CN111929492A - 全数字磁通门型闭环电流传感器及其电流信号采集方法 - Google Patents

全数字磁通门型闭环电流传感器及其电流信号采集方法 Download PDF

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Abstract

全数字磁通门型闭环电流传感器及其电流信号采集方法，属于电流传感器技术领域，解决了现有电流传感器由于噪声和温漂导致测量精度降低的问题。本发明的绕组结构包括位于磁芯原边的初级绕组和位于磁芯副边检测绕组；检测绕组包括两个励磁绕组、反馈绕组和交流绕组；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，驱动两个激磁绕组产生激磁磁场，并通过电磁感应获取被测电路的直流变化量，相敏解调单元用于对交流绕组和励磁绕组的电流进行提取；电流补偿单元用于对提取的电流进行噪声补偿，并对反馈绕组进行电流补偿。本发明适用于电流检测。

Description

全数字磁通门型闭环电流传感器及其电流信号采集方法
技术领域
本发明属于电流传感器技术领域，具体涉及一种磁通门型电流传感器。
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、航空航天等领域具有广泛的应用。而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具有线性度好、精度高的优点，可以将大的电流信号转化成为精密准确的小电流信号。然而在反馈绕组输出电流时，要求反馈输出的电流精度高，频响快，同时输出电流也越来越大，因此常规方法的磁通门型电流传感器无法进一步提升对精度、频响以及输出电流的需求。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
本发明是为了解决现有电流传感器由于噪声和温漂导致测量精度降低的问题，提出了全数字磁通门型闭环电流传感器及其电流信号采集方法。
本发明所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，包括绕组结构和处理电路；
所述绕组结构包括位于磁芯原边的初级绕组和位于磁芯副边的检测绕组；
所述检测绕组包括两个激磁绕组、反馈绕组和交流绕组；
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，驱动两个激磁绕组产生激磁磁场；相敏解调单元用于对交流绕组和激磁绕组的电流进行提取；
电流补偿单元用于对提取的电流进行噪声补偿，并对反馈绕组进行电流补偿。
进一步地，本发明中，激磁单元包括高频信号发生单元和功率放大电路；高频信号发生单元用于产生高频方波信号，并将高频方波信号输出至功率放大电路，所述功率放大电路对高频方波信号进行功率放大，并将功率放大后的高频方波信号输出至两个激磁绕组的同名端。
进一步地，本发明中，相敏解调单元包括AD采样电路、电流滤波单元、积分电路、二次谐波检测单元和交流检测电路；
AD采样电路的信号输入端与两个激磁绕组的异名端连接，用于检测两个激磁绕组的电流信号，对检测的电流信号进行AD转换，并将转换后数字信号输出至电流滤波单元；
所述电流滤波单元对接收的数字信号进行滤波，并将滤波后的信号输出至二次谐波检测单元；
所述二次谐波检测单元对滤波后的信号进行二次谐波检测，并将检测的二次谐波信号输出至积分电路；
交流检测电路对交流绕组的电流信号进行检测，并对检测的电流信号进行AD转换；
所述积分电路同时接收交流检测电路的交流信号，对接收的交流信号和二次谐波信号进行求和后进行积分，获得检测电流信号，并将检测电流信号输出至电流补偿单元。
进一步地，本发明中，电流补偿单元包括补偿校正电路和HOWLAND电流源；
补偿校正电路接收检测电流信号和噪声干扰信号，并利用噪声干扰信号对检测电流信号进行噪声补偿和电路偏差校正，将补偿后的电流信号输出至HOWLAND电流源；
所述HOWLAND电流源对补偿后的电流信号进行放大补偿后输出至反馈绕组，对反馈绕组进行电流补偿。
进一步地，本发明中，干扰噪声为被测电路硬件的固有偏差和外部磁场的噪声变化量。
进一步地，本发明中，电流传感器绕组采用可缠绕的钴基非晶合金材料制成。
进一步地，本发明中，两个激磁绕组线圈的匝数相等，绕制方向相反。
进一步地，本发明中，高频信号发生单元采用型号为TMS320F28335的芯片实现。
进一步地，本发明中，电流补偿单元还包括DA转换电路，所述DA转换电路用于对补偿校正电路输出的补偿后的电流信号进行数字模拟转换，并将转换后的模拟信号输出至HOWLAND电流源。
本发明中提出一种全数字磁通门型电流传感器的电流信号采集方法，该方法基于上述全数字磁通门型闭环电流传感器实现，具体包括：
步骤一、利用高频方波信号对激磁绕组进行激励，产生激磁磁场；
步骤二、当被测电流包括直流电流时，在激磁磁场中，采用AD采样的方式采集激磁绕组的电流信号，获取被测电路直流电流变化量，对直流电流变化量滤波后进行二次谐波提取；
当被测电流包括交流电流时，直接通过交流绕组获取被测电流的交流变化量；
步骤三、将提取的二次谐波信号和交流变化量求和，并对求和后的信号进行积分，获取被测电流信号；
步骤四、利用干扰噪声信号和电路的固定偏差值采用PI算法对被测电流信号进行补偿，将补偿后的被测电流信号发送至HOWLAND电流源进行放大和再次矫正；
步骤五、将经HOWLAND电流源再次矫正后的电流信号发送至反馈补偿绕组，通过反馈补偿绕组获取被测电流信号。
本发明所述全数字磁通门型闭环电流传感器，采用励磁绕组产生激励磁场，在激励磁场的作用下采集被测电路的交流变化量和直流变化量，对被测电流信号产生的直流变化量进行滤波后二次谐波提取，并采用积分电路进行积分获取被测电流，采用电流补偿单元对电流进行噪声补偿、电路消磁，有效的提高了电流测量的准确性，且本发明所述方法有效的提高了电流传感器的外部磁场的噪声抑制能力，实现高精度、高线性度、高频响，增加了电流传感器的输出电流，同时又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。
附图说明
图1是本发明所述传感器的绕组原理框图；
图2是本发明所述传感器的原理框图；
图3是本发明所述传感器电路结构框图；
图4是为激磁绕组激磁原理示意图。
图5是HOWLAND电流源的电路结构示意图；
图6是数字芯片控制原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所全数字磁通门型闭环电流传感器，包括绕组结构和处理电路；所述绕组结构包括位于磁芯原边的初级绕组14和位于磁芯副边的检测绕组；
所述检测绕组包括两个激磁绕组3、反馈补偿绕组6和交流绕组13；
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，驱动两个激磁绕组3产生激磁磁场；相敏解调单元用于对交流绕组13和激磁绕组3的电流进行提取；
电流补偿单元用于对提取的电流进行噪声补偿，并对反馈补偿绕组6进行电流补偿。进一步地，结合图2说明本实施方式，本实施方式中，激磁单元包括高频信号发生单元1和功率放大电路2；高频信号发生单元1用于产生高频方波信号，并将高频方波信号输出至功率放大电路2，所述功率放大电路2对高频方波信号进行功率放大，并将功率放大后的高频方波信号输出至两个激磁绕组3的同名端。
进一步地，结合图2说明本实施方式，本实施方式中，相敏解调单元包括AD采样电路4、电流滤波单元5、积分电路9、二次谐波检测单元10和交流检测电路12；
AD采样电路4的信号输入端与两个激磁绕组3的异名端连接，用于检测两个激磁绕组3的电流信号，对检测的电流信号进行AD转换，并将转换后数字信号输出至电流滤波单元5；
所述电流滤波单元5对接收的数字信号进行滤波，并将滤波后的信号输出至二次谐波检测单元10；
所述二次谐波检测单元10对滤波后的信号进行二次谐波检测，并将检测的二次谐波信号输出至积分电路9；
交流检测电路12对交流绕组13的电流信号进行检测，并对检测的电流信号进行AD转换；
所述积分电路9同时接收交流检测电路12的交流信号，对接收的交流信号和二次谐波信号进行求和后进行积分，获得检测电流信号，并将检测电流信号输出至电流补偿单元。
进一步地，结合图2说明本实施方式，本实施方式中，电流补偿单元包括补偿校正电路8和HOWLAND电流源7；
补偿校正电路8接收检测电流信号和噪声干扰信号，并利用噪声干扰信号对检测电流信号进行噪声补偿和电路偏差校正，将补偿后的电流信号输出至HOWLAND电流源7；
所述HOWLAND电流源7对补偿后的电流信号进行放大补偿后输出至反馈补偿绕组6，对反馈补偿绕组6进行电流补偿。
进一步地，本实施方式中，干扰噪声为被测电路硬件的固有偏差和外部磁场的噪声变化量。
进一步地，本实施方式中，电流传感器绕组采用可缠绕的钴基非晶合金材料制成。
进一步地，本实施方式中，两个激磁绕组线圈的匝数相等，绕制方向相反。
进一步地，本实施方式中，高频信号发生单元1采用型号为TMS320F28335的芯片实现。
进一步地，本实施方式中，电流补偿单元还包括DA转换电路，所述DA转换电路用于对补偿校正电路8输出的补偿后的电流信号进行数字模拟转换，并将转换后的模拟信号输出至HOWLAND电流源7。本发明中激磁绕组线圈用于产生激磁磁场，由图1中的绕组A和B两个匝数相等，绕制方向相反，同一磁芯的线圈构成，用于产生大小相等、方向相反的磁场。
本实施方式所述的原边的初级绕组与待测电路连接，反馈绕组用于将检测电流传感器中的直流和交流电流数值输出，由图1中反馈绕组和交流绕组共同构成，其中励磁绕组用来检测直流，交流绕组用来检测交流电流。
磁芯用于产生激磁磁场以及用来在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。
电流传感器处理电路中的激磁单元包括产生激励信号单元和功率放大单元。高频激磁信号由数字芯片直接输出，产生高频方波信号，同时该方波信号通过功率器件来直接驱动两个激磁绕组，如图4所示，保证有足够的电流来驱动激磁绕组，从而保证激磁磁场的稳定性。
电流传感器处理电路中的相敏解调单元包括激磁电流信号提取单元、电流滤波单元、积分单元以及交变电流检测单元。按照图2和图3所示的方式，外部AD提取激磁绕组中的电流，先通过电流滤波单元，再经过电流提取单元，提取激磁电流的二次谐波分量，然后通过积分的方法获得所需要的电流，当电流交变时，通过交变电流检测单元直接检测电流变化。
电流传感器处理电路中的电流功率单元包括增强型Howland电流源、噪声补偿单元、偏磁消除单元。其中，增强型Howland电流源采用双闭环结构，如图5和图6所示，将高精度运放和大电流运放复合使用，在保证线性度和精度的条件下增大了输出电流，同时由模拟和数字双闭环电流检测方法进一步提升了电流精度。噪声补偿单元则是将检测的噪声通过前馈指令的方式给howland电流源，以确保在输出端对噪声加以抑制。偏磁消除单元在数字单元内部补偿。
电流传感器的处理电路采用全数字的方式实现。利用数字处理芯片实现了上述的激磁信号发生装置、二次谐波提取、电流滤波、积分求和、高低频补偿功能。本发明的数字处理芯片采用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芯片都是16位及以上精度，无失真的高精度数模转换器。同时数字芯片通过高精度的DA输出，将信号传递给Howland电流源。数字芯片及外部连接结构框图如图3所示，在本发明中所用的数字处理芯片只是为了描述实现功能，也可以采用其他型号的芯片实现。
具体实施方式二、本实施方式所述一种全数字磁通门型电流传感器的电流信号采集方法，该方法具体实施方式一所述的全数字磁通门型闭环电流传感器实现，具体包括：
步骤一、利用高频方波信号对激磁绕组3进行激励，产生激磁磁场；
步骤二、当被测电流包括直流电流时，在激磁磁场中，采用AD采样的方式采集激磁绕组3的电流信号，获取被测电路直流电流变化量，对直流电流变化量滤波后进行二次谐波提取；
当被测电流包括交流电流时，直接通过交流绕组获取被测电流的交流变化量；
步骤三、将提取的二次谐波信号和交流变化量求和，并对求和后的信号进行积分，获取被测电流信号；
步骤四、利用干扰噪声信号和电路的固定偏差值采用PI算法对被测电流信号进行补偿，将补偿后的被测电流信号发送至HOWLAND电流源7进行放大和再次矫正；
步骤五、将经HOWLAND电流源7再次矫正后的电流信号发送至反馈补偿绕组，通过反馈补偿绕组获取被测电流信号。
具体实施例：
第一步：利用型号为TMS320F28335的芯片的pwm功能，发出占空比为50％的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，送给激磁绕组，从而形成激磁磁场，由于激磁绕组使用同一个磁芯，而且匝数相同，但绕制方向相反，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，产生的电流通过激磁绕组的异名端输出；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，然后在经过积分的方法，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量，磁场将会实时变化，为了快速检测磁场，直接在交流绕组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，将软件计算出电流偏差，将该电流偏差以前馈的形式叠加到电流指令的输出端，通过DA输出，送入到外部电流源。
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。
第六步：电流源部分采用增强型howland电流源结构，如图5所示。采用了高精密运放和大功率运放复合式结构，其中，高精密运放用来做为反馈回路输出，用来提升电流源的精度和频响，大功率运放用来做前向通道的输出，用来提升电流源的输出电流。
第七步：对反馈绕组的输出电流做二次电流闭环检测，采集另外一个采样电阻两端的电压UR，通过AD采样该电压送入到数字芯片从而获得检测电流，并利用指令和反馈构成闭环电流反馈，闭环电流调节器采用PI调节器，输出后利用高精度DA送入到HOWLAND源输入端。其中数字闭环的AD和DA全部采用16位以上的高精度芯片。
本发明构建了howland电流源电路，提升了电流传感器的响应速度，同时构建了数字电流的闭环反馈矫正网络，提升了检测电流的精度；并进一步提出了噪声补偿方法，提升了电流检测的精度。而且上述方法全部通过数字化的处理方式实现。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，包括绕组结构和处理电路；
所述绕组结构包括位于磁芯原边的初级绕组(14)和位于磁芯副边的检测绕组；
所述检测绕组包括两个激磁绕组(3)、反馈补偿绕组(6)和交流绕组(13)；
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，驱动两个激磁绕组(3)产生激磁磁场；相敏解调单元用于对交流绕组(13)和激磁绕组(3)的电流进行提取；
电流补偿单元用于对提取的电流进行噪声补偿，并对反馈补偿绕组(6)进行电流补偿。
2.根据权利要求1所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，激磁单元包括高频信号发生单元(1)和功率放大电路(2)；高频信号发生单元(1)用于产生高频方波信号，并将高频方波信号输出至功率放大电路(2)，所述功率放大电路(2)对高频方波信号进行功率放大，并将功率放大后的高频方波信号输出至两个激磁绕组(3)的同名端。
3.根据权利要求1或2所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，相敏解调单元包括AD采样电路(4)、电流滤波单元(5)、积分电路(9)、二次谐波检测单元(10)和交流检测电路(12)；
AD采样电路(4)的信号输入端与两个激磁绕组(3)的异名端连接，用于检测两个激磁绕组(3)的电流信号，对检测的电流信号进行AD转换，并将转换后数字信号输出至电流滤波单元(5)；
所述电流滤波单元(5)对接收的数字信号进行滤波，并将滤波后的信号输出至二次谐波检测单元(10)；
所述二次谐波检测单元(10)对滤波后的信号进行二次谐波检测，并将检测的二次谐波信号输出至积分电路(9)；
交流检测电路(12)对交流绕组(13)的电流信号进行检测，并对检测的电流信号进行AD转换；
所述积分电路(9)同时接收交流检测电路(12)的交流信号，对接收的交流信号和二次谐波信号进行求和后进行积分，获得检测电流信号，并将检测电流信号输出至电流补偿单元。
4.根据权利要求1所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，电流补偿单元包括补偿校正电路(8)和HOWLAND电流源(7)；
补偿校正电路(8)接收检测电流信号和噪声干扰信号，并利用噪声干扰信号对检测电流信号进行噪声补偿和电路偏差校正，将补偿后的电流信号输出至HOWLAND电流源(7)；
所述HOWLAND电流源(7)对补偿后的电流信号进行放大补偿后输出至反馈补偿绕组(6)，对反馈补偿绕组(6)进行电流补偿。
5.根据权利要求4所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，干扰噪声为被测电路硬件的固有偏差和外部磁场的噪声变化量。
6.根据权利要求1所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，两个激磁绕组(3)、反馈补偿绕组(6)和交流绕组(13)均采用可缠绕的钴基非晶合金材料制成。
7.根据权利要求1所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，两个激磁绕组线圈的匝数相等，绕制方向相反。
8.根据权利要求2所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，高频信号发生单元(1)采用型号为TMS320F28335的芯片实现。
9.根据权利要求1所述的全数字磁通门型闭环电流传感器，其特征在于，电流补偿单元还包括DA转换电路，所述DA转换电路用于对补偿校正电路(8)输出的补偿后的电流信号进行数字模拟转换，并将转换后的模拟信号输出至HOWLAND电流源(7)。
10.全数字磁通门型电流传感器的电流信号采集方法，该方法基于权利要求1所述的全数字磁通门型闭环电流传感器实现，其特征在于，具体包括：
步骤一、利用高频方波信号对激磁绕组(3)进行激励，产生激磁磁场；
步骤二、当被测电流包括直流电流时，在激磁磁场中，采用AD采样的方式采集激磁绕组(3)的电流信号，获取被测电路直流电流变化量，对直流电流变化量滤波后进行二次谐波提取；
当被测电流包括交流电流时，直接通过交流绕组获取被测电流的交流变化量；
步骤三、将提取的二次谐波信号和交流变化量求和，并对求和后的信号进行积分，获取被测电流信号；
步骤四、利用干扰噪声信号和电路的固定偏差值采用PI算法对被测电流信号进行补偿，将补偿后的被测电流信号发送至HOWLAND电流源(7)进行放大和再次矫正；
步骤五、将经HOWLAND电流源(7)再次矫正后的电流信号发送至反馈补偿绕组，通过反馈补偿绕组获取被测电流信号。
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