CN115420930A - 一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，包括有传感器测量头和信号处理单元。所述传感器测量头包括由8个线圈绕组、4个L型聚磁磁芯、4个霍尔元件、4路电流源；所述信号处理单元包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路及上位机。本发明设计了基于DSP为核心的数字控制系统构成及技术实现，采用DSP作为主控制器，结合CPLD实现信息的分配；设计了控制系统的硬件电路，包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路；设计了系统应用软件。本发明可保证传感器精度和抗干扰能力，同时可增大输出功率，并通过上位机调节参数方便了调试。
Description
技术领域
本发明属于大电流传感器领域，具体涉及一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，可用于测量交、直流电流和脉冲电流。
背景技术
传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，作为世界上应用范围最广、数量最多传感器之一的霍尔电流传感器，具有灵敏度高，精度高，温漂小，工作寿命长，可靠性、安全性高等优点。霍尔大电流传感器是市面上最常用的电流测量装置，它采用霍尔半导体元件作为磁场检测单位，通过检测原边电流产生的磁场大小来实现对原边电流的测量。霍尔电流传感器可分为开环型和闭环型两种。开环型霍尔电流传感器以磁芯作为导磁体，而将霍尔元件置于磁芯的气隙中，由于磁芯良好的导磁特性，磁芯部分的磁阻远远小于气隙的磁阻，在霍尔半导体芯片线性区间内，气隙中的磁感应强度与被测原边电流保持稳定的线性关系，测量两磁芯间气隙内的磁感应强度，结合气隙磁芯的传感系数即可获得被测原边电流的大小；但由于磁芯存在磁滞和损耗，当被测原边电流在较大范围内变化时，气隙间的磁感应强度与被测原边电流之间的线性关系将发生变化，被测原边电流越小，这种偏差越明显，因此开环型霍尔电流传感器往往精度不高，一般在10-2级左右。闭环型霍尔电流传感器即零磁通霍尔电流传感器，是在开环型霍尔电流传感器的基础改进而来，首先在磁芯上均匀套上一个线圈绕组，其次霍尔元件的功能不再是直接检测气隙间磁感应强度的大小，而是用来检测气隙间剩余磁通，霍尔元件输出的霍尔电势控制驱动一定大小的电流通过线圈绕组，使气隙中的霍尔元件始终处于动态的零磁通环境中。当测量电流时，线圈绕组与被测原边电流具有良好的线性关系，比例系数为线圈绕组的绕线匝数与被测原边电流绕线匝数之比，通过检测线圈绕组中的电流大小即可求得被测原边电流的大小。闭环型电流传感器稳定可靠，可干扰能力强，准确度可高达10-3级。综上所述，开环型霍尔电流传感器具有气隙磁芯的非线性，准确度不高，动态范围小，响应速度慢等缺点；然而闭环型霍尔电流传感器很好的解决了开环型存在的不足，因而得到了广泛的应用。
霍尔效应最早是在研究通电金属与磁场的关系时发现的，后来人们采用半导体材料取代了金属材料取得了较好的效果。具体产生的过程为：将通电的半导体材料放入磁场中，磁场的方向与电流方向夹角成90度放置，这时由于导体中载流子受到洛伦兹力作用会发生偏移，在半导体薄片的两边会产生一个电压差，在电场及磁场力的作用下载流子的运动达到一个平衡状态，这一过程即为霍尔效应产生的过程，产生的电压称之为霍尔电势，霍尔电势Vh为：
Vh＝Kh*I*B＝Rh/d*f(L/b)*I*B (1)
式中：I——通过霍尔元件的电流
B——垂直霍尔元件的磁感应强度
Kh——霍尔材料灵敏度系数
Kh＝Rh/d*f(L/b) (2)
其中：Rh——霍尔系数
L、b、d——霍尔元件的长、宽、高
f(L/b)——修正系数
传统的大电流传感器是使用模拟控制电路(主要是模拟积分器和比较器)来产生驱动二次线圈的PWM信号，这种驱动电路有着结构简单，精度不高，然而在实际使用中模拟驱动电路的缺点也非常明显，即电路抗干扰能力差、输出功率不够大、调试不方便等，因此传统的大电流传感器很难满足核聚变领域实际工作环境的需求。
发明内容
本发明的目的是提供基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，其为高精度抗干扰能力强、能满足核聚变领域实际工作环境的需求的零磁通霍尔大电流传感器。传统的零磁通霍尔电流传感器多采用模拟控制电路，电路输出功率小、调试不方便、抗干扰能力差；针对传统传感器的弊端，本发明采用DSP处理电路作为主控制器，结合CPLD处理电路；设计了控制系统的硬件电路，包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路；设计了控制系统应用软件，包括主控板的DSP程序、CPLD信息分配程序、上位机应用软件等。基于上述设计，本发明的基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器具有较高的不确定度、线性度、抗干扰性，各项指标均已达到核聚变领域的要求，具有广泛的实用性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，由测量头和信号处理单元组成；所述测量头包括4个聚磁磁芯、4个霍尔元件芯片、8个补偿线圈绕组和4路电流源；所述信号处理单元包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路和上位机；
所述补偿线圈绕组由3000匝漆包细铜丝线绕在空心环氧管上形成，所述的4个聚磁磁芯为铁磁材料片堆叠而成，所述的4个霍尔元件芯片为霍尔半导体芯片，所述的4路电流源用于为4个霍尔元件芯片和补偿线圈绕组提供驱动电流；测量电流时，将测量头套于被测导体母排上，当4个霍尔元件芯片所处的气隙磁感应强度非零时，霍尔元件芯片在电流源的驱动下输出霍尔电势，霍尔电势通过电缆在测量头和信号处理单元间传递；
所述的信号处理单元的运算放大电路把从所述霍尔元件芯片上获得的霍尔电势调节到适合输入到DSP处理电路的范围内；所述的光耦电路设置在DSP处理电路和功率放大电路之间，用于隔离数字电路和模拟电路；所述的DSP处理电路与上位机进行通信。
进一步地，所述的DSP处理电路通过采样通道一至采样通道四分别接收4个霍尔元件芯片的霍尔电势，所述霍尔电势经过信号处理电路的处理后送入DSP处理电路进行A/D转换和PI调节，之后将处理好的信号发送到CPLD处理电路；所述CPLD处理电路分配所述DSP处理电路发来的信息，将信号以PWM信号的形式分配到所述光耦电路，用于驱动所述功率放大电路中的MOSFET。
进一步地，所述DSP处理电路通过串口与上位机保持实时通信，以便操作者在上位机上远程操作和获取信息，从而实现以下三项功能：
①接受各项故障信号，在上位机的程序界面中显示；
②上位机将接收到的PWM信号以波形图或数据的形式储存下来；
③通过上位机的程序，使用者可选择开环调试和闭环运行两种模式。
进一步地，所述的光耦电路用于传递从所述DSP处理电路输出的4路PWM信号。
进一步地，所述的功率放大电路中，PWM信号驱动MOSFET导通，形成一定占空比的电压信号，加在所述补偿线圈绕组两端从而形成反馈电流。
本发明的有益效果：
针对传统零磁通霍尔传感器模拟控制的弊端，为了满足电路输出功率大、便于调试、抗外界干扰能力强的需求，在深入研究传统传感器的基础上，本发明设计了信号处理单元，即一种基于DSP为核心的数字控制系统，该系统分为硬件部分和软件部分，其中硬件部分包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路，软件部分包括DSP程序、CPLD信息分配程序、上位机应用软件等。通过搭建实验平台、分析实验波形及数据表明，此控制系统在保证传感器精度的同时，提高了零磁通霍尔传感器的抗外界干扰能力，增大了输出的功率，由于可直接通过上位机调节闭环参数，方便了传感器的调试。本发明以闭环零磁通霍尔电流传感器为基础，用于核聚变领域的40kA大电流霍尔传感器控制电路，此控制电路是以DSP芯片为核心来处理信号。此电路在保证传感器精度的同时，将信号处理控制部分与测量头分开，避免了控制电路被核聚变装置发出的强磁场干扰；可直接通过上位机调节闭环参数，方便了对传感器的调试工作，很好的满足了核聚变领域的需要。
附图说明
图1为本发明传感器测量头部分的内部结构图。
图2为本发明传感器测量头部分的外部结构图。
图3为本发明传感器信号处理单元控制电路流程图。
图4为本发明传感器信号处理单元中运算放大电路图。
图5为本发明传感器信号处理单元中DSP处理电路板块结构图。
图6为本发明传感器信号处理单元上位机应用软件控制与显示界面。
图7为本发明传感器信号处理单元中光耦电路图。
图8为本发明传感器信号处理单元中功率放大电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-3所示，本发明的基于霍尔效应的零磁通大电流传感器由测量头1和信号处理单元6两部分组成。测量头1包括4个聚磁磁芯2、4个霍尔元件芯片3、8个补偿线圈绕组4和4路电流源5。所述信号处理单元6包括运算放大电路7、DSP处理电路8、光耦电路9、功率放大电路10和上位机11。
所述的测量头1的8个补偿线圈绕组4的每个由3000匝漆包细铜丝线绕在空心环氧管上形成，所述的4个聚磁磁芯2为铁磁材料片堆叠而成，所述的4个霍尔元件芯片3为霍尔半导体芯片，所述的4路电流源5为霍尔元件芯片3的驱动电流。测量电流时，将测量头1套于被测导体母排上，当4个霍尔元件芯片3所处的气隙磁感应强度非零时，霍尔元件芯片3在电流源5的驱动下会输出霍尔电势，霍尔电势通过电缆在测量头1和信号处理单元6间传递。
如图4所示，所述的信号处理单元6的运算放大电路7把从霍尔元件芯片3上获得的霍尔电势调节到适合输入到DSP处理电路8的范围内。一次侧电流发生变化时，磁场平衡被打破，敏感的霍尔元件芯片3感应到磁场不平衡从而产生微弱霍尔电势Vh，由于电势很小，需要对此信号进行放大和调节。本发明选用OPA2277高精度、低噪声运算放大器。通过改变电阻来改变放大倍数，OPA2277的a、b引脚之间跨接电阻组成比例放大电路，f、g引脚之间跨接电阻和电容组成积分调节电路。本发明通过调节与电容相连的可调电阻来调整放大倍数。
如图5所示，所述的DSP处理电路8主要用于实现A/D转换，PI调节，过温、过压保护，与上位机11通信和开环调试等功能。所述DSP处理电路8中采样通道一至采样通道四分别接收4个霍尔元件芯片3的霍尔电势，这些信号在经过信号处理电路的处理后送入DSP处理电路8进行A/D转换和PI调节，之后DSP处理电路8将处理好的信号发送到CPLD处理电路。CPLD处理电路通过编程来分配DSP处理电路8发来的信息，将信号以PWM信号的形式分配到光耦电路9，用于驱动功率放大电路10中的MOSFET，实现此功能得益于CPLD处理电路可以很方便地改变输出定义管脚，其次CPLD处理电路还能起到保护的作用，即在收到保护信号后通过改变相应的标志位来封锁脉冲，其中能收到的保护信号包括从温度传感器发送的过温保护信号和从光耦电路9发送的过压保护信号，任一路保护都会使得CPLD处理电路不再向下一级的光耦电路9发送PWM信号。
所述DSP处理电路8通过串口与上位机11保持实时通信，以便操作者在上位机11上远程操作和获取信息，从而实现以下三项功能：
①接受各项故障信号，在上位机11的程序界面中显示。
②上位机11可以将接收到的PWM信号以波形图或数据的形式储存下来。
③通过上位机11的程序，使用者可选择开环调试和闭环运行两种模式。在开环调试模式，在上位机11上直接输入占空比即可直接控制DSP处理电路向下一级发送固定占空比的PWM信号，用于在给定固定占空比的情况下对系统进行调试；闭环运行为传感器的正常运行状态，使用者可以在上位机11上手动输入DSP处理电路8中进行PI调节的KP、KI参数。所述上位机11的应用软件控制与显示界面如图6所示。
所述的光耦电路9设置在DSP处理电路8和功率放大电路10之间，在数字电路和模拟电路之前起到隔离作用，同时也限制驱动信号大小，起到过压保护的作用。光耦电路9用于传递从DSP处理电路输出的4路PWM信号，起到将驱动电路的数字部分与模拟部分隔离的作用，在很大程度上减少了数字电路与模拟电路之间的干扰；除此之外，光耦电路9还可以很方便地实现对开关管的过压保护功能。由于功率放大电路10需要4路独立的PWM信号，光耦电路9也需要4个镜像电路，分别用于传递和调整4路PWM信号。以下面其中一路为例具体介绍，如图7所示。
光耦电路9的工作原理为：DSP处理电路8输出的XPWM1信号(幅值+5V)为取非后的PWM信号，输入至光耦芯片的Vin+引脚，Vin-则输入+5V高电平，使得实际输出信号相当于XPWM1的互补信号。通过光电耦合，此时的Vout信号与XPWM1信号隔开，两者频率相同，占空比之和为1，在隔离的同时实现了对XPWM1信号的取非。之后Vout信号进入辅助电路，当Vout为高电平时，三极管Q2导通，三极管Q3关断，PWM1为高电平；当Vout为低电平时，三极管Q2关断，三极管Q3导通，PWM1为低电平；因此PWM1信号与Vout信号的区别仅仅是幅值的变化与参数电位的变化，其中PWM1信号的参考电位为光耦芯片的VE引脚电位，即E1电位。
过电压保护的原理：根据ACPL-332J的Datasheet，当DESAT引脚的电压超过7V时，FAULT引脚上的电平将在5μs内从高电平转换为低电平，FAULT输出为一个开集，允许将电路中的多个ACPL-332J连到一起，只需要其中一个FAULT转换为低电平，FAULT电位即为低电平且锁定在低电，此时所有的ACPL-332J的输出将全部封锁至低电平，DSP处理电路8收到的FAULT信号也为低电平，并向上位机11传递电路保护信息。
如图8所示，所述的功率放大电路10中，PWM信号驱动MOSFET导通，形成一定占空比的电压信号，加在补偿线圈绕组4两端从而形成反馈电流。功率放大电路10的供电电压为正负直流电压，其中VDC+、VDC-绝对值相等，0为0电位，功率放大电路10采用正负向对称的设计。为了在引出位置(即二次侧的补偿线圈绕组4串联采样电阻)输出正向或反向的电压；4路PWM信号驱动T1、T2、T3、T4，通过控制4个MOSFET的通断来控制引出位置的电压。具体工作原理以正向为例来说明：在需要产生正向电压时，PWM2为高电平，MOSFET管T2一直开通，对应的PWM4为低电平，MOSFET管T4一直关断。PMW1为设置好占空比的PWM信号，用于控制MOSFET管T1，PMW3与PMW1为取非关系，此时的MOSFET管T3的状态对电路无影响。T1开通时，电流方向：VDC+→T1→T2→引出位置→0；T1关断时，电流方向：引出位置→D1→T2→引出位置，形成续流回路；引出位置接二次侧补偿线圈4，补偿线圈4电感很大，通过控制PMW1的占空比实现控制二次侧补偿线圈4上的补偿电流。
本发明的基于霍尔效应的零磁通大电流传感器的基本原理如下：
零磁通大电流传感器一次侧的原边电流I1在磁芯中产生的磁场B1与二次侧4个补偿线圈绕组中的补偿电流I2产生的磁场B2相平衡，从而使4个霍尔元件芯片始终保持零磁通的工作状态。补偿电流I2的产生方式：霍尔元件芯片在感应到磁场的不平衡后，产生霍尔电压电势Vh，经过比例放大和积分调节后，转换为PWM信号用于驱动功率放大电路，再由功率放大电路提供相应占空比大小的电压，最终形成二次侧的补偿电流I2。在整个传感器系统稳定的时候，一次侧和二次侧的磁场始终保持平衡点，即有：
N1*I1＝N2*I2 (3)
其中，N1为一次侧绕组匝数，N2为二次侧绕组匝数。
考虑到使用的聚磁磁芯为正方形形状，聚磁磁芯上不同位置处的磁场强度有所不同。为提高系统整体精度，本发明在聚磁磁芯的互为中心对称的框体四边的中点位置设置霍尔元件芯片，共计4个霍尔元件芯片，分别用来感受4点的磁场强度。以该4个霍尔电压大小的和来衡量磁场的不平衡量，作为系统的反馈量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，其特征在于：由测量头和信号处理单元组成；所述测量头包括4个聚磁磁芯、4个霍尔元件芯片、8个补偿线圈绕组和4路电流源；所述信号处理单元包括运算放大电路、DSP处理电路、光耦电路、功率放大电路和上位机；
所述补偿线圈绕组由3000匝漆包细铜丝线绕在空心环氧管上形成，所述的4个聚磁磁芯为铁磁材料片堆叠而成，所述的4个霍尔元件芯片为霍尔半导体芯片，所述的4路电流源用于为4个霍尔元件芯片和补偿线圈绕组提供驱动电流；测量电流时，将测量头套于被测导体母排上，当4个霍尔元件芯片所处的气隙磁感应强度非零时，霍尔元件芯片在电流源的驱动下输出霍尔电势，霍尔电势通过电缆在测量头和信号处理单元间传递；
所述的信号处理单元的运算放大电路把从所述霍尔元件芯片上获得的霍尔电势调节到适合输入到DSP处理电路的范围内；所述的光耦电路设置在DSP处理电路和功率放大电路之间，用于隔离数字电路和模拟电路；所述的DSP处理电路与上位机进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，其特征在于：所述的DSP处理电路通过采样通道一至采样通道四分别接收4个霍尔元件芯片的霍尔电势，所述霍尔电势经过信号处理电路的处理后送入DSP处理电路进行A/D转换和PI调节，之后将处理好的信号发送到CPLD处理电路；所述CPLD处理电路分配所述DSP处理电路发来的信息，将信号以PWM信号的形式分配到所述光耦电路，用于驱动所述功率放大电路中的MOSFET。
3.根据权利要求2所述的一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，其特征在于：所述DSP处理电路通过串口与上位机保持实时通信，以便操作者在上位机上远程操作和获取信息，从而实现以下三项功能：
①接受各项故障信号，在上位机的程序界面中显示；
②上位机将接收到的PWM信号以波形图或数据的形式储存下来；
③通过上位机的程序，使用者可选择开环调试和闭环运行两种模式。
4.根据权利要求3所述的一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，其特征在于：所述的光耦电路用于传递从所述DSP处理电路输出的4路PWM信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器，其特征在于：所述的功率放大电路中，PWM信号驱动MOSFET导通，形成一定占空比的电压信号，加在所述补偿线圈绕组两端从而形成反馈电流。
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| CN202210988551.8A Active CN115420930B (zh) | 2022-08-17 | 2022-08-17 | 一种基于霍尔效应的高性能零磁通大电流传感器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117594340A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-23 | 江苏常荣电器股份有限公司 | 一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1547034A (zh) * | 2003-11-29 | 2004-11-17 | 华中科技大学 | 一种电流传感器 |
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-
2022
- 2022-08-17 CN CN202210988551.8A patent/CN115420930B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107478887A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-12-15 | 中国电力科学研究院 | 一种阵列式霍尔电流传感器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117594340A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-23 | 江苏常荣电器股份有限公司 | 一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构 |
| CN117594340B (zh) * | 2024-01-15 | 2024-04-16 | 江苏常荣电器股份有限公司 | 一种闭环霍尔电流传感器线圈设计结构 |
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: Tunxi road in Baohe District of Hefei city of Anhui Province, No. 193 230009 Applicant after: Hefei University of Technology Applicant after: HEFEI INSTITUTES OF PHYSICAL SCIENCE, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Address before: 230031 no.181, Gucheng Road, sanzigang Township, Luyang District, Hefei City, Anhui Province Applicant before: HEFEI INSTITUTES OF PHYSICAL SCIENCE, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Country or region before: China Applicant before: Hefei University of Technology |
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| GR01 | Patent grant | ||
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