CN109459715A - 一种闭环霍尔效应电流传感器仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，计算结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G这些闭环霍尔效应传感器磁芯相关矩阵系数，建立闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型，并获取闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件，通过线路网表转换器产生闭环霍尔效应电流传感器的电路网表文件，进而在HSPICE软件中输入闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件和电路网表文件并进行运算，仿真分析闭环霍尔效应电流传感器。本发明的闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，更准确综合反映磁芯结构、气隙位置等因素的影响，未知量少，仿真过程更容易收敛。

Description

一种闭环霍尔效应电流传感器仿真方法

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，特别涉及一种霍尔效应电流传感器仿真方法。

背景技术

轨道交通检测领域需要用到大量的闭环霍尔效应电流传感器。闭环霍尔效应电流传感器主要包括磁芯和电路两部分，磁芯产生的信号作为电路的输入，电路的输出再反馈给磁芯的输入，这两部分相互作用。即使在没有干扰的情况下，传感器在工作时也会出现杂乱纹波、输入与输出差别大的现象。为更好地设计霍尔效应电流传感器，需要对闭环霍尔效应电流传感器进行仿真。由于其电路和磁芯相互影响，这就需要对其电路和磁芯作为一个整体进行仿真。

现有技术中，采用Maxwell软件和Simplorer软件进行磁路和电路联合仿真，但该方法自身磁路模型未知参数多，仿真速度慢，与电路模型联合仿时，对于闭环系统，迭代计算不易收敛，不利于整体系统级的变参数的设计和优化。而且电磁软件自身携带的电路模型不够准确，造成仿真结果误差较大。另外通过建立磁部件等效电路模型，也可以在统一电路仿真软件平台上仿真包括磁芯和电路的整体系统。该方法中建立宏模型需要磁部件被磁化的磁路解析表达式。对于霍尔效应电流传感器磁部件，磁部件结构复杂多变，气隙个数、气隙位置、线圈位置等都会影响磁芯磁化，难以用简单磁路解析式表述复杂多变的磁部件结构。因此在建立磁部件等效电路模型需要对磁路做很多近似，只能粗略分析磁芯。粗略分析磁路难以得到磁场分布云图和准确的计算结果，磁芯作为闭环霍尔效应电流传感器的重要组成部分，是闭环霍尔效应电流传感器的重点优化设计对象，用这种方法不能对磁芯结构进行分析优化。

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不仅实现了电路和磁路联合仿真，而且能够准确综合反映磁部件结构、气隙位置这些因素对磁芯影响的闭环霍尔效应电流传感器仿真方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、计算闭环霍尔效应传感器磁芯相关矩阵系数；

根据矩量法，磁芯及气隙区域可描述为：

其中为总磁势为铁芯内磁矩产生的磁势，为被测电流和螺线管电流的磁势，和分别为被测电流和螺线管电流产生的磁场，表示从零点到场点的路径积分微元；

根据毕奥萨伐尔定律，求出被测电流和螺线管电流产生的磁场，可得：

其中为被测电流的方向，为螺线管电流的方向，dV'电流线圈的体积微元，V_s/R_s为反馈电流，V_s为反馈线圈电阻R_s的电压,S_p为被测电流导线截面积，S_s反馈电流区域与电流方向垂直的截面积；

剖分磁芯，离散公式(1)，可得如下矩阵方程：

矩阵的矩阵元素可以表示如下：

任意点磁标势由单元形函数α和节点磁势近似描述，对磁势微分，可得j单元的平均磁场

其中α_k为单元的形函数，Ve表示第j个单元体积，ek表示第j个单元上的节点，

霍尔元件电压经过处理电路，最终输出电压V_f驱动反馈螺线管线圈和测量电阻Rm，因此，

其中Rs为反馈螺线管线圈电阻，φ为线圈磁通，N_s线圈匝数；

螺线管线圈磁通与螺线管线圈内部的磁感应强度B成正比，对螺线管线圈内磁芯单元磁感应强度相加，因此公式(11)的离散表示为：

其中，l为螺线管线圈长度，V_i为螺线管内磁芯单元体积，为螺线管线圈切向方向矢量；

根据公式(6)-(11)和磁芯材料曲线M(H)，可知C、K只与只与磁芯结构和四面体离散状况、线圈位置有关，D矩阵只与磁芯结构和四面体离散状况有关，G矩阵是对基函数进行梯度运算的梯度矩阵，T为只与磁芯结构相关的系数；

在磁芯与电路的联合仿真中，随着电流的变化，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G不变，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G只与磁芯结构有关，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G只需计算一次；

S2、根据S1中的公式建立闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型；

S3、建立闭环霍尔效应电流传感器的电路与S2中生成的磁芯电路模型进行闭环霍尔效应电流传感器的电路和磁路联合仿真分析。

为了加快磁芯电路模型的建立，S2中，建立闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型的方法为：

a、用电压控制的电压源模拟磁芯节点的磁势，利用C++软件中的循环语句以及文本输出语句对所有磁芯单元进行循环计算，进而输出公式(6)中一个子方程对应的网表，再对所有节点进行循环计算，进而输出公式(6)中所有方程对应的网表；

b、用电压控制电压源模拟每个单元磁场；利用C++软件中的循环语句以及文本，对所有单元进行循环计算，进而输出公式(10)中每个单元对应的网表；

c、利用C++软件中的循环语句以及文本，循环ne次调用磁芯材料模块，进而输出调用磁芯材料模块对应的网表文件；

通过步骤a至步骤c获取闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件；

S3中，通过线路网表转换器产生闭环霍尔效应电流传感器的电路网表文件，进而在HSPICE软件中输入闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件和电路网表文件并进行运算，仿真分析闭环霍尔效应电流传感器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，更准确综合反映磁芯结构、气隙位置等因素的影响，未知量少，仿真过程更容易收敛。

附图说明

图1为本发明实施例中闭环霍尔效应电流传感器示意图。

图2为本发明实施例中闭环霍尔效应电流传感器的输出结果图。

图3为本发明实施例中闭环霍尔效应电流传感器的实验波形图。

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所示，被测电流Ip产生的磁通聚集在磁路中，并经霍尔元件在其气隙处进行检测。霍尔元件的输出电压信号经过处理，在传感器输出端输出标准电压信号，该电压信号精确地反映原边电流。被测电流Ip产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的反馈电流Is通过反馈线圈所产生的磁通流量相平衡。反馈电流Is精确地反映被测电流。实际中，磁芯结构与绕线方式多样，不限于图1。

本实施例中的闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，包括以下步骤：

S1、计算闭环霍尔效应传感器磁芯相关矩阵系数；

由于磁芯及气隙区域与电流区域不重叠，根据矩量法，磁芯及气隙区域可描述为：

其中为总磁势为铁芯内磁矩产生的磁势，为被测电流和螺线管电流的磁势，和分别为被测电流和螺线管电流产生的磁场，表示从零点到场点的路径积分微元；

根据毕奥萨伐尔定律，求出被测电流和螺线管电流产生的磁场，可得：

其中为被测电流的方向，为螺线管电流的方向，dV'电流线圈的体积微元，V_s/R_s为反馈电流，V_s为反馈线圈电阻R_s的电压,S_p为被测电流导线截面积，S_s反馈电流区域与电流方向垂直的截面积；

剖分磁芯，离散公式(1)，可得如下矩阵方程：

矩阵的矩阵元素可以表示如下：

任意点磁标势由单元形函数α和节点磁势近似描述，对磁势微分，可得j单元的平均磁场

其中α_k为单元的形函数，Ve表示第j个单元体积，ek表示第j个单元上的节点，

霍尔元件电压经过处理电路，最终输出电压V_f驱动反馈螺线管线圈和测量电阻Rm，因此，

其中Rs为反馈螺线管线圈电阻，φ为线圈磁通，N_s线圈匝数；

螺线管线圈磁通与螺线管线圈内部的磁感应强度B成正比，对螺线管线圈内磁芯单元磁感应强度相加，因此公式(11)的离散表示为：

其中，l为螺线管线圈长度，V_i为螺线管内磁芯单元体积，为螺线管线圈切向方向矢量；

根据公式(6)-(11)和磁芯材料曲线M(H)，可知C、K只与只与磁芯结构和四面体离散状况、线圈位置有关，D矩阵只与磁芯结构和四面体离散状况有关，G矩阵是对基函数进行梯度运算的梯度矩阵，T为只与磁芯结构相关的系数；

在磁芯与电路的联合仿真中，随着电流的变化，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G不变，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G只与磁芯结构有关，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G只需计算一次；

S2、根据S1中的公式建立闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型；公式(6)中每个子方程可以用电压控制电压源描述，控制变量个数为3ne+1；n个方程需要n个电压控制电压源模拟，电路过于庞大；采用网表形式替代传统的画电路图方式描述，使庞大的电路模型能够很快建立；

闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型具体方法为：

a、用电压控制的电压源模拟磁芯节点的磁势，分别实现公式(6)中的子方程，

利用C++软件中的循环语句以及文本输出语句对所有磁芯单元进行循环计算，进而输出公式(6)中一个子方程对应的网表，如产生如下网表：

Ewi wi 0POLY(3ne+1)nra nrb mx1 0 my1 0 mz1 0

+...

+mxn 0 myn 0 mzn 0

+’Ci*Ip’‘Ki’‘Dxi1’‘Dyi1’‘Dzi1’

+...

+’Ci*Ip’‘Ki’‘Dxn1’‘Dyn1’‘Dzn1’

该网表中显示了磁芯子方程对应的网表，其中节点Wi处的电压模拟节点i的磁势，节点nra和nrb之间的电压为反馈线圈电阻的电压，其传递反馈电流大小信息，mx1、my1、mz1节点电压代表第一个单元磁化强度的三个分量；再对所有节点进行循环计算，进而输出公式(6)中所有子方程对应的网表；

b、用电压控制电压源模拟每个单元磁场；利用C++软件中的循环语句以及文本，对所有单元进行循环计算，进而输出公式(10)中每个单元对应的网表；

c、利用C++软件中的循环语句以及文本，循环ne次调用磁芯材料模块，进而输出调用磁芯材料模块对应的网表文件；

通过步骤a至步骤c获取闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件；

S3、通过线路网表转换器产生闭环霍尔效应电流传感器的电路网表文件，进而在HSPICE软件中输入闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件和电路网表文件并进行运算，仿真分析闭环霍尔效应电流传感器。

以半气隙磁芯反馈的闭环霍尔效应电流传感器为例，采用本发明的方法进行计算。

根据S1的步骤对图2所示的闭环霍尔效应电流传感器进行磁芯剖分，并计算结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G。利用这些系数矩阵，根据S2得到磁芯的电路网表文件，根据S3得到电路网表文件，在HSPICE中输入磁芯网表文件和电路网表文件，当被测为幅值45A，10kHz正弦波，计算出的输出结果如图2所示。图3为实验波形，其中曲线L1为被测电流，曲线L2为闭环霍尔效应电流传感器的输出波形。可以看出本发明的方法可以描述闭环霍尔效应电流传感器的波形畸变问题。如果采用现有的电磁分析方法，除了电路元件模型不准确，计算时间长，收敛不好等问题，由于有限元截断误差，波形不平滑，误差的波动与波形畸变的波动容易混淆。如果采用粗略分析磁路的方法，由于磁路描述不准确，不能反应闭环霍尔效应电流传感器的波形畸变问题。

Claims (2)

1.一种闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、计算闭环霍尔效应传感器磁芯相关矩阵系数；

根据矩量法，磁芯及气隙区域可描述为：

其中为总磁势为铁芯内磁矩产生的磁势，为被测电流和螺线管电流的磁势，和分别为被测电流和螺线管电流产生的磁场，表示从零点到场点的路径积分微元；

根据毕奥萨伐尔定律，求出被测电流和螺线管电流产生的磁场，可得：

其中为被测电流的方向，为螺线管电流的方向，dV'电流线圈的体积微元，V_s/R_s为反馈电流，V_s为反馈线圈电阻R_s的电压,S_p为被测电流导线截面积，S_s反馈电流区域与电流方向垂直的截面积；

剖分磁芯，离散公式(1)，可得如下矩阵方程：

矩阵的矩阵元素可以表示如下：

任意点磁标势由单元形函数α和节点磁势近似描述，对磁势微分，可得j单元的平均磁场

其中α_k为单元的形函数，Ve表示第j个单元体积，ek表示第j个单元上的节点，

霍尔元件电压经过处理电路，最终输出电压V_f驱动反馈螺线管线圈和测量电阻Rm，因此，

其中Rs为反馈螺线管线圈电阻，φ为线圈磁通，N_s线圈匝数；

螺线管线圈磁通与螺线管线圈内部的磁感应强度B成正比，对螺线管线圈内磁芯单元磁感应强度相加，因此公式(11)的离散表示为：

其中，l为螺线管线圈长度，V_i为螺线管内磁芯单元体积，为螺线管线圈切向方向矢量；

根据公式(6)-(11)和磁芯材料曲线M(H)，可知C、K只与只与磁芯结构和四面体离散状况、线圈位置有关，D矩阵只与磁芯结构和四面体离散状况有关，G矩阵是对基函数进行梯度运算的梯度矩阵，T为只与磁芯结构相关的系数；

在磁芯与电路的联合仿真中，随着电流的变化，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G不变，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G只与磁芯结构有关，结构矩阵C、K、D和梯度矩阵G只需计算一次；

S2、根据S1中的公式建立闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型；

S3、建立闭环霍尔效应电流传感器的电路与S2中生成的磁芯电路模型进行闭环霍尔效应电流传感器的电路和磁路联合仿真分析。

2.根据权利要求1所述的闭环霍尔效应电流传感器仿真方法，其特征在于：S2中，建立闭环霍尔效应电流传感器的磁芯电路模型的方法为：

a、用电压控制的电压源模拟磁芯节点的磁势，利用C++软件中的循环语句以及文本输出语句对所有磁芯单元进行循环计算，进而输出公式(6)中一个子方程对应的网表，再对所有节点进行循环计算，进而输出公式(6)中所有方程对应的网表；

b、用电压控制电压源模拟每个单元磁场；利用C++软件中的循环语句以及文本，对所有单元进行循环计算，进而输出公式(10)中每个单元对应的网表；

c、利用C++软件中的循环语句以及文本，循环ne次调用磁芯材料模块，进而输出调用磁芯材料模块对应的网表文件；

通过步骤a至步骤c获取闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件；

S3中，通过线路网表转换器产生闭环霍尔效应电流传感器的电路网表文件，进而在HSPICE软件中输入闭环霍尔效应电流传感器的磁芯网表文件和电路网表文件并进行运算，仿真分析闭环霍尔效应电流传感器。