CN113189384A - 磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：在当前采集周期，采集磁通门电流传感器电路中由自激振荡产生方波模块给出的激励信号引入的纹波噪声信号；利用模拟放大电路对纹波噪声信号进行放大处理；得到若干采集周期的放大后的纹波噪声信号，对采集到的若干采集周期的放大纹波噪声信号进行数字处理，转换为噪声抵消信号；将噪声抵消信号通过数模转换模块输入到磁通门电流传感器电路中，利用噪声抵消信号对磁通门电流传感器电路的纹波噪声进行抵消。根据对已有的样机进行测试得到的结果，本发明的纹波噪声抵消功能可以显著减小电流传感器中的纹波噪声，并表现出很好的稳定性。

Description

磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法

技术领域

本发明涉及一种针对磁通门大电流传感器调制纹波的开环电补偿抑制方法。

背景技术

电流传感器主要分为两大类：一种基于欧姆电阻定律，另一种基于法拉第电磁感应定律。电阻分流器是基于欧姆定律的一种电流传感器，由于上升速度快、振幅大被广泛应用于测量瞬时电流脉冲。由于常规电阻分流器测量噪声大，测量结果误差较大且不稳定。对于测量100kA的大脉冲电流，趋肤效应将成为测量带宽的主要限制因素。对于高集成度的电子器件，同轴电阻分流器体积大，价格昂贵，通常只适用于测量快速电流脉冲。在大多数环境下，常使用厚膜结构的表面贴装设备(SMDs)应用于高度集成电路。这些电阻分流器常用于测量100-200A的电流，对于比较大的电流，损耗也会变得很大。而更高的集成往往以更高的寄生电感为代价。所以通常考虑使用电路中的导电器件(通常为铜导线)作为电流传感器。这种方法测量成本低，没有额外的能量损失。但是由于电阻很小，电流限制低，通常电压降很小，很难保证测量精度。罗格夫斯基线圈是基于法拉第电磁感应定律的电流传感器，该传感器测量高频电流性能优异，但如果被测量电流不居于线圈中心，将导致很大的测量误差。由于罗格夫斯基线圈是基于检测磁通变化的，而磁通变化与电流变化成正比。如果不知道初始条件的电流是多少，就不能重建直流分量。而实际积分器并不理想，可能会出现较小但稳定的偏置电压，频率响应必然受到影响，从而降低了低频增益。因此罗格夫斯基线圈不适合测量低频电流。为了抑制初始电流产生的磁通，一种利用电流互感的传感器被提出来。电流互感传感器结构与罗格夫斯基线圈基本相同，其优点是不需要积分器，即避免了因为积分器的电流偏置、漂移或者输出饱和而降低精度。为了测量直流电流产生的静电场，磁场传感器也成为研究的重点。磁场传感器优越性在于其既可以测量静态场又可以测量动态场。基于磁场传感器装置的电流传感器通常有三种结构：开环结构，闭环结构以及将磁场传感器和电流互感器或罗格夫斯基线圈组合的结构。开环结构即用磁场传感器直接测量导体周围磁场，该方式受外部磁场影响显著，而外加磁屏蔽将使得传感器周围磁场变得更加复杂。在闭环结构中，其基本原理是将磁传感器的输出电压作为误差信号，通过外加电流来补偿磁芯内部的磁化。使磁芯达到零磁通状态，从而测量电流大小。闭环技术在实际运用中会有磁芯损耗，并且成本更高，体积更大，需要更高的电源电压来提高磁通补偿。现有一款电流传感器，结合了开环结构与磁场传感器。由于不需要补偿电流，功耗大大降低。磁通门电流传感器是结合了磁通门传感器与电流互感器的一款电流传感器。磁通门是很可靠的固体器件，可以在很宽的温度范围工作，温漂远低于0.1nT/℃，且其磁场最小的分辨率可达到100pT量级。常见的磁通门传感器磁芯有赛道型和环形等，其中赛道型传感器拥有较低的退磁系数即较高的灵敏度但对垂直场的灵敏度较低。而环形磁芯具有较高的退磁系数即较低的灵敏度，但环形的几何形状可有效降低噪声。

在磁通门电流传感器中，磁饱和型电流传感器具有优良的直流以及大电流检测能力，且线性度相对于其他几类电流传感器是最高的。一种基于磁饱和的双环形磁芯型峰值检测电流传感器，两磁芯用一根导线以相同的方向绕制，其中一个磁芯用作低频或者直流电流测量，另一个磁芯用于高频电流测量。对两磁芯反馈线圈上的输出的信号进行积分可检测电流的大小。该传感器对小电流有较高灵敏度，但抗噪声性能比较差。基于磁饱和的三磁芯的峰值检测型磁通门传感器，该传感器由三个相同的磁芯构成，其中两个磁芯用于低频电流检测。此两个磁芯上导线绕向相反，这样做可以良好的避免由初级线圈引入的噪声。第三个磁芯用于高频电流检测。该传感器可以检测最大峰值为1kA的电流。一种改进的三磁芯电流传感器，该传感器将高频磁芯套在低频磁芯外，该方法可大幅减小传感器体积。同时利用二次谐波检测法，可有效消除由初始电流带来直流偏置。

降低电流传感器噪声等级方案主要是从电路硬件和噪声信号处理方法两个方向入手。磁通门电流传感器中存在励磁电流频率和其倍频的噪声信号，并且因为磁通门传感器能测量较小的磁场，会被传感器外界的各种类型的噪声干扰，所以也需要对于环境中的噪声进行控制。针对这种问题，提出了一种对传感器中励磁噪声进行控制的电路方案，其电路系统中的锁相系统可以采集信号中的励磁信号噪声的2倍频分量，并将采集到的噪声信号进行反馈来降低测量系统中的励磁电流噪声。另一种包裹在磁通门磁芯线圈外部的三轴线框系统，能够通过外部的控制部分调节线框中电流，进而对磁芯所处的区域的磁场进行控制，以降低外部噪声对传感器测量精确度的影响。利用两个磁通门传感器构建了一个在无屏蔽环境下测量弱磁场的系统，其系统是利用两个磁通门做差分，将环境中的共模信号通过差分系统进行消除，保留需要测量的差模信号。对于消除励磁电流频率和其倍频的噪声信号，根据噪声波形计算需要补偿的数字信号，并将该信号转换成模拟信号。磁通门电流传感器产品中，主要运用了两种减小噪声的方法。第一种是在运用于低频信号测量的线圈正上方，平行放置一个与低频测量线圈参数完全相同的线圈，但产生磁场的方向相反，在两个线圈中通入励磁电流后，在空间中产生的磁场等大反向，两个线圈对外表现为没有磁场，进而不会在其他测量线圈中引入励磁电流频率的纹波噪声。第二种是利用磁补偿的方式进行纹波抵消，在传感器系统中加入噪声反馈抵消电路，并在磁芯结构上加入一个用来做噪声抵消的绕组，将噪声抵消信号通过反馈抵消电路输入到抵消绕组中，该绕组会在磁芯结构中产生用于抵消励磁电流噪声的磁场，进而实现利用磁场对纹波噪声进行抑制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前利用非线性磁材料特性的磁通门电流传感器，其励磁方波会在实际测量结果中引入激励信号频率以及激励信号频率倍频的纹波噪声，对电流的高精度测量造成影响。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，将采样电阻上的纹波噪声信息采集，经过纹波抵消系统对纹波信号进行放大采样，得到纹波抵消信号，再输入到采样电路处进行纹波噪声抵消。

优选地，所述纹波噪声抵消包括以下步骤：

步骤1、在当前采集周期，采集磁通门电流传感器电路中由饱和磁化激励引入的纹波噪声信号；

步骤2、利用模拟放大电路对步骤1采集的纹波噪声信号进行放大处理；

步骤3、对采集到的纹波噪声信号进行数字处理，反相转换为噪声抵消信号；

步骤4、将噪声抵消信号通过数模转换模块输入到磁通门电流传感器电路中，利用噪声抵消信号对磁通门电流传感器电路的纹波噪声进行抵消，从而达到降低噪声强度、提高磁通门电流传感器电路测量精度的效果。

优选地，步骤1中，在磁通门电流传感器电路每一次上电时，都对当前磁通门电流传感器电路中的所述纹波噪声信号进行采集。

优选地，在步骤2中，具体采用以下步骤对纹波噪声信号进行放大处理：

步骤201、在测量电阻R上采集得到的所述纹波噪声信号N₁，随后经过信号隔离单元输入到放大电路，利用信号隔离单元克服后端电路工作对前端信号带来的影响；

步骤202、通过放大电路放大微伏级别的所述纹波噪声信号N₁，从而得到模拟信号N₂；

步骤203、通过模数转换模块将模拟信号N₂转换为数字信号N₃。

优选地，步骤201中，所述信号隔离单元采用电压跟随电路实现；所述模数转换模块采用数模芯片实现；步骤4中，所述数模转换模块采用数模转换芯片实现。

优选地，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤301、重复所述步骤1及所述步骤2，获得多个采集周期的所述数字信号N₃，并分别存储为纹波噪声数据，获得纹波噪声数据；

步骤302、对每个纹波噪声数据进行峰值检波，提取每个纹波噪声数据的极大值；

步骤303、在纹波噪声数据中取两两相邻的两个极大值之间的数据，将每两个相邻极大值之间的数据定义为一个周期信号，则基于纹波噪声数据得到n个周期信号；

步骤304、对n个周期信号采用平均值滤波得到平均值周期信号；

步骤305、对纹波噪声数据的所有数据点求均值，得到采集信号的基准电压R₀，将平均值周期信号关于基准电压R₀取反，得到所述噪声抵消信号C₁。

优选地，步骤302中，在对纹波噪声数据进行峰值检波时，设定一个阈值T，在高于阈值T的纹波噪声数据中取所述极大值。

优选地，步骤304中，具体通过以下方法获得所述平均值周期信号：

确定每个周期内数据点的序号，并对每个周期内相对应序号的纹波噪声数据进行累加并取平均，得到n个周期信号叠加取平均的平均值周期信号。

优选地，步骤4中，从所述自激振荡产生方波模块采集激励信号的频率，将所述噪声抵消信号按照该频率输出至所述数模转换模块。

优选地，步骤4中，利用噪声抵消信号对磁通门电流传感器电路的纹波噪声进行抵消包括以下步骤：

先由数模转换模块将噪声抵消信号转换为模拟信号，再由电压幅值调整模块将模拟信号的电压幅值微调至与纹波噪声信号的幅值相等，从而达到抑制纹波噪声的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)可以针对每次正常工作时的纹波噪声进行针对性地抵消，防止每次上电时纹波信号的差别对抵消效果产生影响；(2)样机的测试结果表明，纹波噪声抵消功能可以显著减小电流传感器中的纹波噪声；(3)纹波抵消功能在实际测试中，表现出很好的稳定性。在长时间大电流输入的工作情况下，也不会出现抵消效果变差的情况。

附图说明

图1为电流传感器纹波抵消方案系统框图；

图2为放大采集进数字系统的纹波噪声波形；

图3为纹波噪声信号数据处理示意图；

图4为输入电流600A基频纹波噪声抵消前后对比频谱；

图5为输入电流600A三倍频纹波噪声抵消前后对比频谱；

图6为长时间大电流输入情况下基频纹波噪声抵消效果图；

图7为长时间大电流输入情况下三倍频纹波噪声抵消效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例公开的一种磁通门电流传感器二次侧纹波电流补偿方法具体包括以下步骤：

步骤1、使用模拟放大电路，将磁通门电流传感器电路中由激励信号引入的纹波噪声进行放大。

步骤2、采集若干采集周期的放大后纹波噪声，随后进行数字处理，转换为噪声抵消信号。

步骤3、将噪声抵消信号通过数模转换芯片输入到磁通门电流传感器电路中，对磁通门电流传感器电路的纹波噪声进行抵消，达到降低噪声强度、提高传感器测量精度的效果。

磁通门电流传感器电路的系统框图如图1所示，由模拟电路电流检测部分和数字电路纹波电补偿部分组成。

模拟电路电流检测部分使用的是已有的磁通门电流传感器中的电路，由低频电流检测部分和高频电流检测部分组成。待测电流如图中I_p所示，从传感器的磁环中流过，会在磁环中产生一个待测电流磁通Φ_p。低频测量线圈为图1中的线圈1，自激振荡电路会向线圈1中通入固定频率的方波电流信号I_e，由于传感器中使用的磁环的材料是非线性磁性材料，待测电流的磁通会导致I_e波形出现偏移，得到信号V_sh，通过低通滤波得到V₁是低频测量部分的信号。高频测量线圈为图1中的线圈3，I_p的高频分量在线圈3中产生的信号通过高通滤波模块，得到V₂是待测电流中的高频信号。得到的低频信号V₁和高频信号V₂通过积分器得到反馈用的信号V₃，经过功率放大器输入到反馈线圈2中。整个系统的工作条件为，待测电流I_p产生的磁通与反馈线圈3在磁芯中产生的磁通等大反向，使磁芯处于零磁通的稳态，进而实现通过测量线圈2中的电流推算待测电流I_p大小的功能。

该传感器纹波抵消方案的框图如图1虚线框中所示，虚线框中的电路实现了纹波噪声抑制的功能。主要功能划分为以下几个部分：纹波噪声放大采集部分、纹波噪声信号数据处理部分和噪声抵消信号输出部分。虚线框外的电路是磁通门电流传感器的工作和测量部分。

纹波噪声放大采集部分由电压跟随电路、放大电路和模数转换模块组成。纹波噪声信号N₁在测量电阻R上测得，经过电压跟随电路输入到放大电路。电压跟随电路的功能为信号隔离，避免由于后端电路工作对前端信号带来的影响。放大电路的功能为放大纹波噪声信号，用于放大微伏级别的噪声信号，避免直接用数模芯片进行数据转换降低噪声精度，纹波噪声信号N₁经过放大得到模拟信号N₂。模数转换模块的功能为将放大后的纹波噪声N₂由模拟信号转换为数字信号N₃，并输入到数字芯片中。

纹波噪声信号数据处理部分包括模数转换和数字信号处理。该部分芯片主要负责纹波噪声数据处理部分的功能，包含数模转换功能与纹波噪声信号处理功能。

纹波噪声信号处理部分由以下步骤组成：

步骤1、获得多个采集周期的所述数字信号N₃，并分别存储为纹波噪声数据，获得纹波噪声数据集{x(0),x(1),……,x(n)}，x(n)为第n个采集周期的纹波噪声数据，n为预先设定好的采集周期数；

步骤2、对每个纹波噪声数据进行峰值检波，设定一个阈值T，在高于阈值T的纹波噪声数据中取每个纹波噪声数据的极大值，组成极大值数据集{S(0),S(1),……,S(n)}，S(n)为通过峰值检波从第n个采集周期的纹波噪声数据x(n)取出的极大值；S(0),S(1),……,S(n)为纹波噪声数据x(0),x(1),……,x(n)的波峰；

步骤3、在纹波噪声数据集{x(0),x(1),……,x(n)}中取两两相邻的两个极大值之间的数据，将每两个相邻极大值之间的数据定义为一个周期信号，则基于纹波噪声数据集{x(0),x(1),……,x(n)}得到n个周期信号P(1),P(2),……,P(n)；

步骤4、对n个周期信号P(1),P(2),……,P(n)采用平均值滤波得到平均值周期信号P-aver，包括以下步骤：

确定每个周期内数据点的序号，并对每个周期内相对应序号的纹波噪声数据进行累加并取平均，得到n个周期信号P(1),P(2),……,P(n)叠加取平均的平均值周期信号P-aver；

步骤5、对纹波噪声数据集{x(0),x(1),……,x(n)}的所有数据点求均值，得到采集信号的基准电压R₀，将平均值周期信号P-aver关于基准电压R₀取反，得到所述噪声抵消信号C₁。

噪声抵消信号输出部分由数模转换模块和电压幅值调整模块组成。数模转换模块的功能是将噪声抵消信号C₁转换为模拟信号C₂。电压幅值调整模块的功能是将模拟信号C₂的电压幅值进行微调，使调整后的噪声抵消信号C₂与纹波噪声信号N₁的幅值相等，达到抑制纹波噪声的目的。电压幅值调整模块采用比较器电路。

申请人在实验室设计原理样机并用电流源和频谱分析仪，对设计的原理样机进行测试。

实验设置：

使用直流电流源作为测量电流的输入源，使用计算机作为数字芯片的控制及供电设备。在电流传感器上电正常工作之后，使用频谱分析仪分别测量输入电流为600A时电流传感器测量电阻上纹波噪声的频谱，对比在纹波噪声抵消功能不工作时的噪声频谱，并测试了在长时间大电流输入的情况下，纹波噪声抵消效果是否有变化。

实验结果：

以下所有频谱图中的结果，主要关注纹波基频频率以及3倍频频率的幅值。

纹波噪声抵消功能开启前后的基频噪声频谱如图4所示。

纹波噪声抵消功能开启前后的三倍频噪声频谱如图5所示。

对比纹波噪声抵消功能开启前后的谱线，基频纹波噪声和三倍频纹波噪声的幅值均有明显降低，证明纹波抵消功能的降低特定频率噪声的效果显著。

长时间输出电流的纹波噪声频谱对比结果如图6、图7所示，图中分别展示了输入电流为600A时，起始输入和输入时长为10分钟时的基频和三倍频纹波噪声频谱。从结果谱线上看，在长时间输入大电流的情况下，纹波的幅值没有明显变化，证明系统在此情况下有良好的稳定性。

Claims (10)

1.一种磁通门电流传感器采样端口的噪声补偿方法，其特征在于，采集采样端口上的噪声，经过信号处理后得到抵消信号，再输入到采样端口进行抵消。

2.如权利要求1所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，所述纹波噪声抵消包括以下步骤：

步骤1、在当前采集周期，采集磁通门电流传感器电路中由自激振荡产生方波模块给出的激励信号引入的纹波噪声信号；

步骤2、利用模拟放大电路对步骤1采集的纹波噪声信号进行放大处理；

步骤3、重复步骤1及步骤2，直至得到若干采集周期的放大后的纹波噪声信号，对采集到的若干采集周期的放大纹波噪声信号进行数字处理，转换为噪声抵消信号；

步骤4、将噪声抵消信号通过数模转换模块输入到磁通门电流传感器电路中，利用噪声抵消信号对磁通门电流传感器电路的纹波噪声进行抵消，从而达到降低噪声强度、提高磁通门电流传感器电路测量精度的效果。

3.如权利要求2所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，步骤1中，在磁通门电流传感器电路每一次上电时，都对当前磁通门电流传感器电路中的所述纹波噪声信号进行采集。

4.如权利要求2所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，在步骤2中，具体采用以下步骤对纹波噪声信号进行放大处理：

步骤201、在测量电阻R上采集得到的所述纹波噪声信号N₁，随后经过信号隔离单元输入到放大电路，利用信号隔离单元克服后端电路工作对前端信号带来的影响；

步骤202、通过放大电路放大微伏级别的所述纹波噪声信号N₁，从而得到模拟信号N₂；

步骤203、通过模数转换模块将模拟信号N₂转换为数字信号N₃。

5.如权利要求4所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，步骤201中，所述信号隔离单元采用电压跟随电路实现；所述模数转换模块采用数模芯片实现；步骤4中，所述数模转换模块采用数模转换芯片实现。

6.如权利要求4所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤301、重复所述步骤1及所述步骤2，获得多个采集周期的所述数字信号N₃，并分别存储为纹波噪声数据，获得纹波噪声数据；

步骤302、对每个纹波噪声数据进行峰值检波，提取每个纹波噪声数据的极大值；

步骤303、在纹波噪声数据中取两两相邻的两个极大值之间的数据，将每两个相邻极大值之间的数据定义为一个周期信号，则基于纹波噪声数据得到n个周期信号；

步骤304、对n个周期信号采用平均值滤波得到平均值周期信号；

步骤305、对纹波噪声数据的所有数据点求均值，得到采集信号的基准电压R₀，将平均值周期信号关于基准电压R₀取反，得到所述噪声抵消信号C₁。

7.如权利要求6所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，步骤302中，在对纹波噪声数据进行峰值检波时，设定一个阈值T，在高于阈值T的纹波噪声数据中取所述极大值。

8.如权利要求6所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，步骤304中，具体通过以下方法获得所述平均值周期信号：

确定每个周期内数据点的序号，并对每个周期内相对应序号的纹波噪声数据进行累加并取平均，得到n个周期信号叠加取平均的平均值周期信号。

9.如权利要求2所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，步骤4中，从所述自激振荡产生方波模块采集激励信号的频率，将所述噪声抵消信号按照该频率输出至所述数模转换模块。

10.如权利要求2所述的一种磁通门电流传感器采样电阻纹波电流补偿方法，其特征在于，步骤4中，利用噪声抵消信号对磁通门电流传感器电路的纹波噪声进行抵消包括以下步骤：

先由数模转换模块将噪声抵消信号转换为模拟信号，再由电压幅值调整模块将模拟信号的电压幅值微调至与纹波噪声信号的幅值相等，从而达到抑制纹波噪声的目的。

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