CN104655919B - 一种单磁芯准数字式直流大电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单磁芯准数字式直流大电流传感器，由RL多谐振荡器(A2)，稳压管桥式限幅电路(B2)，波形整形电路(C2)和数字占空比检测电路(D2)构成。本发明提供的直流电流传感器的优点是量程大，成本低，线性度好，具有准数字输出且与数字系统连接时不需要低通滤波器和A/D转换器。

Description

一种单磁芯准数字式直流大电流传感器

技术领域

本发明属于直流大电流测量领域，尤其涉及一种单磁芯准数字式直流大电流传感器。

背景技术

直流大电流测量广泛应用于电气或电子设备中用于能量管理、反馈控制或监控保护。目前能够实现直流大电流测量的方法有多种，已经实现产品化的主要包括分流器法、霍尔效应法、各向异性磁阻效应法、巨磁阻效应法、磁通门效应法和法拉第磁光效应法。利用这些方法制成的电流传感器各具特色，广泛应用于各领域中。但是这些传统传感器的输出均为模拟量，即电流量或电压量，当传感器需要与数字系统连接时，必须对传感器输出的模拟量进行A/D转换。A/D转换器的加入在增加成本的同时会造成电路结构复杂，可靠性降低，最重要的是可能会引入额外的测量误差。

解决该问题的一个办法是研制准数字式直流电流传感器。目前，国内外已有通过测量压电陶瓷悬臂梁的谐振频率进行直流电流测量的文献报道，但由于测量原理所限，这些方法只能测量毫安量级的小电流，测量精度差且仅停留在实验室阶段。因此，有必要研究新的可用于直流大电流测量的准数字式直流电流测量方法。

一种可能的解决方案是采用由非线性互感器和电压比较器构成的RL多谐振荡器。图1所示为已有的应用RL多谐振荡器原理的直流电流传感器原理框图，主要构成包括由非线性互感器T和电压比较器CMP组成的RL多谐振荡器A1、稳压管限幅电路B1、有源或无源低通滤波器C1。这种传感器的基本原理是根据非线性互感器副边绕组W_S的激磁电流i_ex与原边被测电流I_P之间的线性关系进行测量。但该传感器的输出仍为模拟量，当需要与数字系统E1连接时，需要增加A/D转换器D1进行模数转换。此外，该电路也不适合大电流测量，原因是大电流测量时需要磁芯C_T深度饱和，被测电流越大，磁芯所需的励磁电流也越大，在这种情况下励磁电流的波形呈尖峰状，导致滤波电路设计难度增大，成本增加，甚至可能会引入新的测量误差。

发明内容

本发明提供一种应用低成本数字电路(如单片机、ARM、DSP或FPGA)，通过测量由非线性互感器和比较器构成的RL多谐振荡器的激磁电压的占空比进行直流大电流测量的准数字式新型电流传感器，基本原理如图2所示。

该传感器主要由RL多谐振荡器电路A2、稳压管桥式限幅电路B2、波形整形电路C2和数字占空比检测电路D2四部分构成。其中，RL多谐振荡器由非线性互感器T、电压比较器CMP及其外围无源元件采样电阻R_S、比较器门限电压设置电阻R₁和R₂构成。非线性互感器由具有高磁导率的镯环形磁芯C_T和副边绕组W_S构成，其原边绕组W_P通常为单匝穿心导线，使用时与被测系统连接。R_C为副边绕组的内阻，当R_S取值较小时(大电流测量时通常如此)R_C对电路的影响不可忽略。电阻R₁和R₂用于设置电压比较器的门限电压v_th，而电阻R_S用于将互感器副边激磁电流i_ex转换为电压v_s用于和门限电压v_th相比较。互感器副边绕组匝数、采样电阻和门限电压设置电阻的取值需要根据最大被测电流、磁芯饱和电流以及副边绕组激磁电压V_ex的大小进行设计。正常工作时，该电路构成自激振荡器。假设非线性互感器T的副边绕组W_S的激磁电压V_ex正负对称，当原边被测电流I_P为零时，由于磁芯磁化曲线的对称性，磁芯达到正向和反向饱和所需的时间相等，因此激磁电压V_ex的占空比为50％；当原边被测电流I_P为正时(电流方向如图2所示)，磁芯C_T中将产生恒定磁通，该恒定磁通在激磁电压V_ex为正时(方向如图1所示)阻碍磁芯正向饱和，而在激磁电压V_ex为负时帮助磁芯负向饱和，由于磁芯磁化曲线的高度非线性，磁芯达到正向饱和所需的时间将大于达到负向饱和所需的时间，从而使得激磁电压V_ex的占空比大于50％；当原边被测电流I_P为负时，情况正好相反，激磁电压V_ex的占空比小于50％。因此，通过测量激磁电压V_ex的占空比可以判断原边电流的有无和方向。此外，激磁电压V_ex的占空比与原边被测电流存在线性关系，该线性关系可用一个简单的一次方程进行描述。

但是，该RL多谐振荡器A2对激磁电压V_ex的对称性要求严格。激磁电压V_ex的对称性越差，传感器的零点偏差也越大。解决该问题的方法是应用如图2所示的稳压管桥式限幅电路B2。这样，RL多谐振荡器A2激磁电压V_ex的对称性由限幅电路的输出电压的对称性决定。同时，正负对称的激磁电压信号在限幅电路的某一节点变成正负不对称的脉冲信号V_B，该脉冲信号经过一个由高速MOSFET开关管和齐纳稳压管构成的简单波形整形电路C2后即可变为可由数字占空比检测器D2直接进行测量的正脉冲信号，其中数字占空比检测器可由单片机、ARM、DSP或FPGA处理器中的一种构成。

实际中，除了可应用占空比-被测电流的理论方程外还可以应用占空比-被测电流的实验拟合方程。具体做法是将已知电流和其对应的占空比应用最小二乘法进行拟合，然后将拟合方程写入占空比检测器D2进行占空比和电流的换算。实验证明，由占空比-被测电流理论方程和一阶拟合方程构成的传感器的线性度满量程内优于3％。提高线性度的方法是应用本发明提供的最小二乘多项式拟合法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，以下将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，以下描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它实施例及其附图。

图1是现有的单磁芯RL多谐振荡器直流电流传感器原理框图；

图2是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器原理框图；

图3是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器具体实施例的电路图；

图4是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的线性度与多项式拟合阶数的关系图；

图5是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的占空比-被测电流线性关系的实验结果；

图6是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器应用理论方程、一阶拟合方程和五阶拟合方程的线性度对比实验结果。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

图2是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的原理框图，与图1所示现有技术比较，本发明除了电路结构上不需要现有技术中的低通滤波器和A/D转换器外，检测原理与现有方法相比完全不同。基本原理是，由单个高磁导率磁芯(C_T)构成非线性互感器(T)，互感器的副边绕组(W_S)与电压比较器(CMP)构成多谐振荡器；当非线性互感器原边电流(I_P)为零时，其副边绕组激磁电压(V_ex)的占空比为50％；当原边电流不为零时，副边绕组激磁电压的占空比发生变化(大于或小于50％)，此时占空比的大小取决于原边电流的大小和方向且与原边电流呈近似线性关系；该激磁电压(正负脉冲信号)经过稳压管桥式限幅电路、波形整形电路后变为可供数字占空比检测电路(如单片机、ARM、DSP或FPGA)直接检测的正脉冲信号(V_C)，通过检测该脉冲信号的占空比即可判断原边电流的大小和方向。即图1所示现有方法是通过检测副边绕组的激磁电流i_ex的平均值来判断原边电流I_P的大小和方向，而本发明是通过检测副边绕组的激磁电压V_ex的占空比来判断原边电流的大小和方向。

本发明提供了一种单磁芯准数字式直流大电流传感器，由RL多谐振荡器A2，稳压管桥式限幅电路B2，波形整形电路C2和数字占空比检测电路D2构成。

图3是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的一个具体实施例的电路图；其中RL多谐振荡器A3由非线性互感器T、电压比较器CMP、电流缓冲器Buffer、采样电阻R_S和门限电压设置电阻R₁、R₂构成。RL多谐振荡器A3的具体连接方式为：非线性互感器T的副边绕组W_S的同名端接电流缓冲器Buffer的输出端，副边绕组W_S的非同名端接电压比较器CMP的反相端“-”和采样电阻R_S，R_S的另一端接地。阈值电压设置电阻R₁和R₂的公共端接电压比较器CMP的同相端“+”，而电阻R₁的另一端接地，R₂的另一端接电流缓冲器CMP的输出端。电压比较器CMP的输出端与限流电阻R₃相连，R₃的另一端接电流缓冲器Buffer的输入端。

非线性互感器T的环形磁芯C_T由具有高磁导率、低饱和磁通密度、低剩磁、低矫顽力和高非线性特点的材料制成。互感器的副边绕组W_S匝数为1000匝，用于降低磁芯的饱和电流和激磁电流i_ex。电压比较器CMP采用具有低噪声、低失调和高压摆率的精密高速运算放大器，其输出接电流缓冲器Buffer用于提高电路的带载能力。电流缓冲器由宽带音频功率放大器构成，其中加入了校正电路用于防止由于感性负载引起的自激振荡。采样电阻R_S为一个功率为10W阻值为6.4Ω的功率电阻，门限电压设置电阻R₁和R₂为精度为0.1％的金属膜电阻，其值分别为24.9kΩ和29.4kΩ。

电压比较器CMP和电流缓冲器Buffer之间的电阻R₃为稳压管桥式限幅电路B3的限流电阻。稳压管桥式限幅电路B3由四个高速开关二极管D₁-D₄和一个精密齐纳二极管D₅构成，其输出电压的对称性主要取决于开关二极管D₂、D₃和D₁、D₄导通压降的一致性。稳压管桥式限幅电路B3的具体连接方式为：D₁的负极接D₂的正极，D₂的负极接D₄的负极，D₄的正极接D₃的负极，D₃的正极接D₁的正极，D₁和D₃的公共端接D₅的正极，D₅的负极接D₂和D₄的公共端，D₁和D₂的公共端接R₃和Buffer的公共端，D₃和D₄的公共端接地。在二极管D₂、D₄和D₅的连接点处激磁电压V_ex(该实施例为V_A，由于电流缓冲器仅放大电流而不改变电压，因而V_A与V_ex的波形一致)由正负对称的脉冲波变为如图3所示的正高负低的脉冲波V_B，其后接入波形整形电路C3。

波形整形电路C3由高速MOSFET开关管Q₁、3.3V齐纳二极管D₆、限流电阻R₄和工作状态指示灯LED构成。波形整形电路C3的具体连接方式为：MOSFET开关管Q₁的栅极接D₂、D₄和D₅的公共端，Q₁的源极接D₆的负极，D₆的正极接地，Q₁的漏极接限流电阻R₄，R₄的另一端接LED的负极，LED的正极接正电源V_CC。该电路的工作原理为：当V_B为正时Q₁导通，D₆上的电压为3.3V；当V_B为负时Q₁截止，D₆上的电压为0。该波形整形器的性能取决于开关管Q₁的导通和截止速度。经过波形整形器C3后的输出V_C变为3.3V正向脉冲波，可由数字占空比检测器D3直接测量。

数字占空比检测器D3由低成本、高速C8051F340单片机构成，其可编程计数器阵列(PCA)的边沿捕获功能用于脉冲周期和脉冲脉宽的测量。其中脉冲周期由PCA模块0的正边沿捕获功能进行测量，脉冲宽度由PCA模块1的正、负边沿捕获功能进行测量。占空比由同一脉冲的脉冲宽度和脉冲周期的比值决定，其值作为占空比-被测电流关系方程的变量由软件进行计算，得出的电流值通过RS232串口E3由计算机进行采集。为了提高测量精度和传感器的分辨率，单片机的PCA模块选择C8051F340的系统时钟(48MHz)作为捕获的时间基准。

图4是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的线性度与多项式拟合阶数的关系图。从图中可以看出，采用三阶以上的多项式拟合可以将线性度提高将近一个量级。但是，高于三阶的多项式拟合对进一步提高线性度的效果不明显。

图5是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器的输出占空比与被测电流的线性关系的实验结果。可以看出，在大约±750A的电流范围内，占空比与电流呈线性关系。其一阶拟合的相关系数为0.999914，而五阶拟合的相关系数可以提高到0.999992，该结果也说明通过多项式拟合的方法可以提高传感器的线性度。

图6是本发明的单磁芯准数字式直流大电流传感器应用理论方程、一阶拟合方程和五阶拟合方程的线性度对比实验结果。其中，

理论方程为：y＝1826.002985x-913.001492；

一阶拟合方程为：y＝1845.723181x-919.587728；

五阶拟合方程为：y＝1443.752463x⁵-3163.693136x⁴+2168.973173x³-340.663076x²+1727.141217x-894.434767。

各方程中x代表测得的占空比，y代表计算得到的电流值。

从图中可以看出，应用理论方程和一阶拟合方程的传感器的线性度相对较差，采用五阶拟合方程后线性度可以提高近一个数量级。此外，实验结果还表明应用实验拟合方程可以降低由于硬件电路不对称造成的非线性误差，缺点是工作量相对较大。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种单磁芯准数字式直流大电流传感器，其特征在于，该传感器由RL多谐振荡器电路、稳压管桥式限幅电路、波形整形电路和数字占空比检测电路构成；

RL多谐振荡器由非线性互感器T、电压比较器CMP、电流缓冲器Buffer、采样电阻RS和门限电压设置电阻R1、R2构成；RL多谐振荡器的具体连接方式为：非线性互感器T的副边绕组WS的同名端接电流缓冲器Buffer的输出端，副边绕组WS的非同名端接电压比较器CMP的反相端“-”和采样电阻RS，RS的另一端接地；阈值电压设置电阻R1和R2的公共端接电压比较器CMP的同相端“+”，而电阻R1的另一端接地，R2的另一端接电流缓冲器CMP的输出端；电压比较器CMP的输出端与限流电阻R3相连，R3的另一端接电流缓冲器Buffer的输入端。

2.根据权利要求1所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述稳压管桥式限幅电路由四只开关二极管和一只齐纳二极管构成。

3.根据权利要求1所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述波形整形电路由N沟道增强型MOSFET开关管、齐纳二极管、限流电阻和工作指示灯LED构成。

4.根据权利要求1所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述数字占空比检测电路由单片机、ARM、DSP或FPGA构成。

5.根据权利要求2所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，其所述RL多谐振荡器的电压比较器的输出或者电流缓冲器的输出作为所述稳压管桥式限幅电路的输入。

6.根据权利要求2所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述稳压管桥式限幅电路的输出在齐纳稳压管的正极所连电路节点处。

7.根据权利要求6所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述波形整形电路的输入为所述稳压管桥式限幅电路的输出，所述波形整形电路的输入端为N沟道MOSFET开关管的栅极，输出为MOSFET管的源极和齐纳管的正极电路节点处。

8.根据权利要求4所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述数字占空比检测电路可由单片机、ARM、DSP或FPGA的输入捕获功能实现。

9.根据权利要求4所述的单磁芯准数字式直流大电流传感器，所述数字占空比检测电路的占空比与被测电流关系方程为理论方程或实验拟合方程，其中拟合方程为线性拟合方程或多项式拟合方程。