CN110412327B - 一种数字式直流电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字式直流电流传感器。它包括环形铁芯、方波激励电路、整形电路和方波测量电路，所述方波激励电路通过缠绕在环形铁芯原边的激励线圈自激振荡产生方波，所述整形电路用于对方波激励电路产生的方波进行整形，所述方波测量电路对整形后的方波的周期和脉宽进行测量，所述方波测量电路的PWM信号输出端连接有电流补偿电路，所述电流补偿电路的补偿线圈缠绕在环形铁芯副边形成闭环。本发明方波测量电路的PWM信号输出口直接连接至电流补偿电路，通过改变输出高低电平占空比的方式实现补偿，使测量铁芯处于零磁通状态，提高传感器测量精度同时又不会明显增加成本。

Description

一种数字式直流电流传感器
技术领域
本发明属于电流测量技术领域，具体涉及一种数字式直流电流传感器。
背景技术
越来越多的电力系统采用直流电制供电，系统需要对其流过的直流电流进行测量。基于占空比模型的数字式电流传感器是一种低成本数字化传感器，可以通过测量振荡电压波形占空比的方式测量被测电流，但该型传感器线性度较低，不能适应高精度的测量，目前是采用数模转换的方式实现零磁通补偿，但是高位数数模转换芯片价格昂贵，会使该型传感器价格优势丧失。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低的数字式直流电流传感器。
本发明采用的技术方案是：一种数字式直流电流传感器，包括环形铁芯、方波激励电路、整形电路和方波测量电路，所述方波激励电路通过缠绕在环形铁芯原边的激励线圈自激振荡产生方波，所述整形电路用于对方波激励电路产生的方波进行整形，所述方波测量电路对整形后的方波的周期和脉宽进行测量，所述方波测量电路的PWM信号输出端连接有电流补偿电路，所述电流补偿电路的补偿线圈缠绕在环形铁芯副边形成闭环。
进一步地，所述方波激励电路包括激励线圈、运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、调零电阻R3和电阻R4，所述电阻R1一端连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R1另一端接地；所述电阻R2一端连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R2另一端连接激励线圈一端；所述调零电阻R3一端连接运算放大器U1的同相输入端，调零电阻R3另一端接地；所述电阻R4连接在运算放大器U1的同相输入端与输出端之间，所述运算放大器U1的输出端连接激励线圈另一端和整形电路输入端。
进一步地，所述整形电路包括电阻R5和三极管Q1，所述电阻R5一端连接电源，电阻R5另一端连接三极管Q1的发射极和方波测量电路的输入端，三极管Q1的基极连接方波激励电路的输出端，三极管Q1的集电极接地。
进一步地，所述方波测量电路为单片机、ARM、FPGA、DSP中的任意一种。
进一步地，所述电流补偿电路包括信号放大电路、电阻R6和补偿线圈，所述信号放大电路的第一输入端连接方波测量电路的PWM信号输出端，信号放大电路的第二输入端连接电阻R6一端和补偿线圈一端，信号放大电路的输出端连接补偿线圈另一端，所述电阻R6另一端接地，所述补偿线圈缠绕在环形铁芯上。
进一步地，所述信号放大电路为三极管或MOS管或运算放大器。
进一步地，所述电流补偿电路包括切换开关，所述切换开关能够改变所述电流补偿电路的补偿电流的方向。
更进一步地，所述切换开关包括第一切换开关和第二切换开关，所述第一切换开关的动端连接补偿线圈一端，第一切换开关的两个不动端分别连接信号放大电路的第二输入端和输出端；所述第二切换开关的动端连接补偿线圈另一端，第二切换开关的两个不动端分别连接信号放大电路的第二输入端和输出端。
本发明的有益效果是：
(1)采用数字化测量，闭环反馈式补偿，抗干扰能力强，测量精度高。
(2)采用闭环反馈式补偿电路在传感器中形成零磁通，无需模数转换器的介入，就能完成整个数字化测量。
(3)方波测量电路的PWM信号输出口直接连接至电流补偿电路，通过改变输出高低电平占空比的方式实现补偿，使测量铁芯处于零磁通状态，提高传感器测量精度同时又不会明显增加成本。
(4)引入可调电阻，采用测量方波周期的方式调整传感器零点，方波周期是测量电流必须采集的量值，无需额外测量其他参数即可实现零点调整，过程简便。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种数字式直流电流传感器，包括环形铁芯1、方波激励电路、整形电路和方波测量电路，所述方波激励电路通过缠绕在环形铁芯1原边的激励线圈2自激振荡产生方波，所述整形电路用于对方波激励电路产生的方波进行整形，所述方波测量电路对整形后的方波的周期和脉宽进行测量，所述方波测量电路的PWM信号输出端连接有电流补偿电路，所述电流补偿电路的补偿线圈3缠绕在环形铁芯1副边形成闭环，在环形铁芯中产生与被测电流相反的磁势，相互抵消，精准控制方波测量电路的输出电压，可以使铁芯磁平衡。
本发明方波测量电路采用单片机、ARM、FPGA、DSP中的任意一种，方波测量电路自带的通用I/O口或专用PWM信号输出口(以下统称为I/O口)产生脉宽调制信号(PWM)，通用I/O口直接与补偿绕组连接，I/O口可以受控输出高低电平，通常低电平为0V，高电平为1.8～5.0V。I/O口输出高电平时会在补偿绕组中产生电流，由于补偿绕组是感性负载，具有平滑电流的作用，如I/O口输出高低电平的频率足够高，补偿绕组中的电流就是纹波较小的直流电流。电流有效值由I/O口输出高低电平的占空比决定，占空比越高补偿绕组中的补偿电流越大，反之电流越小，占空比为1时，产生最大补偿电流，该电流值由I/O口输出电压和补偿绕组的电阻值决定。通常I/O口输出电流有限，可以通过驱动三极管、MOS管及运算放大器等方式实现更大电流的补偿。
上述方案中，方波激励电路包括激励线圈2、运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、调零电阻R3和电阻R4，所述电阻R1一端连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R1另一端接地；所述电阻R2一端连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R2另一端连接激励线圈2一端；所述调零电阻R3一端连接运算放大器U1的同相输入端，调零电阻R3另一端接地；所述电阻R4连接在运算放大器U1的同相输入端与输出端之间，所述运算放大器U1的输出端连接激励线圈另一端和整形电路输入端。
本发明在方波激励电路中设置一个能够改变方波周期的可调的调零电阻R3，改变调零电阻R3值的大小并不会改变传感器测量结果，只会影响自激产生方波的周期。方波测量电路可以测量方波周期，根据方波周期的改变量设定传感器零点偏移的情况。正常情况下，被测电流为0A时，方波信号周期为T0，t/T0＝0.5。由于磁滞等原因t/T≠0.5，零点发生漂移时，通过改变调零电阻R3值，方波信号由T0变为T1，测量零点由原来的0.5，变为Zero＝0.5+k*(T0-T1)，k为常系数。方波测量电路将Zero的值做为测量时跟踪的电流点的t/T值，从而完成调零的工作。
运算放大器U1供电方式为双端供电，电压为±Up。假设初始时刻运放输出为低电平-Up，运算放大器U1同相输入端电压为-Up*R3/(R3+R4)，激励线圈2存在电感，I2电流幅值从0A逐渐上升，反相输入端电压从0V开始逐渐下降，反相输入端电压低于同相输入端时，运放输出高电平，电压为+Up；运算放大器U1同相输入端电压变为Up*R3/(R3+R4)，电流I2从负向最大值逐渐向正向最大值变化，当I2使得电阻R1的电压超过同相输入端时，运算放大器U1输出再次反转。一般情况下，方波脉宽t与周期T比值为0.5。当存在被测电流时，I>0A，环形铁芯中产生顺时针方向的磁动势，该磁动势与运放输出高电平时电流I2产生的磁动势方向相同，相互叠加，使得环形铁芯更早的达到饱和状态，电路的时间常数缩短，高电平的时间也相应减少。与此同时，在运算放大器U1输出低电平时，电流I2产生的磁动势与被测电流产生的磁动势反相，相互削弱，使得环形铁芯达到饱和的时间减慢，平均时间常数增加，低电平的时间也相应的延长。使得方波脉宽t与周期T比值下降，比值变换的程度与被测电流变化量成正比。
上述方案中，方波激励电路的电源为双端电源，其输出的振荡方波包含正电压及负电压，会超出方波测量电路中GPIO的允许输入范围，导致MCU端口损坏，因此需要对方波进行整形。整形电路包括电阻R5和三极管Q1，所述电阻R5一端连接电源，电阻R5另一端连接三极管Q1的发射极和方波测量电路的输入端，三极管Q1的基极连接方波激励电路的输出端，三极管Q1的集电极接地。当方波输出为高电平时，三极管Q1截止，整形电路输出高点平，电压幅值为方波测量电路的电源电压；当方波输出为低电平负电压时，三极管Q1导通，整形电路输出为低电平，电压幅值为0V，满足方波测量电路输入要求。
上述方案中，由于铁芯磁化曲线并不是完全线性的，该种测量方案线性度及精度都不能完全保证，为保证传感器测量线性度，本发明采用零磁通测量方案。电流补偿电路包括信号放大电路U2、电阻R6和补偿线圈3，所述信号放大电路U2的第一输入端连接方波测量电路的PWM信号输出端，信号放大电路U2的第二输入端连接电阻R6一端和补偿线圈3一端，信号放大电路U2的输出端连接补偿线圈3另一端，所述电阻R6另一端接地，所述补偿线圈3缠绕在环形铁芯1上。
信号放大电路U2、电阻R6、补偿线圈3构成一个闭环控制的稳流源，输出电流产生的磁动势方向与被测电流在环形铁芯1中产生的相反，相互抵消。在维持占空比不变的基础上，补偿电路在补偿线圈中输入的电流I1与被测电流I成正比，根据补偿的电流大小就可以测量被测电流的大小。
本发明电流补偿电路包括能够改变所述电流补偿电路的补偿电流方向的切换开关，测量时需要根据被测电流的方向决定切换开关开关的合闸情况，以保证补偿磁通与被测电流磁通方向相反。切换开关包括第一切换开关K1和第二切换开关K2，所述第一切换开关K1的动端连接补偿线圈3一端，第一切换开关K1的两个不动端分别连接信号放大电路U2的第二输入端和输出端；所述第二切换开关K2的动端连接补偿线圈3另一端，第二切换开关K2的两个不动端分别连接信号放大电路U2的第二输入端和输出端。合闸时，第一切换开关K1和第二切换开关K2的动端可以在信号放大电路U2的第二输入端和输出端之间切换，从而改变补偿磁通方向。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种数字式直流电流传感器，其特征在于：包括环形铁芯、方波激励电路、整形电路和方波测量电路，所述方波激励电路通过缠绕在环形铁芯原边的激励线圈自激振荡产生方波，所述整形电路用于对方波激励电路产生的方波进行整形，所述方波测量电路对整形后的方波的周期和脉宽进行测量，所述方波测量电路的PWM信号输出端连接有电流补偿电路，所述电流补偿电路的补偿线圈缠绕在环形铁芯副边形成闭环；方波测量电路通过改变输出高低电平占空比的方式实现补偿；
所述电流补偿电路包括信号放大电路、电阻R6和补偿线圈，所述信号放大电路的第一输入端连接方波测量电路的PWM信号输出端，信号放大电路的第二输入端连接电阻R6一端和补偿线圈一端，信号放大电路的输出端连接补偿线圈另一端，所述电阻R6另一端接地，所述补偿线圈缠绕在环形铁芯上；
所述电流补偿电路包括切换开关，所述切换开关能够改变所述电流补偿电路的补偿电流的方向；所述切换开关包括第一切换开关和第二切换开关，所述第一切换开关的动端连接补偿线圈一端，第一切换开关的两个不动端分别连接信号放大电路的第二输入端和输出端；所述第二切换开关的动端连接补偿线圈另一端，第二切换开关的两个不动端分别连接信号放大电路的第二输入端和输出端。
2.根据权利要求1所述的数字式直流电流传感器，其特征在于：所述方波激励电路包括激励线圈、运算放大器U1、电阻R1、电阻R2、调零电阻R3和电阻R4，所述电阻R1一端连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R1另一端接地；所述电阻R2一端连接运算放大器U1的反相输入端，电阻R2另一端连接激励线圈一端；所述调零电阻R3一端连接运算放大器U1的同相输入端，调零电阻R3另一端接地；所述电阻R4连接在运算放大器U1的同相输入端与输出端之间，所述运算放大器U1的输出端连接激励线圈另一端和整形电路输入端。
3.根据权利要求1所述的数字式直流电流传感器，其特征在于：所述整形电路包括电阻R5和三极管Q1，所述电阻R5一端连接电源，电阻R5另一端连接三极管Q1的发射极和方波测量电路的输入端，三极管Q1的基极连接方波激励电路的输出端，三极管Q1的集电极接地。
4.根据权利要求1所述的数字式直流电流传感器，其特征在于：所述方波测量电路为单片机、ARM、FPGA、DSP中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的数字式直流电流传感器，其特征在于：所述信号放大电路为三极管或MOS管或运算放大器。
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