CN111665384A - 一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法 - Google Patents

一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法，涉及全数字高精度电流传感器领域。本发明是为了解决磁通门型电流传感器的激磁单元无法实现零磁通，并且电流传感器的噪声以及固有温漂无法精确抑制的问题。本发明既可以实现电流传感器的高精度、高线性度，增加了电流传感器的鲁棒性，同时还通过全数字控制的方法加以实现，降低了模拟器件固有的偏差。

Description

一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法
技术领域
本发明属于全数字高精度电流传感器领域，尤其涉及传感器的绕组结构。
背景技术
电流传感器作为检测电流的装置在电机驱动控制、逆变装置、开关电源、信号测量、科学仪器、光刻机、航空航天等领域都具有广泛的应用。在电流传感器实现的各种原理中，利用磁通门技术实现的电流传感器可以将大的电流信号转化成为精密准确的小电流信号，具有线性度好、精度高的优点。但是，磁通门型电流传感器的激磁单元由于受到干扰电磁场以及生产工艺偏差的影响，无法完全实现零磁通。此外，电流传感器大多采用模拟器件或者无源器件加以实现，因此对电流传感器的噪声以及固有温漂无法精确抑制。
发明内容
本发明是为了解决磁通门型电流传感器的激磁单元无法实现零磁通，并且电流传感器的噪声以及固有温漂无法精确抑制的问题，现提供一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法。
一种全数字磁通门型电流传感器，包括：绕组结构和处理电路，
绕组结构包括：位于磁芯原边的直流绕组和反馈绕组，以及位于磁芯副边的两个激磁绕组、两个补偿绕组和交流绕组，两个激磁绕组的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组串联有采样电阻；
处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组产生激磁磁场，相敏解调单元用于采集两个激磁绕组和交流绕组的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组上，电流补偿单元用于分别对两个补偿绕组进行高频噪声补偿和低频噪声补偿。
进一步的，上述激磁单元包括开关功率放大模块和数字芯片内部的激磁模块，激磁模块包括方波发生器和PWM输出子模块，方波发生器的高频方波信号输出端连接PWM输出子模块的高频方波信号输入端，PWM输出子模块的脉宽调制信号输出端连接开关功率放大模块的脉宽调制信号输入端，开关功率放大模块的放大信号输出至两个激磁绕组，使得两个激磁绕组产生激磁磁场。
进一步的，上述相敏解调单元包括：两个模数转换模块、数模转换模块、线性功率放大模块、以及数字芯片内的低通滤波模块、二次谐波提取模块和补偿模块，一个模数转换模块用于将两个激磁绕组的直流电压模拟量转换为数字的直流电压值、并发送给低通滤波模块，二次谐波提取模块提取滤波后的直流电压值的谐波分量并发送给补偿模块；另一个模数转换模块用于将交流绕组的交流电压模拟量转换为数字的交流电压值、并发送给补偿模块；补偿模块根据下式对采集到的两种电压值进行积分，获得反馈电压值utotal：
utotal＝∫(uac+udc)dt
uac为交流电压值的谐波分量，udc为直流电压值；
数模转换模块用于将反馈电压值转换为模拟量并发送至线性功率放大模块，线性功率放大模块的放大信号输出至反馈绕组上。
进一步的，上述电流补偿单元包括：两个功率放大模块以及数字芯片内的偏差消磁模块、低频噪声补偿模块和高频噪声补偿模块，偏差消磁模块用于消除磁芯的固有偏差；低频噪声补偿模块根据外部环境磁干扰获得低频噪声补偿电压值、并转换为低频噪声补偿电压模拟信号，再通过一个功率放大模块将低频噪声补偿电压模拟信号输出至一个补偿绕组上；高频噪声补偿模块根据反馈电压值获得高频噪声补偿电压值、并转换为高频噪声补偿电压模拟信号，再通过另一个功率放大模块将高频噪声补偿电压模拟信号输出至另一个补偿绕组上。
进一步的，利用下式根据外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL：
Figure BDA0002505185260000021
其中，ΔB为外部扰动磁场，ωl为扰动的角频率，t为时间，kL为补偿的比例系数。
进一步的，利用下式根据反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH：
Figure BDA0002505185260000022
其中，kH为折算系数，u2nd为utotal的二次谐波分量，s为拉普拉斯算子，ωc为截止频率，uconst为空间高频干扰。
一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，所述电流传感器包括：位于磁芯原边的直流绕组和反馈绕组，以及位于磁芯副边的两个激磁绕组、两个补偿绕组和交流绕组，两个激磁绕组的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组串联有采样电阻；
所述方法包括以下步骤：
步骤一：利用高频方波信号驱动两个激磁绕组产生激磁磁场；
步骤二：分别采集两个激磁绕组和交流绕组的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值utotal，并将该反馈电压值utotal施加到反馈绕组上；
步骤三：利用外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL，利用反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH，分别将ΔUL和ΔUH施加到两个补偿绕组上，完成噪声抑制。
本发明所述的一种全数字磁通门型电流传感器，既可以实现电流传感器的高精度、高线性度，增加了电流传感器的鲁棒性，同时还通过全数字控制的方法加以实现，降低了模拟器件固有的偏差。同时，本发明所述的一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，对电流传感器受到的外部干扰、内部偏差以及电路噪声都具有很强的抑制能力。
附图说明
图1为绕组结构示意图；
图2为一种全数字磁通门型电流传感器原理框图；
图3为一种全数字磁通门型电流传感器电路结构框图；
图4为激磁绕组激磁原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1、2、3和4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种全数字磁通门型电流传感器，包括：绕组结构和处理电路，具体结构如下：
如图1所示，绕组结构包括：位于磁芯16原边的直流绕组11和反馈绕组15，以及位于磁芯16副边的两个激磁绕组12、两个补偿绕组13和交流绕组14，两个激磁绕组12的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组15串联有采样电阻17。
处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，具体结构如下：
激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组12产生大小相等、方向相反的激磁磁场。
进一步的，激磁单元包括开关功率放大模块和数字芯片内部的激磁模块，激磁模块包括方波发生器和PWM输出子模块，方波发生器的高频方波信号输出端连接PWM输出子模块的高频方波信号输入端，PWM输出子模块的脉宽调制信号输出端连接开关功率放大模块的脉宽调制信号输入端，开关功率放大模块的放大信号输出至两个激磁绕组12，使得两个激磁绕组12产生激磁磁场。数字芯片保证了足够的电流来驱动两个激磁绕组12，从而保证激磁磁场的稳定性。
相敏解调单元用于采集两个激磁绕组12和交流绕组14的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组15上。
进一步的，相敏解调单元包括：两个模数转换模块、数模转换模块、线性功率放大模块、以及数字芯片内的低通滤波模块、二次谐波提取模块和补偿模块。一个模数转换模块用于将两个激磁绕组12的直流电压模拟量转换为数字的直流电压值、并发送给低通滤波模块，二次谐波提取模块提取滤波后的直流电压值的谐波分量并发送给补偿模块；另一个模数转换模块用于将交流绕组14的交流电压模拟量转换为数字的交流电压值、并发送给补偿模块；补偿模块根据下式对采集到的两种电压值进行积分，获得反馈电压值utotal：
utotal＝∫(uac+udc)dt
其中，uac为交流电压值的谐波分量，udc为直流电压值；
数模转换模块用于将反馈电压值转换为模拟量并发送至线性功率放大模块，线性功率放大模块的放大信号输出至反馈绕组15上。
上述模数转换模块和数模转换模块均为精度在16位以上的转换器。
电流补偿单元用于分别对两个补偿绕组13进行高频噪声补偿和低频噪声补偿。
进一步的，电流补偿单元包括：两个功率放大模块以及数字芯片内的偏差消磁模块、低频噪声补偿模块和高频噪声补偿模块。偏差消磁模块用于消除磁芯16的固有偏差。
低频噪声补偿模块根据外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL：
Figure BDA0002505185260000041
其中，ΔB为外部扰动磁场，ωl为扰动的角频率，t为时间，kL为补偿的比例系数。
然后将电压值ΔUL转换为低频噪声补偿电压模拟信号，再通过一个功率放大模块将低频噪声补偿电压模拟信号输出至一个补偿绕组13上。
高频噪声补偿模块根据反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH：
Figure BDA0002505185260000042
其中，kH为折算系数，u2nd为utotal的二次谐波分量，s为拉普拉斯算子，ωc为截止频率，uconst为空间高频干扰。
然后将电压值ΔUH转换为高频噪声补偿电压模拟信号，再通过另一个功率放大模块将高频噪声补偿电压模拟信号输出至另一个补偿绕组13上。
本实施方式中，反馈绕组15和交流绕组14用于将电流传感器检测到的直流和交流电流数值输出，其中反馈绕组15用来检测直流，交流绕组14用来检测交流电流。补偿绕组13用于补偿电流检测环节过程中的低频噪声扰动和高频噪声扰动，其中一个补偿绕组13用来补偿低频噪声扰动，另一个补偿绕组13用来补偿高频噪声扰动。磁芯16用于产生激磁磁场以及用来在补偿和反馈绕组中获得电流。其中，磁芯采用高磁导率、低矫顽力、低损耗的缠绕型的钴基非晶合金材料。
电流传感器的处理电路采用全数字的方式实现。利用数字芯片实现了上述的激磁信号发生、二次谐波提取、电流滤波、积分求和、高低频补偿功能。本实施方式的数字芯片采用TI公司的DSP——TMS320F28335或者xilinx公司的FPGA——sparntan3来实现上述数字电路的功能。采样的AD和DA芯片都是16位及以上精度，无失真的高精度转换器。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，所述电流传感器包括：位于磁芯16原边的直流绕组11和反馈绕组15，以及位于磁芯16副边的两个激磁绕组12、两个补偿绕组13和交流绕组14，两个激磁绕组12的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组15串联有采样电阻17。
所述噪声抑制方法包括以下步骤：
步骤一：利用高频方波信号驱动两个激磁绕组12产生激磁磁场；
步骤二：分别采集两个激磁绕组12和交流绕组14的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值utotal：
utotal＝∫(uac+udc)dt
uac为交流电压值的谐波分量，udc为直流电压值；
将该反馈电压值utotal施加到反馈绕组15上；
步骤三：利用外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL：
Figure BDA0002505185260000051
其中，ΔB为外部扰动磁场，ωl为扰动的角频率，t为时间，kL为补偿的比例系数。
利用反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH，
Figure BDA0002505185260000061
其中，kH为折算系数，u2nd为utotal的二次谐波分量，s为拉普拉斯算子，ωc为截止频率，uconst为空间高频干扰。
分别将ΔUL和ΔUH施加到两个补偿绕组13上，完成噪声抑制。
在上述步骤的同时对磁芯16在反复磁饱和状态下产生的固有偏差进行消除。
具体实施例：
一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，所述电流传感器包括：位于磁芯16原边的直流绕组11和反馈绕组15，以及位于磁芯16副边的两个激磁绕组12、两个补偿绕组13和交流绕组14，两个激磁绕组12的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组15串联有采样电阻17。
所述方法具体如下：
第一步：利用TMS320F28335的pwm功能，发出占空比为50％、40kHz的方波信号，该方波信号通过功率管MOSFET芯片IRF640将信号放大为15v的功率驱动信号，送给两个激磁绕组12，从而形成激磁磁场，由于两个激磁绕组12使用同一个磁芯，而且匝数相同、绕制方向相反，因此其磁场在没有电流改变的情况下为零。
第二步：当外部被检测直流电流有改变时，由于受到磁芯饱和以及矩形磁滞回线的影响，激磁磁场发生变化，产生的电流通过两个激磁绕组12的另一端输出；该电流通过AD采样的方式获得，同时通过低通滤波以及电流二次谐波提取，然后再经过积分的方法，在数字芯片内部获得电流数值。
第三步：如果被测电流为交流电流，磁场将会实时变化，为了快速检测磁场，直接在交流绕组14上检测交变的电流数值，然后利用AD将其转换为数字量，在数字芯片内部通过积分的方法获得对应的电流数值。
第四步：将直流和交流的检测电流数值合成，形成了被测电流对应的输出电流数值，然而，由于励磁磁场容易受到电磁噪声的影响，为了进一步消除噪声的影响，将软件计算出来的电流偏差，通过DA的方式输出并利用线性功放加以放大给两个补偿绕组13，用于补偿磁场产生的高频噪声和低频噪声。
第五步：最后为了保证磁芯能够在反复磁饱和状态下产生偏差，设置消磁电路消除固有偏差。然后将电流的数字量数值转换为模拟量输出，然后通过线性功放输出给反馈补偿绕组，并利用采样电阻获得所需要的电流值。

Claims (12)

1.一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，包括：绕组结构和处理电路，
绕组结构包括：位于磁芯(16)原边的直流绕组(11)和反馈绕组(15)，以及位于磁芯(16)副边的两个激磁绕组(12)、两个补偿绕组(13)和交流绕组(14)，两个激磁绕组(12)的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组(15)串联有采样电阻(17)；
处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，
激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组(12)产生激磁磁场，
相敏解调单元用于采集两个激磁绕组(12)和交流绕组(14)的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组(15)上，
电流补偿单元用于分别对两个补偿绕组(13)进行高频噪声补偿和低频噪声补偿。
2.根据权利要求1所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，激磁单元包括开关功率放大模块和数字芯片内部的激磁模块，激磁模块包括方波发生器和PWM输出子模块，
方波发生器的高频方波信号输出端连接PWM输出子模块的高频方波信号输入端，PWM输出子模块的脉宽调制信号输出端连接开关功率放大模块的脉宽调制信号输入端，开关功率放大模块的放大信号输出至两个激磁绕组(12)，使得两个激磁绕组(12)产生激磁磁场。
3.根据权利要求1所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，相敏解调单元包括：两个模数转换模块、数模转换模块、线性功率放大模块、以及数字芯片内的低通滤波模块、二次谐波提取模块和补偿模块，
一个模数转换模块用于将两个激磁绕组(12)的直流电压模拟量转换为数字的直流电压值、并发送给低通滤波模块，二次谐波提取模块提取滤波后的直流电压值的谐波分量并发送给补偿模块；
另一个模数转换模块用于将交流绕组(14)的交流电压模拟量转换为数字的交流电压值、并发送给补偿模块；
补偿模块根据下式对采集到的两种电压值进行积分，获得反馈电压值utotal：
utotal＝∫(uac+udc)dt
uac为交流电压值的谐波分量，udc为直流电压值；
数模转换模块用于将反馈电压值转换为模拟量并发送至线性功率放大模块，线性功率放大模块的放大信号输出至反馈绕组(15)上。
4.根据权利要求3所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，模数转换模块和数模转换模块均为精度在16位以上的转换器。
5.根据权利要求3所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，其特征在于，电流补偿单元包括：两个功率放大模块以及数字芯片内的偏差消磁模块、低频噪声补偿模块和高频噪声补偿模块，
偏差消磁模块用于消除磁芯(16)的固有偏差；
低频噪声补偿模块根据外部环境磁干扰获得低频噪声补偿电压值、并转换为低频噪声补偿电压模拟信号，再通过一个功率放大模块将低频噪声补偿电压模拟信号输出至一个补偿绕组(13)上；
高频噪声补偿模块根据反馈电压值获得高频噪声补偿电压值、并转换为高频噪声补偿电压模拟信号，再通过另一个功率放大模块将高频噪声补偿电压模拟信号输出至另一个补偿绕组(13)上。
6.根据权利要求5所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，利用下式根据外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL：
Figure FDA0002505185250000021
其中，ΔB为外部扰动磁场，ωl为扰动的角频率，t为时间，kL为补偿的比例系数。
7.根据权利要求5所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，利用下式根据反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH：
Figure FDA0002505185250000022
其中，kH为折算系数，u2nd为utotal的二次谐波分量，s为拉普拉斯算子，ωc为截止频率，uconst为空间高频干扰。
8.根据权利要求2、3或5所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，数字芯片为FPGA或DSP。
9.一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，所述电流传感器包括：位于磁芯(16)原边的直流绕组(11)和反馈绕组(15)，以及位于磁芯(16)副边的两个激磁绕组(12)、两个补偿绕组(13)和交流绕组(14)，两个激磁绕组(12)的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组(15)串联有采样电阻(17)，
其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用高频方波信号驱动两个激磁绕组(12)产生激磁磁场；
步骤二：分别采集两个激磁绕组(12)和交流绕组(14)的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值utotal，并将该反馈电压值utotal施加到反馈绕组(15)上；
步骤三：利用外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL，利用反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH，分别将ΔUL和ΔUH施加到两个补偿绕组(13)上，完成噪声抑制。
10.根据权利要求9所述的噪声抑制方法，其特征在于，还包括对磁芯(16)在反复磁饱和状态下产生的固有偏差进行消除。
11.根据权利要求9或10所述的噪声抑制方法，其特征在于，利用下式根据外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL：
Figure FDA0002505185250000031
其中，ΔB为外部扰动磁场，ωl为扰动的角频率，t为时间，kL为补偿的比例系数。
12.根据权利要求9或10所述的噪声抑制方法，其特征在于，利用下式根据反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH：
Figure FDA0002505185250000032
其中，kH为折算系数，u2nd为utotal的二次谐波分量，s为拉普拉斯算子，ωc为截止频率，uconst为空间高频干扰。
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