CN108593999A - 一种零磁通电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零磁通电流传感器，包括磁探头绕组，与磁探头绕组电连接的信号处理电路，与信号处理电路的输出端以及磁探头绕组电连接的补偿电流功率驱动电路，与磁探头绕组电连接的异常监测电路，与信号处理电路电连接的调节开关，与异常监测电路的输出端以及调节开关电连接的负反馈调节电路，负反馈调节电路根据异常监测电路检测获取的磁探头绕组的工作状态控制调节开关的开关状态，进而控制信号处理电路的输出信号反向，进而使得补偿电流反向，使得磁探头绕组的磁芯在被测电流恢复到测量量程范围内时退出饱和状态，进而恢复电流的检测功能，使得零磁通电流传感器恢复正常的工作状态。

Description

一种零磁通电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，本发明还涉及一种零磁通电流传感器。

背景技术

现代工业和电子产品中主要采用磁传感器来测量电流，即通过感应被测电流的磁场强度来测量电流。在现有零磁通电流传感器技术中，使用最多的是以霍尔元件为敏感元件零磁通霍尔电流传感器。由于霍尔电流传感器的灵敏度、线性度和温度特性受到霍尔元件和电子元器件的性能限制，即使经过补偿后的霍尔电流传感器在全温域范围内的精度也很难达到1‰，无法在精度要求较高的场合使用。

目前使用的还有一种基于互感器的零磁通电流传感器，相对于霍尔电流传感器，基于互感器的零磁通电流传感器在精度、温度稳定性、频带宽度方面具有优势。如授权公告号为CN201689125U(申请号为201020171698.0)的中国实用新型专利《零磁通电流传感器》，其中公开的电流传感器主要由二次线圈、补偿线圈、补偿电容、补偿电阻构成，其本质为互感器原理，优点是无需外部电源，结构简单。但是该零磁通电流传感器存在由电子元器件引起的温漂、由激励电流引起的输出纹波，影响了传感器在实际工况下的精度。同时传感器存在饱和后无法自行恢复的问题，原因是当原边电流超出传感器的测量范围时，电流传感器的原边次边电流无法完全抵消，导致传感器内部的磁芯饱和，失去了导磁的功能，即使当被测电流恢复到测量范围内时，电流传感器也无法自行退出饱和状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种在磁芯饱和而导致电流传感器出现异常的情况下实现自恢复的零磁通电流传感器。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种零磁通电流传感器，包括

磁探头绕组，用于获取被测电流的磁场信号；

信号处理电路，与磁探头绕组电连接，用于对磁探头绕组获取的信号进行处理；

补偿电流功率驱动电路，与所述信号处理电路的输出端以及磁探头绕组电连接，用于提供实现零磁通的补偿电流；

其特征在于：还包括

异常监测电路，与磁探头绕组电连接，用于检测磁探头绕组的工作状态；

调节开关，与信号处理电路电连接，用于控制信号处理电路的正负电平交替输出状态；

负反馈调节电路，与异常监测电路的输出端以及调节开关电连接，用于根据异常监测电路检测获取的磁探头绕组的工作状态控制调节开关的开关状态。

为了减小输出纹波值，还包括有纹波补偿电路，所述纹波补偿电路的输入端与补偿电流功率驱动电路的输出端电连接，所述纹波补偿电路的输入端与信号处理电路电连接。

为了对零磁通电流传感器的输出值进行温度补偿，还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路的输出端与信号处理电路电连接。

为了将零磁通电流传感器的零点输出误差调整到接近于0，还包括零点校准电路，所述零点校准电路的输出端与信号处理电路电连接。

优选地，磁探头绕组包括电流检测绕组以及补偿电流绕组，所述电流检测绕组包括排列设置的第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组以及高频电流检测绕组，所述第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组以及高频电流检测绕组均包括磁芯以及缠绕在所述磁芯上的线圈，所述补偿电流绕组包括绕设在所述电流检测绕组外的线圈；

所述电流检测绕组与信号处理电路电连接，所述补偿电流绕组与补偿电流功率驱动电路电连接，异常监测电路的输入端与第一低频电流检测绕组或第二低频电流检测绕组电连接。

为了屏蔽电流检测绕组线圈内的驱动电流对补偿电流绕组造成的干扰，减小补偿电流绕组的输出纹波，所述第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组以及高频电流检测绕组外均设置有屏蔽层，为了屏蔽外界的电磁场干扰，所述补偿电流绕组外也设置有屏蔽层。

优选地，所述信号处理电路包括

激励电路，与第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组的激励端电连接，用于产生使第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组交替饱和的激励信号；

解调滤波电路，与第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组的输出端电连接，用于解调第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组的低频成分；

比例积分电路，与解调滤波电路的输出端以及高频电流检测绕组电连接，用于控制补偿电流功率驱动电路产生精确的补偿电流；

并且所述负反馈调节电路与比例积分电路并联连接，所述调节开关连接在负反馈调节电路输出端与比例积分电路的输入端之间。

优选地，所述激励电路包括电连接的信号激励电路以及翻转开关电路，所述信号激励电路通过激励信号功率驱动电路与第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组的激励端电连接，所述翻转开关电路与第一低频电流检测绕组、第二低频电流检测绕组的输出端电连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的零磁通电流传感器设置了异常监测电路、调节开关以及负反馈调节电路，当该零磁通电流传感器工作出现异常时，异常监测电路会检测到磁探头绕组的磁芯饱和状态，进而将该异常信号传送给负反馈调节电路，负反馈调节电路可以根据接收到的工作异常信号控制调节开关的通断，进而控制信号处理电路的输出信号反向，进而使得补偿电流反向，使得磁探头绕组的磁芯在被测电流恢复到测量量程范围内时退出饱和状态，进而恢复电流的检测功能，使得零磁通电流传感器恢复正常的工作状态。

另外，本发明中的零磁通电流传感器通过设置纹波补偿电路、温度补偿电路、零点校准电路的设置，提高了该零磁通电流传感器的测量精度，同时温度稳定性好，输出温度小，工作稳定性得到了有效的提升。

附图说明

图1为本发明实施例中零磁通电流传感器的电路示意图。

图2为磁探头绕组的剖面示意图。

图3为输入电流为0的情况下磁探头绕组的驱动电压与响应电流的波形图。

图4为输入电流不为0的情况下磁探头绕组的驱动电压与响应电流的波形图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本实施例中的零磁通电流传感器，磁探头绕组1，信号处理电路2，补偿电流功率驱动电路3、异常监测电路4、调节开关51、负反馈调节电路5、纹波补偿电路6、温度补偿电路7、零点校准电路8。其中纹波补偿电路6、温度补偿电路7、零点校准电路8、异常监测电路4可以分别通过一块控制芯片与信号处理电路2实现电连接。本实施例中纹波补偿电路6、温度补偿电路7、零点校准电路8、异常监测电路4通过同一控制芯片与信号处理电路2实现电连接。

其中磁探头绕组1用于获取被测电流的磁场信号。该磁探头绕组1包括电流检测绕组以及补偿电流绕组NS。其中电流检测绕组包括依次呈一字型排列设置的第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2以及高频电流检测绕组N3，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2以及高频电流检测绕组N3均包括磁芯11以及缠绕在所述磁芯11上的线圈12，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2中的磁芯11可以由高磁导率的纳米晶制成。而高频电流检测绕组N3中的磁芯11则可以由高磁导率的纳米晶或磁导率稍低的坡莫合金制成。补偿电流绕组NS包括绕设在电流检测绕组外的线圈12。

在第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2以及高频电流检测绕组N3外分别使用屏蔽层13包裹，用于屏蔽电流检测绕组中各线圈12内的驱动电流对补偿电流绕组NS造成的干扰，减小补偿电流绕组NS的输出纹波。在补偿电流绕组NS外也设置有屏蔽层13，用于屏蔽外界的电磁场干扰。

信号处理电路2用于对磁探头绕组1获取的信号进行处理。信号处理电路2包括激励电路21、解调滤波电路22、比例积分电路23。

其中激励电路21包括电连接的信号激励电路211以及翻转开关电路212。本实施例中的信号激励电路211可采用三极管分立器件或功率运算放大器实现。信号激励电路211通过激励信号功率驱动电路7与第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的激励端电连接，翻转开关电路212与第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的输出端电连接。激励电路21的功能是为产生驱动磁探头绕组1中第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2交替饱和的方波或正弦波激励信号。本实施例中采用方波激励信号。

激励电路21可以产生固定频率的方波，此时磁探头绕组1中第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2交替饱和的频率只由信号激励电路211的频率决定。此模式用于高频驱动的情况，驱动频率为10KHz～30KHz，优点是驱动电压高，信噪比较好。

激励电路21也可以仅产生高低电平，频率由磁探头绕组1中的磁芯11饱和特性控制。此时翻转开关电路212用于检测磁探头绕组1中第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2输出端的电压值，当检测到第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2饱和后的电压峰值满足触发条件时，翻转开关电路212控制信号激励电路211将其输出的电平反向，从而产生交替的激励信号。此模式用于低频驱动的情况，驱动频率为40Hz～200Hz，优点是受到高频干扰的影响小。

解调滤波电路22的功能是从第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的输出波形中将被测电流信号进行解调并滤除干扰。该解调滤波电路22与第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的输出端电连接，用于解调第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的低频成分。

如图3和图4所示，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2在方波激励信号驱动时的波形图，在被测电流Ip为0时，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的输出波形上下对称。当被测电流Ip不为0时，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的输出波形不对称，对输出的波形进行积分可以提取出将低频被测信号提取出来，得到一个反映被测电流变化的信号。因为激励方波会引起高频成分谐波，会造成补偿电流Is上的输出纹波，是一种高频干扰，如此则需要使用解调滤波电路22将高频谐波部分滤除。

比例积分电路23与解调滤波电路22的输出端以及高频电流检测绕组N3电连接，比例积分电路23的功能为实现无静差控制系统，减小电流传感器的稳态误差，提高传感器的精度。第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2可以获取被测电流的低频成分，高频检测绕组利用互感器原理，可以获取被测电流的高频成分，两者的获取的信号经过电阻取样后一般为mV级别的小信号，该信号通常较易受到外部扰动的影响，扰动干扰使系统的静态特性、动态特性和稳态性能变差。而比例积分电路23具有良好的跟踪特性和干扰抑制特性，比例积分调节可以减小传感器的稳态误差，提高控制精度。比例积分电路23将电流检测绕组获取并解调后的小信号转化为较理想、较稳定的控制信号，用于控制功率驱动电路产生精确的补偿电流，形成一个被测电流和补偿电流线性比例的无静差闭环系统。

异常监测电路4的输入端与第一低频电流检测绕组N1或第二低频电流检测绕组N2电连接。当使用条件超过该零磁通电流传感器规定时，会引起零磁通电流传感器工作异常，如被测电流超过测量范围，即会引起零磁通电流传感器的工作异常情况。当异常工况出现时，零磁通电流传感器工作异常处于工作异常状态，补偿电流Is与被测电流Ip不能完全抵消，会导致检测磁芯11绕组的磁芯11达到饱和，导致电路不能正常工作，零磁通状态无法建立，低频检测绕组N1、N2内的高导磁磁芯11一直处于饱和状态，驱动方波的波形异常，最后使得补偿电流Is处于饱和状态。当外部异常工况消失后，由于低频检测绕组N1、N2内的磁芯11一直处于饱和状态，失去了电流检测的功能，无法使补偿电流Is退出饱和状态。

负反馈调节电路5与比例积分电路23并联连接，并且调节开关51连接在负反馈调节电路5输出端与比例积分电路23的输入端之间。负反馈调节电路5可获取到比例积分电路23的输出信号，并生成一个反向的信号，该信号经过调节开关51与比例积分电路23的输入端连接。当传感器正常工作时，异常监测电路4输出低电平并传输给负反馈调节电路5，负反馈调节电路5控制调节开关51，使得调节开关51处于关闭状态，此时负反馈调节电路5对零磁通电流传感器的工作状态无影响。

如当被测电流超过传感器测量量程后，被测电流Ip和补偿电流Is的磁场不能完全抵消，此时磁探头绕组1中的磁芯11会进入单向磁饱和状态，失去磁场检测的功能，零磁通电流传感器处于异常工作状态。异常监测电路4用以检测驱动方波的波形，当异常监测电路4检测到铁芯进入饱和状态后输出高电平，负反馈调节电路5检测到高电平后，通过控制芯片控制调节开关51导通，使比例积分电路23形成负反馈，会使得积分放大电路的输出信号反向，并导致比例积分电路23处于正负电平交替输出状态，避免磁探头绕组1中的磁芯11处于单向磁饱和的状态。使第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的磁芯11退出单向磁饱和状态，恢复到交替饱和状态，从而恢复磁探头绕组1的电流检测的功能，当被测电流回复到测量量程范围内时，零磁通电流传感器可重新恢复到正常工作状态，异常监测电路4输出低电平并传输给负反馈调节电路5，负反馈调节电路5控制调节开关51动作进入关闭状态。

补偿电流功率驱动电路3与信号处理电路2的输出端以及补偿电流绕组NS电连接，用于提供实现零磁通的补偿电流。电流检测绕组获取的被测电流信号经过信号处理电路2的处理之后用于控制补偿电流功率驱动电路3，产生与被测电流成线性比例关系的补偿电流。本实施例中的补偿电流功率驱动电路3可采用三极管分立器件、功率放大运算放大器或普通运放加三极管分立器件构成。

纹波补偿电路6的输入端与补偿电流功率驱动电路3的输出端电连接，纹波补偿电路6的输入端与比例积分电路23的输出端电连接。本发明的第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的方波方向相反，可以抵消相互的磁通势。但在方波上升沿和下降沿的高次谐波干扰无法全部抵消，由于变压器效应，在补偿电流绕组NS的线圈12上会产生干扰纹波。纹波补偿电路6可以检测补偿电流绕组NS线圈12上的纹波波形，并通过在比例积分电路23的输入端叠加一路电压信号，减小传感器的输出纹波值。

温度补偿电路7的输出端与比例积分电路23的输出端电连接。本实施例中的温度补偿电路7包括温度传感器和存储温度补偿值的非易失性存储器。温度传感器在获取外界环境的工作温度后传送给控制芯片，控制芯片读取相应温度下的温度补偿值，并通过在比例积分电路23的输入端叠加一路电压信号，对传感器的输出值进行温度补偿。经过温度补偿和纹波补偿后的电流传感器测试数据，其精度可以达到0.001％。

零点校准电路8的输出端与比例积分电路23的输出端电连接。由于零磁通电流传感器自身性能和地磁场的存在，当被测电流Ip为0时，电流传感器的输出并不为0，即零磁通电流传感器存在零点误差。本发明通过零点校准电路8在比例积分电路23的输入端叠加一路电压信号，用于将电流传感器的零点输出误差调整到接近于0。

本发明中零磁通电流传感器的工作过程为：第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2在激励电路21和激励信号功率驱动电路7产生的方波或正弦波电压激励下，处于交替饱和的非线性状态。当被测电流Ip为0时，利用磁芯11的非线性特性，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2上的波形上下对称，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2以及高频电流检测绕组N3上均无有用信号。

当被测电流Ip不为0时，在第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2上都产生磁通，利用磁芯11的非线性特性，第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2上的波形上下不对称，此波形内包含被测电流相应的低频信号分量，高频电流检测绕组N3感应出被测电流相应的高频信号。

第一低频电流检测绕组N1、第二低频电流检测绕组N2的低频信号经过解调滤波电路22的解调后，与高频电流检测绕组N3上的高频信号叠加，再经过零点校准电路8、温度补偿电路7、纹波补偿电路6处理，经过比例积分电路23及补偿电流功率驱动电路3的处理产生补偿电流Is，该补偿电流Is给到补偿电流绕组NS，以抵消由被测电流Ip在电流检测绕组上产生的磁通，从而使磁探头绕组1输出的信号减小，最终使补偿电流Is和被测电流IpNp在电流检测绕组上产生的磁通量达到动态平衡，即NpIp＝NsIs。进而通过测量补偿电流Is即可得出被测电流Ip的电流值。

该零磁通电流传感器工作过程中，异常监测电路4可以监测零磁通电流传感器的工作状态，当导致故障的外界因素消失后，异常监测电路4可以使零磁通电流传感器重新进入正常工作状态。

Claims (8)

1.一种零磁通电流传感器，包括

磁探头绕组(1)，用于获取被测电流的磁场信号；

信号处理电路(2)，与磁探头绕组(1)电连接，用于对磁探头绕组(1)获取的信号进行处理；

补偿电流功率驱动电路(3)，与所述信号处理电路(2)的输出端以及磁探头绕组(1)电连接，用于提供实现零磁通的补偿电流；

其特征在于：还包括

异常监测电路(4)，与磁探头绕组(1)电连接，用于检测磁探头绕组(1)的工作状态；

调节开关(51)，与信号处理电路(2)电连接，用于控制信号处理电路(2)的正负电平交替输出状态；

负反馈调节电路(5)，与异常监测电路(4)的输出端以及调节开关(51)电连接，用于根据异常监测电路(4)检测获取的磁探头绕组(1)的工作状态控制调节开关(51)的开关状态。

2.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于：还包括有纹波补偿电路(6)，所述纹波补偿电路(6)的输入端与补偿电流功率驱动电路(3)的输出端电连接，所述纹波补偿电路(6)的输入端与信号处理电路(2)电连接。

3.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于：还包括温度补偿电路(7)，所述温度补偿电路(7)的输出端与信号处理电路(2)电连接。

4.根据权利要求1所述的零磁通电流传感器，其特征在于：还包括零点校准电路(8)，所述零点校准电路(8)的输出端与信号处理电路(2)电连接。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的零磁通电流传感器，其特征在于：磁探头绕组(1)包括电流检测绕组以及补偿电流绕组(NS)，所述电流检测绕组包括排列设置的第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)以及高频电流检测绕组(N3)，所述第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)以及高频电流检测绕组(N3)均包括磁芯(11)以及缠绕在所述磁芯(11)上的线圈(12)，所述补偿电流绕组(NS)包括绕设在所述电流检测绕组外的线圈(12)；

所述电流检测绕组与信号处理电路(2)电连接，所述补偿电流绕组(NS)与补偿电流功率驱动电路(3)电连接，异常监测电路(4)的输入端与第一低频电流检测绕组(N1)或第二低频电流检测绕组(N2)电连接。

6.根据权利要求5所述的零磁通电流传感器，其特征在于：所述第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)以及高频电流检测绕组(N3)外均设置有屏蔽层(13)，所述补偿电流绕组(NS)外也设置有屏蔽层(13)。

7.根据权利要求5所述的零磁通电流传感器，其特征在于：所述信号处理电路(2)包括

激励电路(21)，与第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)的激励端电连接，用于产生使第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)交替饱和的激励信号；

解调滤波电路(22)，与第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)的输出端电连接，用于解调第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)的低频成分；

比例积分电路(23)，与解调滤波电路(22)的输出端以及高频电流检测绕组(N3)电连接，用于控制补偿电流功率驱动电路(3)产生精确的补偿电流；

并且所述负反馈调节电路(5)与比例积分电路(23)并联连接，所述调节开关(51)连接在负反馈调节电路(5)输出端与比例积分电路(23)的输入端之间。

8.根据权利要求7所述的零磁通电流传感器，其特征在于：所述激励电路(21)包括电连接的信号激励电路(211)以及翻转开关电路(212)，所述信号激励电路(211)通过激励信号功率驱动电路(7)与第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)的激励端电连接，所述翻转开关电路(212)与第一低频电流检测绕组(N1)、第二低频电流检测绕组(N2)的输出端电连接。