CN107422165A - 可在线退磁的闭环霍尔电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可在线退磁的闭环霍尔电流传感器，包括副边线圈和电流测量回路，所述电流测量回路包括霍尔传感器、平衡电路和测量电阻，所述副边线圈通过第一开关电路和第二开关电路分别与电流测量回路和退磁回路连接；所述第一开关电路和第二开关电路由互为反相的使能信号控制，当第一开关电路关断、第二开关电路导通时，副边线圈接入退磁回路，当第二开关电路关断、第一开关电路导通时，副边线圈接入电流测量回路；本发明结构简单、体积小，易于集成封装；通过单一的使能控制线进行测量/在线退磁功能切换控制，退磁过程自动完成、退磁回路自动复位，操作简便可靠；电气接口与现有霍尔电流传感器兼容，方便推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及电能参数测量设备，尤其涉及一种可在线退磁的闭环霍尔电流传感器。
背景技术
霍尔电流传感器是利用霍尔效应将一次大电流变换为二次微小电压信号的传感器，根据结构可分为开环式霍尔电流传感器和闭环式霍尔电流传感器。闭环式霍尔电流传感器通过绕在磁芯上的多匝补偿线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边电流产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零，并根据补偿电流与原边电流之间的对应关系实现大电流测量；由于闭环式霍尔电流传感器气隙处的磁场始终在零磁通附近变化，磁场变化幅度非常小，磁芯的非线性及磁滞效应不会对输出造成影响，因此可以获得较好的线性度、较高的精度和频响特性，广泛应用于各种电路的电流检测。
在闭环霍耳电流传感器应用过程中，当副边电路没有接通电源或者传感器副边开路时，若在传感器的原边通过电流，则传感器的磁芯将被磁化而产生剩磁；剩磁一旦产生，不会自动消失，在正常运行条件下将长期存在，磁芯剩磁的存在将影响传感器的测量精度并单向改变传感器的测量范围；在霍尔电流传感器磁芯退磁方面，基于传感器的封闭结构，目前常用的有效退磁方法是断开副边供电，在原边通过等级相当的交流电流并逐渐衰减其幅值，直到为零，但对于大电流应用场合，如电动汽车充电站、新能源发电等应用环境，受主回路结构限制，可调交流电源并非必要条件，因此采用该方法进行闭环霍尔电流传感器的退磁存在较大的困难，难于操作且大幅增加应用成本。
关于电流传感器中磁芯剩磁处理的相关专利/文献描述如下：
1、申请号为200410042701.8专利公开了一种量计型电磁式电流互感器剩磁抑制方法，该方法是在电磁式电流互感器的副边和负荷之间并接限压元件构成的剩磁抑制装置，即当副边输出电流超过设定的域值时，副边的电流将主要从剩磁抑制装置所在的支路流过，同时电流互感器副边的输出电压被限制到预设水平，磁芯中的磁通将受到限制不会大幅增大，在电流中止后磁芯中剩磁将被限制，不会过大；此方法只能对剩磁进行部分抑制，不能完全消除剩磁；2、申请号为201310080320.8的专利公开了一种电流互感器剩磁测量***及测量方法，通过对电流互感器充电、放电和反向充电操作过程的数据采集，上位机接收数据单元所采集的电流互感器数据信号，进行相关数据处理，计算出剩磁系数，并通过进行结果补偿。此方法需配置专用数据采集单元和数据处理计算机，结构复杂，成本高；3、从洪伟,杨煜普.卡尔曼滤波在电流互感器电磁测量中的应用，《传感器与微***》,2012,31(7):146-148，该文献在数据采集的基础上通过卡尔曼滤波处理，消除了传感器零点漂移引起的误差积累问题。该方法和第2种方法类似，需要配置专用数据采集单元和数据处理计算机，结构复杂，成本高；4、井辉.磁通式高精度直流电流霍尔数字传感器设计，科技通报，2015.12，该文献通过MSP430单片机的集成A/D检测零点偏移，再通过D/A输出反向信号对传感器的零点进行主动补偿。该方法提高了测量精度，但磁芯的剩磁仍会影响传感器的量程。5、申请号为201510900052.9的专利申请公开了一种基于极性反转的直流电压源的铁芯剩磁消除和测量方法，通过微处理器、时间测量和电力电子开关等单元开关实现对退磁激励的极性控制和激励时间控制。6、申请号为200910241742.2的专利申请提出了一种基于辅助电源和校准线圈的霍尔电流传感器在线检测校准方法。上述各方法中，除第1、4种方法外，其他方法均需要需要配套专用***设备，才能完成磁芯剩磁检测和补偿，成本较高；各方法侧重于剩磁抑制和补偿处理，均未涉及磁芯剩磁退磁处理。
综上所述，目前闭环霍尔电流传感器的磁芯退磁方法较少，现有类似退磁装置均存在结构复杂、操作困难、适应性差等问题，因此随着传感技术和自动化技术的进步，研究闭环霍尔电流传感器在线退磁技术具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的是基于现有技术存在的问题，提供一种无需专用的***配套设备即可实现在线退磁的闭环霍尔电流传感器。
技术方案：一种可在线退磁的闭环霍尔电流传感器，包括副边线圈和测量回路，所述测量回路包括霍尔传感器、平衡电路和测量电阻，所述副边线圈通过第一开关电路和测量回路连接、通过第二开关电路与退磁回路连接；所述第一开关电路和第二开关电路由互为反相的使能信号控制，当第一开关电路关断、第二开关电路导通时，副边线圈接入退磁回路，当第二开关电路关断、第一开关电路导通时，副边线圈接入测量回路；所述第一开关电路和第二开关电路为低导通电阻的场效应管。
所述霍尔传感器的输出放大后变换成反向补偿电流，通过第一开关电路接入副边线圈，由原边电流与补偿电流之间的对应关系获得电流测量结果。
所述退磁回路包括正弦波发生电路、将正弦波发生器的正弦信号转换成增益调节脉冲信号的整形电路、将正弦波发生器的正弦信号进行放大的程控放大电路、将程控放大电路放大后的正弦信号转换为电流信号的隔离驱动模块，以及与所述使能信号连接、并产生增益方向选择信号的增益方向选择模块；所述增益调节脉冲信号和增益方向选择信号为程控放大电路的控制信号，增益方向选择信号用于控制程控放大电路的增益方向。
所述退磁回路还包括反相电路，所述使能信号通过反相电路与第二开关电路连接；当使能信号为高电平时，第一开关电路导通、第二开关电路关断，当使能信号为低电平时，第一开关电路关断、第二开关电路导通；所述使能信号线悬空未接时通过上拉电路保持为高电平状态。
优选的，在所述正弦波发生器和程控放大电路之间设有滤波电路。
工作原理：当传感器的原边电流回路断路或原边电流为零时，将使能信号线接至低电平，使得副边线圈与测量回路隔离，并接入退磁回路；所述程控放大电路的增益处于初始最大值状态，低电平的使能信号控制程控放大电路的增益方向为减小，整形电路形成与正弦波发生器振荡信号同频的增益调节脉冲信号；在增益调节脉冲信号和增益方向控制信号的共同作用下，程控放大电路的增益将逐渐减小，直至为零，此时退磁操作完成；退磁操作完成后，将使能信号线接至高电平，闭环霍尔电流传感器的副边线圈从退磁回路切换到测量回路；此时退磁回路中的程控放大电路的增益方向为增大，在增益调节脉冲的累积作用下，退磁回路的程控放大电路的输出从零自动复位到初始最大值；实际操作时，退磁操作可反复进行，只需保证一定的时间间隔以便程控放大电路完成增益复位即可。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优势：1、本发明通过单一的使能控制线进行测量/在线退磁功能切换控制，操作简便可靠；2、退磁过程自动完成：副边线圈的退磁电流从饱和电流开始自动衰减，直到为零；在使能信号的重复驱动下，可重复退磁，提升退磁效果；3、退磁回路自动复位，当使能信号为高电平时，退磁回路与副边线圈隔离，退磁回路的程控放大输出自动复位到初始饱和值；4、电气接口与现有霍尔电流传感器兼容：使能控制线悬空默认为高电平状态，闭环霍尔电流传感器为测量状态；5、结构简单、体积小，易于集成封装。
附图说明
图1为本发明的控制原理图；
图2为本发明实施例的在线退磁控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明；应理解本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种可在线退磁的闭环霍尔电流传感器，包括副边线圈2和测量回路3，所述副边线圈2通过第一开关电路4和测量回路3连接、通过第二开关电路5与退磁回路1连接；第一开关电路4和第二开关电路5用于在使能信号的控制下切换副边线圈2的接入状态，其控制信号互为反相，不会同时导通；当第一开关电路4关断、第二开关电路5导通时，副边线圈2接入退磁回路1，当第二开关电路5关断、第一开关电路4导通时，副边线圈2接入测量回路3。
实施例：
如图2所示为本实施例的在线退磁控制流程图；测量回路3包括霍尔传感器、平衡电路和测量电阻；霍尔传感器的输出放大后变换成反向补偿电流，通过第一开关电路4接入副边线圈2，抵消原边电流形成的磁通，使得磁芯磁路中的磁通为零；采集补偿电流在测量电阻上的压降，并根据原边电流与补偿电流之间的对应关系获得电流测量结果。
所述退磁回路1包括正弦波发生电路101、整形电路102、程控放大电路103、隔离驱动模块104、增益方向选择模块105和反相电路106。
其中，反相电路106将使能信号反相，生成逻辑状态相反的控制信号分别控制第一开关电路4和第二开关电路5；当使能信号为低电平时，第二开关电路5导通，第一开关电路4关断，副边线圈2接入退磁回路1；当使能信号为高电平时，第二开关电路5关断，第一开关电路4导通，副边线圈2接入测量回路3；第一开关电路4和第二开关电路5为低导通电阻的场效应管；本实施例中，使能信号线悬空未接时通过上拉电路保持为高电平状态。
正弦波发生电路101用于产生无直流分量的正弦振荡信号，滤波后经程控放大电路放大；
整形电路102用于将正弦波发生器101产生的正弦信号转换成对应的数字脉冲信号，对程控放大电路103进行增益控制；
程控放大电路103由数字电位器与运算放大器组成，数字电位器位于运算放大电路的反馈回路；其功能是将正弦信号放大，再经隔离驱动模块104转换成对应的电流信号；输入信号为正弦波发生器101输出的正弦信号；程控放大电路103的控制信号为增益方向选择信号和增益调节脉冲信号，当使能信号为低时，程控放大电路103的增益方向为减小，直至输出为零；当使能信号为高时，程控放大电路103的增益方向为增大，直至输出饱和；增益调节脉冲是正弦波发生器101产生的正弦信号经整形电路102整形后形成数字信号，每个正弦波周期产生一个调节脉冲，程控放大电路的增益按增益设定方向调整一档；程控放大电路103的构成方法有多种，则其电路结构也会随之变化；本发明所提出的程控放大电路103是以数字电位器为反馈电阻的组合式程控放大电路，不需要单片机之类的智能芯片，而且只增加一根使能控制线。
隔离驱动模块104用于将程控放大电路103输入的正弦电压信号转换为电流信号，退磁时经第二开关电路5施加到副边线圈；
增益方向选择模块105用于控制程控放大电路103的增益方向，当使能信号为高电平时，传感器为电流测量模式，升降选择控制程控放大电路103向增益增大方向调整；当使能信号为低电平时，传感器为退磁工作模式，升降选择控制程控放大电路103向增益减小方向调整；
本发明的在线退磁操作流程：当原边电流回路断路或原边电流为零时，即可进行退磁操作；将使能信号线接至低电平，此时闭环霍尔电流传感器的副边线圈2与测量回路3隔离，并接入退磁回路1；程控放大电路103的增益处于初始最大值状态，低电平的使能信号控制程控放大电路103的增益方向为减小，整形电路102形成与正弦波发生器101振荡信号同频的增益调节脉冲信号；在增益调节脉冲信号和增益方向控制信号的共同作用下，程控放大电路103的增益将逐渐减小，直至为零，此时退磁操作完成。
退磁操作完成后，将使能信号线接至高电平，闭环霍尔电流传感器的副边线圈2从退磁回路1切换到测量回路3；此时退磁回路1中的程控放大电路103的增益方向为增大，在增益调节脉冲的累积作用下，退磁回路1的程控放大电路103的输出从零自动复位到初始最大值；实际操作时，退磁操作可反复进行，只需保证一定的时间间隔以便程控放大电路103完成增益复位即可。
Claims (7)
1.一种可在线退磁的闭环霍尔电流传感器，包括副边线圈(2)和测量回路(3)，所述测量回路(3)包括霍尔传感器、平衡电路和测量电阻，其特征在于：所述副边线圈(2)通过第一开关电路(4)与测量回路(3)连接、通过第二开关电路(5)与测量回路(3)连接；所述第一开关电路(4)和第二开关电路(5)由互为反相的使能信号控制，当第一开关电路(4)关断、第二开关电路(5)导通时，副边线圈(2)接入退磁回路(1)，当第二开关电路(5)关断、第一开关电路(4)导通时，副边线圈(2)接入测量回路(3)。
2.根据权利要求1所述的闭环霍尔电流传感器，其特征在于：所述霍尔传感器的输出放大后变换成反向补偿电流，通过第一开关电路(4)接入副边线圈(2)，由原边电流与补偿电流之间的对应关系获得电流测量结果。
3.根据权利要求1所述的闭环霍尔电流传感器，其特征在于：所述退磁回路(1)包括正弦波发生电路(101)、将正弦波发生器(101)的正弦信号转换成增益调节脉冲信号的整形电路(102)、将正弦波发生器(101)的正弦信号进行放大的程控放大电路(103)、将程控放大电路(103)放大后的正弦信号转换为电流信号的隔离驱动模块(104)，以及与所述使能信号连接、并产生增益方向选择信号的增益方向选择模块(105)；所述增益调节脉冲信号和增益方向选择信号共同控制程控放大电路(103)。
4.根据权利要求1所述的闭环霍尔电流传感器，其特征在于：所述退磁回路(1)还包括反相电路(106)，所述使能信号通过反相电路(106)与第二开关电路(5)连接；当使能信号为高电平时，第一开关电路(4)导通、第二开关电路(5)关断，当使能信号为低电平时，第一开关电路(4)关断、第二开关电路(5)导通。
5.根据权利要求4所述的闭环霍尔电流传感器，其特征在于：所述使能信号线悬空未接时通过上拉电路保持为高电平状态。
6.根据权利要求1所述的闭环霍尔电流传感器，其特征在于：在所述正弦波发生器(101)和程控放大电路(103)之间设有滤波电路。
7.根据权利要求1所述的闭环霍尔电流传感器，其特征在于：所述第一开关电路(4)和第二开关电路(5)为低导通电阻的场效应管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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