机的驱动电流。换能器包括连接到测量电路6的电感器4(表示电感L)。电感器包括磁路8以及次级线圈(文本也称励磁线圈)12，磁路8包括由高磁导率材料(软磁性材料)制作的磁芯10，次级线圈12围绕可饱和磁芯的至少一部分缠绕。次级线圈12被连接到供给励磁电流+i、-i通过次级线圈的测量电路6，励磁电流被配置为在一个方向然后在相反的方向交替地使该磁芯饱和。在显示的实施例中，磁芯为闭环的环形形式，具有初级导体延伸经过的中心通路14。

初级导体被显示为直通磁芯中心通路的单一导体，不过，也有可能具有带有围绕可饱和磁芯的一部分的一匝或多匝(绕组)的初级导体。初级导体的一部分可以被集成到电流换能器，并且包括用于连接到要测量的系统的外部初级导体的连接端子。初级导体还可以与换能器分开并插入通过该换能器。磁芯可以有除了圆环形之外的其他形状，例如长方形、正方形、多边形或其他形状。此外，电感器的磁芯还可以形成非闭合磁路，例如为条形或具有气隙的几乎闭合的磁芯的形式。磁芯还可以由不止一部分形成，例如在初级导体周围被装配在一起的两半或两部分。此外，电流换能器也可以包括不具有初级导体延伸通过的中心通路的磁芯，由此初级导体可以被放置在磁芯附近或者围绕磁芯一部分缠绕一匝或多匝。在这些各种配置中，功能原理基本上保持不变，由此次级线圈中的励磁是以交变方向使磁芯饱和的交变电流，并且其中初级电流产生影响磁芯的表观饱和特性(apparent saturationcharacteristic)的磁场。

在本发明中，对于小电流，测量电路测量励磁电流的平均值，其基本上与初级电流的振幅成正比。不过对于大初级电流，不再采用这种测量原理，因为在没有任何次级(励磁)电流的情况下磁芯是饱和的，并且次级电流的平均值不再反映初级电流。对于高电流，测量电路因此采用另一种测量方法，这种方法包括对次级线圈励磁电流的频率进行估计，该频率对应于初级电流的振幅，正如后文更详细的介绍。

有利地，因此单个简单和低成本的换能器能够用于测量非常大的电流范围。

图1和图2展示了具有闭环电流换能器的电池监视系统的参数，其中：

N是次级匝数

I_Fe是平均磁路长度

S_Fe是磁路横截面

i是励磁电流

I_P是(要测量的)初级电流，以及

Φ是磁通量。

这种类型应用中的主要困难是测量电流，因为电流可以在非常大的范围内变化，从几毫安的涓流充电(漂浮)电流到几百安培的电池放电和再充电电流。

图4a显示了连接到磁通门换能器(磁通门模型)的等效电路图和电子测量电路的电流源CS。电流源提供了单调增加的电流，用于仿真适于磁通门振荡频率的大动态范围的形式。磁通门模型包括可饱和感应率L_nonlinear，具有i/√(1+i²)类型的S形函数Ψ(i)(磁链对电流)；恒定感应率L_sat，表示磁芯完全饱和时磁通门的剩余电感；表示磁性材料动态损耗的电阻R_Fe；次级匝数为n(初级匝数为1)的理想变压器T；以及表示次级绕组铜损耗的电阻。

向磁通门馈送次级电流的电子电路是非常简单的自振荡装置，包括电子比较器comp、测量在磁通门绕组中流动的次级电流的电阻R_shunt以及反馈比较器输出电压一部分的分压器(R_fb1、R_fb2)。

这种装置显示的基本行为允许该电路被用作具有宽动态范围的电流换能器。

图4b显示的模块装配估计流过磁通门的电流的均值及其振荡频率。

信号Out_mean和Out_freq提供该信息。

Out_mean被计算为磁通门电流(R_shunt处测量的电压)的每个切换周期上的积分(Int1)，以S/H1采样。

Out_freq被计算为在每个切换周期期间对常数积分(Int2)确定的该切换周期的倒数值(Div)，以S/H2采样。触发器FF和缓冲器buf2在每个切换周期的结尾产生短脉冲，以使取样与保持电路S/H1和S/H2选通以及使积分器复位。

在实际设备中，这些功能可以以电子组件实现，比如运算放大器、电阻器、电容器、模数转换器和具有其固件的微处理器。

图4c简单显示了其中定义示范环形磁通门的几何和磁参数的仿真模型模块以及电子比较器所需要的电压源。

图5a、图5b和图6a至图6c显示出，所述电路可以产生为具有大动态范围的初级电流的图像的信号。

图5a显示了当初级电流小时，在仿真开始处在次级磁通门绕组中流动的电流。在该仿真中的切换频率低于500Hz。当初级电流达到无法以标准方法(均值计算)估计的高值时，频率已经达到了大于100kHz的高值，如图5b所示。

图3显示了作为初级电流的函数，在次级(即励磁)线圈中电流频率变化的测量值，在测试原型中，由此对于超越大约7安培的电流，可见次级线圈的频率随着初级电流的增加而以可以测定的程度改变。在这个实例中，低于过渡点T的初级电流的测量模式从而被配置为低电流测量，而在过渡点之后，测量模式被配置为基于次级电路励磁频率估计的高电流测量。

图6a显示了电路的两个输出信号与初级电流的关系：对于小电流，输出频率保持近乎恒定而电流的均值增加，在初级电流高于10A后，这个均值已经再次下落到非常低的值，在没有更多信息的情况下无法用于确定初级电流，因为这些值不确定并且在小初级电流时同样存在。对于大于约5A的初级电流，借助增加的切换频率，能够解决该不确定性。图6b是图6a的放大图，其中切换频率对于小初级电流保持相对恒定的现象变得明显。图6c是图6a的另一幅放大图，其中显示了频率测量将给出最好结果的电流范围。对于低于约7A的电流，可以使用平均次级电流值和频率的结合估计，对于高于约20A的电流，频率上升变得越来越小，并且测量准确度将受到参数变化的影响，例如由于温度变化。

测量电路

图7展示了根据本发明的换能器实施例的测量电路示意图。要测量的电流是用适当环形磁芯建造的电流变压器的初级电流。次级(测量)电路包括供给磁通门的DC电压源V_C＝12V。图4b的模块被微处理器单元替代，该微处理器单元带有集成的模数转换器和用于计时目的的数字同步输入。对于小初级电流，微处理器单元使用在电阻器R_shunt处存在的(内部低通滤波的)励磁电流信号；对于大初级电流，表示磁通门电路振荡频率的数字输入受到监视。对于在过渡区中的初级电流值，可以使用两种信号的结合。

低初级电流的测量方法

借助于模拟低通滤波器和模数转换，或者通过过采样和随后的数字低通滤波，而确定流过磁通门的次级绕组的电流的均(平均)值。模拟滤波器可以是与磁通门切换周期同步的简单的R-C电路、有源滤波器或者选通积分器电路。数字低通滤波器也可以与切换周期同步。然后将平均值缩放以产生与输入电流成正比的数值。对于初级电流表示了以下条件时，可以使用用于小初级电流的以上测量方法：

$\left|\frac{I_P}{N}\right|<i_{s0}---\left(22\right)$

例如，在测试原型中该条件意味着±7A的(初级电流)测量范围。对于更高的初级电流值，使用不同的测量方法。

高初级电流的测量方法

为了确定磁通门的振荡频率，比较器Comp的输出信号被连接到微处理器的数字输入，需要时经由将信号电平调整为与微处理器兼容的电平的限压网络(未显示)连接。确定磁通门励磁信号的频率的最快方法是在“同步”输入两个上升(或下降)沿之间，对(内部)时钟循环(如微处理器自身的时钟循环)数进行计数。然后可以将已经计数的脉冲数量(许多微处理器提供用于这个目的的内部单元)的倒数值乘以常数以给出以Hz计的频率。该频率是输入电流的函数，然而不是线性函数。因此，应用了对于频率信号近似为图6a中所示函数之逆的函数。计算这样的近似可以例如通过分段线性插值计算，但是许多其他算法已公知。

根据运行范围，产生了输出信号“输出”。该输出信号可以是电学量(电压或电流)，但是也能够使用具有被编码为频率的数值的数字输出、占空比或者任何其他数字接口，如RS-485等。在中间区域，可以根据所述均值和所述频率两者计算所述输出信号。

Claims (14)

1.一种电流换能器，包括用于测量初级导体中流动的初级电流I_P的测量电路和电感器，所述电感器包括由高磁导材料制作的可饱和磁芯以及连接到测量电路的自振荡电路的次级线圈，所述次级线圈用于施加被配置为使所述磁芯交变地饱和的交变励磁电流i，其中，所述测量电路被配置为对于小初级电流振幅测量所述交变励磁电流i的均(平均)值并从其确定所述初级电流的数值，所述测量电路进一步被配置为对于大电流估计所述励磁电流i的频率并从其确定所述初级电流的数值。

2.根据权利要求1的电流换能器，其中，所述测量电路包括双极型DC电压源V_C、将该电压源交替地以一个或另一个极性连接到可饱和电感器的装置、检测流过影响连接装置的电感器的电流阈值的装置、测量该电流的均(平均)值的电路、测量振荡频率的电路、将该测量值线性化并结合的装置以及传送所述初级电流的计算值的输出电路。

3.根据权利要求2的电流换能器，其中，将所述电压源连接到所述可饱和电感器和电流阈值检测器的装置是比较器电路。

4.根据权利要求2或3的电流换能器，其中，所述平均值测量电路包括低通滤波器和模数转换器。

5.根据权利要求2、3或4的电流换能器，其中，测量所述振荡频率的电路被配置为通过在所述电压连接装置的切换周期期间对已知频率的周期计数而执行频率测量。

6.根据权利要求2、3、4或5的电流换能器，其中，使信号线性化并结合的装置是具有数模转换器和/或数字接口的系统。

7.根据任何一个前面的权利要求的电流换能器，其中，所述测量电路包括电阻R_m以测量所述励磁电流。

8.根据任何一个前面的权利要求的电流换能器，其中，所述可饱和磁芯为环形且闭合的。

9.根据任何一个前面的权利要求的电流换能器，进一步包括连接所述测量电路的微处理器，所述微处理器除包括数值处理单元外还包括一个或多个以下模块：模数转换器、电压基准、用于时间(周期)测量的计数器、数模转换器、数字输出。

10.一种测量在初级导体中流动的电流的方法，包括：

-提供包括具有自振荡励磁电路的测量电路以及电感器的电流换能器，所述电感器包括围绕可饱和磁芯缠绕的次级线圈。

-将励磁电压施加到被配置为交变地使所述磁芯饱和的所述次级线圈。

-对于小初级电流振幅，测量交变励磁电流i，并从其确定所述初级电流的数值，以及

-对于大初级电流振幅，测量驱动励磁电流流过所述电感器的自振荡电路的频率，并从其确定所述初级电流的数值。

11.根据前述权利要求的方法，其中，对于小初级电流，所述初级电流的测量基于所述励磁电流平均值的估计。

12.根据权利要求10或11的测量方法，其中，对于表示了以下条件的初级电流，采用用于小电流的测量方法：

$\left|\frac{I_P}{N}\right|<i_{s0}$

其中I_P是初级电流，N是所述次级线圈的匝数，而i_s0是在初级电流为0时饱和励磁电流的数值。

13.根据任何一个前面的权利要求的方法，其中，对于在数值i＝0附近的过渡区中的初级电流，根据所述励磁电流平均值和所述振荡频率两者计算所述输出值。

14.根据权利要求10至13中任何一个的方法，其中，所述换能器具有根据权利要求1至9中任何一个的所述换能器的任何一个或多个特征。

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