CN104220888A - 用于采用霍尔传感器测量电流或磁场的方法和设备 - Google Patents

用于采用霍尔传感器测量电流或磁场的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于利用至少一个通过自旋电流技术工作的霍尔传感器测量电流或磁场的方法和装置。除了用于计算自旋电流测量值(6)的第一样本之外，在所述方法中还从所述霍尔传感器的经数字转换的传感器信号(1)形成第二样本值。在较短时间段(9)上形成第二样本值，并利用由所述自旋电流测量值(6)和所述第一样本值计算出的偏移量对所述第二样本值进行校正。在不需要精细设计的校准或者额外的模拟电路费用的情况下，利用所述方法和相关装置除了获得了所述的精确自旋电流测量值(6)之外，还获得了所述磁场或电流的经快速偏移量校正的测量值(10)。

Description

用于采用霍尔传感器测量电流或磁场的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于利用至少一个以自旋电流技术工作的霍尔传感器的测量电流或磁场的方法和装置，其中，采用模数转换器将来自霍尔传感器的传感器信号转换成数字信号，在第一时间段上针对每一自旋电流相位从所述模数转换器读取所述数字信号并对其进行组合，以获得第一样本，并且将自旋电流周期的各个自旋电流相位的第一样本相加，以形成电流或磁场的自旋电流测量值。
背景技术
电气传动当中的电流测量长久以来一直由分流电阻器占据着主导地位。这些分流电阻器通常易于使用，尺寸小，并且允许进行快速信号分析。但是，如果(例如)在承载电流的导体一定不能或者无法断开连接，或者可能在系统当中发生大到足以使分路损毁或损坏的电流的情况下想要实施电隔离测量就不能采用分流电阻器了。在这些情况下，建议采用基于霍尔传感器的磁测量方法来测量电流。通常采用的霍尔传感器系统是具有用于增强磁通量的可磁化芯的电流转换器模块。因此，在反馈回路系统当中获得了相当高的测量精度和测量带宽。但是，就这一解决方案而言，体积和成本相对较高，因为根据尺寸需要大量的磁活性材料。
为了降低体积和成本，希望采用没有磁芯的磁场传感器。但是采用没有磁芯的霍尔传感器测量电流的主要问题在于存在相对于信号幅值的相对较高的传感器偏移。几乎在每种霍尔传感器系统当中都实施所谓的自旋电流原理来抑制所述偏移。对于每一测量而言，在一个或多个时间上对霍尔元件或霍尔传感器内的工作电流的方向连同信号输出连接(霍尔接触)进行切换。由不同自旋电流相位(通常为两个或四个)内的各测量形成累积值，其偏移量显著低于各相位内的偏移量。但是，由于在各相位之间的切换期间发生的瞬时振荡过程以及所要求的读数的精度，自旋电流原理的使用限制了能够实现的测量频率。
在现代化的电气传动中，采用以时钟控制模式工作的高精确度动态转换器来控制电动机。为了转换器电压和电流的精确度调节，需要对这些参数进行高度精确的低噪声测量。具有用于模数转换的ΔΣ调制器(ΔΣM)的用于电流测量的霍尔传感器系统将理想地适用于这一目的的实现，其前提是它们要与转换器同步工作。在这种情况下，可以对转换器计时器的各个整周期进行积分，从而得到非常精确的读数。所述时钟频率通常处于几kHz到大约20kHz的范围内，这完全处于自旋电流方法的可能范围内。A.Kerlain等人的“Hybrid Hall microsystem for high dynamic range/large bandwidthmagnetometry applications”,IEEE SENSORS 2008 Conference,page 1044 to1047示出了这样的霍尔传感器系统的例子。
但是，在实践当中仍然必须在非常短的间隔内检测短路电流，从而使半导体开关不会因短路而热过载并由此受到损坏或损毁。为了实现这一目的，需要具有10μs的最大持续时间的测量周期。对于根据自旋电流原理工作的当前已知的霍尔传感器系统而言，如果要同时提供用于调节的精确测量，那么这些短测量时间是不切实际的。相对于实际信号检测时间而言，自旋电流相位切换之后的调整时间所占比例将变得如此之大，从而使得信号质量因噪声原因而显著降低。因此，为了获得同时的快速测量，当前需要一种并行的双重系统，但是这将显著增加测量电流的劳动和成本。
本发明的目的在于提出一种用于采用至少一个霍尔传感器测量电流或磁场的方法和设备，其能够以少量的劳动实现对电流或磁场的精确、快速的测量。
发明内容
这一目的是采用根据权利要求1和7所述的方法和设备实现的。所述方法和设备的有利配置形成了从属权利要求的主题，或者能够从下述说明连同示范性实施例中推断出所述方法和设备的有利配置。
在所提出的方法中，所述霍尔效应传感器采用自旋电流技术工作，例如，其具有两个或四个相位。从原理上来讲，能够使所述霍尔传感器以N个相位工作，其中N≥2。在所述方法中，采用模数转换器将来自霍尔传感器的传感器信号转换成数字信号，在第一时间段内针对每一自旋电流相位从所述模数转换器读取所述数字信号并对其进行组合，以获得第一样本。将自旋电流周期的各个自旋电流相位的第一样本加起来，以形成电流或磁场的自旋电流测量值。可以在采用预先放大或者不采用预先放大的情况下将来自霍尔效应传感器的传感器信号或者输出信号馈送至模数转换器。所述方法的特征在于这一事实：在短于所述第一时间段的第二时间段内多次针对每一自旋电流相位组合来自所述模数转换器的数字信号，从而获得具有时间顺序的多个第二样本，并且从针对每一自旋电流相位的自旋电流测量值计算出所述第一样本的偏移量，并在这一偏移量的基础上对所述第二样本进行校正，从而获得电流或磁场的快速偏移量校正测量值。
因此，在所提出的方法当中，将精确、快速的电流和磁场测量结合到了自旋电流过程当中。这意味着，首先，在无需复杂的校准的情况下系统性地消除了霍尔元件的偏移量在温度上的热漂移，其次，还能够以充分的准确度快速地检测到电流过大的情况。因而，与采用自旋电流原理的常规测量相比，电路复杂性没有显著提高。具体而言，不需要在模拟信号电路当中做出任何变化，这对于测量精度是很关键的。
与现有的借助采用自旋电流技术的霍尔传感器测量磁场或电流的方法形成对照的是，在采用文中提出的方法的情况下，在对单相测量值(第一样本)相加以形成自旋电流测量值之后不会将所述单相测量值抛弃，而是将其存储，从而由所述自旋电流测量结果计算出这些第一样本的偏移量。之后基于这一偏移量对所述第二样本进行校准，以获得对应于所述电流或磁场的快速测量值的经偏移量校正的第二样本。这意味着一般而言对偏移量的适当换算(scaling)仍然是有必要的，因为第一和第二样本是在不同的时间段上组合的。所采用的换算因子对应于第二时间段与第一时间段的比值。之后，可以分别针对每一对应的自旋电流相位从第二样本中直接减去这一经换算的偏移量。
采用所提出的还将在下文中描述的方法和设备，自旋电流测量值的精度与以前的单纯根据自旋电流原理工作的方法相比保持不变，并且不受影响。同时，所述方法和设备还提供了电流或磁场的快速测量值，所述值受到了偏移量校正。这一快速测量值的偏移量校正是相对于温度范围或者其他操作条件而系统更新的。所述非常准确并且非常快速的测量值是采用相同传感器和模拟前端同时获得的。不需要任何额外的模拟部件。也不需要对传感器精心校准。
在所述方法的优选配置当中，在自旋电流相位的每次切换之后，通过已知方式，在自旋电流相位的切换和形成第一样本的时间段的开始之间插入等待时间(第一等待时间)，以避免切换过程中引起的调整过程对自旋电流测量的精度造成影响。还通过相同的方式在自旋电流相位的切换和相应的相位的用于形成第二样本值的第二时间段的第一开始之间插入等待时间。可以将这一第二等待时间选择为等于所述第一等待时间。但是，其优选短于所述第一等待时间，从而可获得更加快速地跟随自旋电流相位的切换的的第二样本，所述第二样本不必具有第一样本的高度精度。所述第二等待时间还优选对应于两个相继的第二时间段的每者之间的时间，其中，优选将所述(第二)等待时间和每一自旋电流相位的第二时间段选择为使它们的和恰好与所述自旋电流阶段的长度匹配。这意味着，使用于第二样本的形成的时钟定时(clocking)与霍尔传感器的自旋电流操作的时钟定时同步。
优选地，采用一阶ΔΣ转换器将来自霍尔传感器的传感器信号转换为数字信号，所述一阶ΔΣ转换器的模拟积分器将在自旋电流相位的每一新的测量之前被清空。优选通过第一抽选器(decimator)实施第一时间段上的数字信号的组合，通过第二抽选器实施第二时间段上的数字信号组合。本发明中的组合一般包括求和，有可能连同其他操作，例如，用于形成平均值的操作。
除了通过自旋电流技术工作的霍尔传感器之外，被实现为相应地执行所述方法的设备包括模数转换器、在第一时间段上针对每一自旋电流相位读取来自模数转换器的数字信号并且将其组合以获得第一样本的第一组合器、以及对自旋电流周期的各自旋电流相位的第一样本值求和以形成电流或磁场的自旋电流测量值的加法器。第二组合器在短于第一时间段的第二时间段上多次组合每一自旋电流相位的模数转换器数字信号，以获得具有时间顺序的多个第二样本。校正单元针对每一自旋电流相位由所述自旋电流测量值计算第一样本的偏移量，之后在这一偏移量的基础上校正第二样本值，以获得电流或磁场的经偏移量校正的快速测量值。
如对发明内容的介绍当中简要提到的，能够将所提出的方法和相关设备尤其有利地应用于(例如)电气传动当中的快速电流测量。但是，所述方法和设备当然也可以更一般性地应用于快速磁场测量，例如，采用霍尔效应传感器的无接触位置测量中的快速磁场测量。
附图说明
在下文中将基于结合附图给出的示范性实施例再次更加详细地解释所提出的方法和相关设备。这些附图示出了：
图1采用通过自旋电流技术工作的霍尔传感器的常规磁场测量的评估的例子；
图2根据所提出的方法的评估的例子；
图3根据所提出的方法的评估的第二例子；
图4根据所提出的方法的快速、精确测量的同步的例子。
具体实施方式
图1示出了通过具有四个相位的自旋电流技术以已知方式工作的霍尔传感器的磁场测量的评估的例子。在该图以及下面的附图当中没有示出用于各相位之间的切换的霍尔效应传感器的布线，以及所采用的任何其他模拟部件，例如，常用的用来对霍尔效应传感器的输出信号进行放大的前置放大器以及所需的当前的例子中为ΔΣ调制器的模数转换器。但是，这些部件在采用霍尔传感器的电流或磁场测量领域的现有技术当中是充分已知的，例如，参考在介绍当中援引的A.Kerlain等的公开文献。
在采用或者不采用前置放大器的情况下将这一布置当中的霍尔传感器的输出信号馈送至使所述信号数字化的一阶ΔΣ调制器。在自旋电流相位的每一新的测量之前将ΔΣ调制器的模拟积分器清零。将ΔΣ调制器的数字信号序列1馈送至抽选滤波器2(简单的数字累加器)。在现有技术的方法当中，在前一测量结果已经被所述系统接受之后，在每一自旋电流(SC)周期的开始处对抽选滤波器2(SC-Dec)进行清零。
在SC相位的切换之后，允许经过短时间段3，所述前置放大器需要该时间段进行调整(SC-Wait：不对其求和的时钟脉冲的数量)。之后，再次启用ΔΣ调制器，并且在具有预定数量的系统时钟脉冲的时间段4(SC-Dec-Len：抽选长度，又称为Tap)上在抽选器2内对所述ΔΣ调制器的输出信号序列求和，以形成单相测量值。
在每种情况下，之后在加法器5中对四个单相测量值SCP0-SCP3求和，以形成SC累加值，在本专利申请中又称为自旋电流测量值，其表示与磁场成比例的实际测量结果。在精确测量系统中，之后将不再需要单相测量值SCP0-SCP3，它们将在重新计算以形成最终值之后被抛弃。输出计算出的自旋电流测量值6(Mag：磁场)作为最终结果。
但是，作为对照，在所提出的本方法的情况下将存储单相测量值SCP0-SCP3(就四相自旋电流操作而言)。图2示出了在所提出的方法的一种配置当中所述过程的示意性表示。该图的上部对应于图1所示的SC测量值6的计算。此外，在这里提出的方法当中，由所述SC测量值6和在本专利申请中又被称为第一样本的单相测量值SCP0-SCP3计算出对于这些第一样本而言每一情况下的偏移量，如该图示意性所示。这一操作是通过下述方式执行的：
由所存储的单相测量值
SCP0＝磁场+偏移量SCPhase0
SCP1＝磁场+偏移量SCPhase1
SCP2＝磁场+偏移量SCPhase2
SCP3＝磁场+偏移量SCPhase3
计算出4相测量值，或者自旋电流测量值(磁场)：
SCP0+SCP1+SCP2+SCP3＝4·磁场+OffsetSCPhase0+OffsetSCPhase1+OffsetSCPhase2+OffsetSCPhase3
由于传感器的特性的原因，适用下式：
OffsetSCPhase0+OffsetSCPhase1+OffsetSCPhase2+OffsetSCPhase3＝0
并且因此：
SCP0+SCP1+SCP2+SCP3＝4·磁场
通过第一组方程的适当重新整理
SCP0＝磁场+偏移量SCPhase0＝>OffsetSCPhase0＝磁场-SCP0
SCP1＝磁场+偏移量SCPhase1＝>OffsetSCPhase1＝磁场-SCP1
SCP2＝磁场+偏移量SCPhase2＝>OffsetSCPhase2＝磁场-SCP2
SCP3＝磁场+偏移量SCPhase3＝>OffsetSCPhase3＝磁场-SCP3
这样获得了能够凭借其由单相测量值确定相应的单相偏移量(offsetSCPhaseX)的规则。
之后能够根据当前设置的自旋电流相位从所述快速测量的样本值中减去这些单相偏移量。这一操作可以在测量之后通过明确的减法执行，或者在抽选开始之前通过对抽选滤波器进行适当的预先设置而执行。
在这一情况下由被馈送至第二抽选器7(KS-Dec)的所述ΔΣ调制器的数字信号序列1获得快速测量值。在这一第二抽选器7中，按照与在第一抽选器2中计算第一样本所采取的相同的方式来计算第二样本。优选将SC相位切换之后的等待时间8(KS-Wait：未求和的时钟脉冲的数量)选择为短于用于形成第一样本的第一等待时间3(SC-Wait)。之后，选择在其上对ΔΣ调制器的数字信号求和以形成第二样本的第二时间段9(KC-Dec-Len：抽选长度)，使之短于用于第一样本的形成的第一时间段4(SC-Dec-Len)。根据由SC测量值6计算出的偏移量对所述第二样本予以校正，从而能够输出电流或磁场的快速测量值10作为结果。
所述值的额外校正通常是必需的，因为确切的快速测量的抽选长度(第一和第二时间段)根据是根据其性质而存在差别的。这对测量值的换算存在影响。必须对这些换算的比值进行校正。在有利的情况下，这一操作能够通过测量装置的数字部分中的简单的移位操作实现。但是，一般而言必须将该值乘以一个分数：
由于这一值在操作过程中不发生变化，因而能够按照与KS-Dec-Len和SC-Dec-Len相同的方式将其作为常数传送至所述系统。关于这一点，图3示出了采用测量偏移值的这一根据抽选长度的比值的换算对快速测量值做出的偏移量校正。这里是通过设置偏移换算因子11(OS)实现的这一操作，其中，使由SC测量值6和单相测量值SCP0-SCP3计算出的偏移值与所述因子相乘。之后，从第二样本中对应地减去经适当校正的偏移量12。
如果所述系统中感应额外的磁场，那么必须进行额外的第二校正。例如，通过集成磁场线圈采用恒定电流测量所述测量系统的灵敏度可能就是这种情况。如果使用适当甚至能够在测量磁场或电流的同时执行这一操作，而不会失去测量值。
但是在这种情况下，由于额外感应的磁场而导致的磁场的增大对于系统而言是已知的，能够通过回顾的方式将其从快速测量值中减去。为了能够通过最佳的方式利用两条数字测量路径中的可获得的准确度(快速、准确的测量)，必须对两种测量的等待时间段(等待时间)和抽选长度(第一和第二时间段)加以选择，以满足下式：
SC-Wait+SC-Dec-Len＝(KS-Wait+KS-Dec-Len)*因数
其中，因数＝2、3……N。
例如，可以从DE 10 2006 059421B4中已知偏移中心调整(centring)过程，在采用该过程时，可能必须在运行操作当中对本文中采用的偏移量校正值的控制点进行校正，其中，所述偏移量校正值总是一起应用于两个SC相位。这意味着，即使采用恒定磁场，相应的单相测量值也将发生变化。但是，由于在所述系统中变化的大小是已知的，因而也能够在运行操作中对快速测量值中的这一变化予以校正。
根据所提出的方法，两测量周期还应当同步运行，从而使快速测量的等待时间段(第二等待时间)与慢速测量的等待时间段(第一等待时间)开始于同一时间，因为这正是自旋电流相位之间发生切换的时间。在图4中针对四相操作对此给出了示意性表示。该图指示了切换过程13、第一和第二等待时间3、8以及用于所述快速测量和所述准确测量的第一和第二时间段4、9。所述快速测量的等待时间要比所述准确测量的等待时间短得多。但是，这是允许的，因为预期快速测量值的精度较低。
附图标记列表
1 ΔΣ调制器的数字信号序列
2 第一抽选器(SC-Dec)
3 第一等待时间(SC-Wait)
4 第一时间段(SC-Dec-Len)
5 加法器
6 SC测量值
7 第二抽选器(KS-Dec)
8 第二等待时间(KS-Wait)
9 第二时间段(KS-Dec-Len)
10 快速测量值
11 偏移量换算因子(OS)
12 经校正的偏移量
13 相位之间的切换

Claims (9)

1.一种用于利用至少一个霍尔传感器测量电流或磁场的方法，所述至少一个霍尔传感器通过自旋电流技术工作，其中
-利用模数转换器将来自所述霍尔传感器的传感器信号转换成数字信号(1)，
-在第一时间段(4)上针对每一自旋电流相位读出所述模数转换器的所述数字信号(1)并且对所述数字信号(1)进行组合，以获得第一样本，以及
-对自旋电流周期的各自旋电流相位的所述第一样本求和，以形成所述电流或磁场的自旋电流测量值(6)，
所述方法的特征在于：
-在小于所述第一时间段(4)的相应第二时间段(9)上对每一自旋电流相位的所述模数转换器的所述数字信号(1)多次组合，以获得具有时间顺序的多个第二样本，
-对于每一自旋电流相位，从所述自旋电流测量值(6)计算出所述第一样本的偏移量，并且在这一偏移量的基础上对所述第二样本进行校正，
从而获得所述电流或磁场的经偏移量校正的快速测量值(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
在所述自旋电流相位的每次切换(13)之后，在所述自旋电流相位的所述切换(13)与用于形成所述第一样本的所述第一时间段(4)的开始之间插入第一等待时间(3)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
在所述自旋电流相位的每次切换(13)之后，在所述自旋电流相位的所述切换(13)与用于形成所述第二样本的所述第二时间段(9)的开始之间插入第二等待时间(8)，所述第二等待时间等于所述第一等待时间(3)或者短于所述第二等待时间(3)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于：
利用一阶delta-sigma转换器将来自所述霍尔传感器的所述传感器信号转换成数字信号(1)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于：
在模数转换之前对来自所述霍尔传感器的所述传感器信号进行放大。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于：
在所述第一时间段(4)上通过第一抽选器(2)对所述数字信号(1)进行组合，并且在所述第二时间段(9)上通过第二抽选器(7)对所述数字信号(1)进行组合。
7.一种用于利用至少一个霍尔传感器测量电流或磁场的设备，所述至少一个霍尔传感器通过自旋电流技术工作，其中所述设备至少包括：
-模数转换器，利用所述模数转换器将来自所述霍尔传感器的传感器信号转换成数字信号(1)，
-第一组合器(2)，所述第一组合器(2)在第一时间段(4)上针对每一自旋电流相位读取来自所述模数转化器的所述数字信号并且将所述数字信号进行组合，以获得第一样本，以及
-加法器(5)，所述加法器(5)对自旋电流周期的各自旋电流相位的所述第一样本求和，以形成所述电流或磁场的自旋电流测量值(6)，
所述设备的特征在于：
-第二组合器(7)，所述第二组合器(7)在短于所述第一时间段(4)的相应第二时间段(9)上针对每一自旋电流相位对来自所述模数转换器的所述数字信号(1)进行多次组合，以获得具有时间顺序的多个第二样本，以及
-校正单元，所述校正单元针对每一自旋电流相位从所述自旋电流测量值(6)计算出所述第一样本的偏移量，并且基于这一偏移量对所述第二样本进行校正，从而获得所述电流或磁场的经偏移量校正的快速测量值(10)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：
所述模数转换器是一阶delta-sigma转换器。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于：
所述第一组合器(2)和所述第二组合器(7)中的每一个是抽选器。
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