CN109844546A - 电流传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量在初级导体中流动的初级电流的基于磁通门的电流传感器(2)，包括磁通门磁场检测器(4)和测量电路(6)。磁通门磁场检测器(4)包括由测量电路(6)供应的振荡激励电流(I磁通门)驱动的激励线圈(14)。测量电路(6)被配置为提供振荡激励电流的第一和第二测量输出。传感器(2)还包括用于实时地比较第一和第二测量输出的信号输出处理单元(7)，其中信号输出处理单元(7)被配置为如果所述第一和第二测量输出之间的差超过容限值则发送误差信号输出。

Description

电流传感器
本发明涉及一种用于测量电流的磁通门类型的电流传感器。
电流传感器在许多应用中实现，以监测电流和控制电动装置。使用磁通门类型的磁场检测器的电流传感器非常准确，并且不会遭受例如基于霍尔效应检测器的传感器之类的许多其它传感器具有的偏移问题。然而，产生不正确的测量信号或者在可接受的误差容限范围之外的测量信号的异常电流传感器可能不会被注意到，或者可能基于电流传感器输出的测量值导致***的故障操作。许多电气***的控制依赖于电流传感器的输出信号。因此，电动***的性能和安全性可能受到不准确或有故障的电流传感器的不利影响。在许多传统***中，不准确或有故障的测量输出可能未被注意，或者可能被检测得太晚以至于不能避免导致损坏或其它不利后果的电动***的不正确控制。在某些应用中，非常快速地检测故障测量输出以便纠正该情况可能是重要的，例如切换到电动***的失败安全模式。
在许多关键***中，安装有第二电流传感器，第二传感器提供第二冗余测量输出，该第二冗余测量输出允许检测电流传感器中的一个是否异常。然而，这是一种昂贵的解决方案，其还需要比单个传感器更多的安装空间并且消耗更多的功率。并且，由于实现了两个传感器，因此增加了其中一个传感器的失败风险。
一直希望降低电气***的组装和操作成本，同时提高它们的性能和可靠性并减小它们的尺寸，这些目的影响形成电气***的部件。
本发明的一个目的是提供一种准确和可靠、特别是允许检测传感器的不良功能或异常、和/或降低功能缺陷的风险的电流传感器。
提供以下电流传感器是有利的，该电流传感器提供防止传感器异常的保护。
提供一种紧凑且经济地安装在电气***中的电流传感器是有利的。
提供一种在安装在电气***中时操作经济的电流传感器是有利的。
提供一种制造经济的电流传感器是有利的。
通过提供根据权利要求1的基于磁通门的电流传感器已经实现了本发明的各种目的。
本发明公开了一种用于测量初级电流IP的基于磁通门的电流传感器，该电流传感器包括磁通门磁场检测器、测量电路和信号输出处理单元，磁通门磁场检测器包括由测量电路供应的振荡激励电流(I磁通门)驱动的激励线圈。测量电路被配置为提供初级电流(IP)的至少两个不同的测量信号，包括通过第一测量信号路径(P1)获得的第一测量信号(S1)和通过第二测量信号路径(P2)获得的第二测量信号(S2)。第一和第二测量信号路径连接到信号处理单元，该信号处理单元被配置为实时地比较第一和第二测量信号，并且如果所述第一和第二测量信号之间的差超过预定义的容限值则输出误差信号。
在有利的实施例中，测量电路包括第一测量电路部分，该第一测量电路部分被配置为在第一测量电路部分的第一测量信号输出处产生激励线圈电流(I磁通门)的脉冲宽度调制(PWM)信号形式的第一测量信号(S1)。
在实施例中，传感器包括在第一测量信号路径中的例如以输入捕获电路形式的计时器模块，该计时器模块被配置为读取和捕获连续的正PWM信号振荡和负PWM信号振荡的计时(t1、t2)的值，以便在信号处理单元中处理以产生初级电流的第一测量值。
在实施例中，测量电路还可以包括高通滤波器，该高通滤波器被配置为使第一测量滤波器的电平适应计时器模块所需的输入电压。
在实施例中，第一测量电路部分包括连接到激励线圈并连接到被配置成输出振荡激励电流的PWM信号的电压源的H桥电路。H桥电路包括第一对开关和第二对开关，它们被连接成使得当第二对开关分别断开或闭合时第一对开关闭合或断开。开关可以有利地由MOSFET晶体管形成。
在实施例中，第一测量信号被提供在第一输出线路上，第一输出线路在开关之间的中点处连接到激励线圈的返回线路，第一输出线路连接到输出所述PWM信号的负反馈运算放大器的输入。
在另一个实施例中，第一测量电路部分包括比较器，该比较器具有双极电压源(+VC、-VC)，在一个输入处连接到激励线圈的一条线路，比较器的输出连接到激励线圈的另一条线路并在反馈回路中连接到比较器的第二输入，由此在比较器的输出处提供第一测量信号输出。
在有利的实施例中，测量电路包括第二测量电路部分，该第二测量电路部分被配置为在第二测量电路部分的第二测量信号输出处产生激励线圈电流(I磁通门)的模拟信号形式的第二测量信号(S2)。
在实施例中，第二测量电路部分包括分流电阻，分流电阻两端的电压形成第二测量信号(S2)。
在实施例中，其中测量电路还包括连接到第二测量信号输出的模数转换器(ADC)，该模数转换器被配置为将模拟第二测量信号(S2)转换为数字信号，以便在信号处理单元中处理以产生初级电流的第二测量值。
在实施例中，第一和第二测量电路部分可以通过连接开关连接在一起，第二测量电路部分包括比较器，该比较器被配置为当激励电流(I磁通门)的值达到预定义的阈值时断开开关。
在实施例中，测量电路还可以包括差分放大器，该差分放大器被配置为在ADC转换之前调节第二测量信号。
从权利要求、以下详细描述和附图中，本发明的其它目的和有利方面将是明显的，其中：
图1是根据本发明的电流传感器的简化示意框图；
图2是耦合到初级导体的根据本发明的实施例的电流传感器的电路图；
图3是说明根据本发明的实施例的具有双极电源的磁通门传感器的模拟线圈激励电流随时间的曲线图；
图4是耦合到初级导体的根据本发明的另一个实施例的电流传感器的电路图；
图5a、图5b和图5c是说明根据本发明的实施例的电流传感器的激励线圈信号和输出脉冲宽度调制(PWM)信号的曲线图，其中图5a示出了对于初级电流为零(nil)时的随时间的信号幅度，并且图5b、图5c示出了对于初级电流为电流传感器的规定最大电流的50％和100％时的随时间的信号幅度；和
图6是说明根据本发明的实施例的线圈电流的平均值、PWM信号和电流传感器的初级电流之间的关系的曲线图。
参考附图，用于测量初级电流的基于磁通门的电流传感器2包括磁通门磁场检测器4和测量电路6。初级电流可以是在耦合到传感器的一个或多个初级导体中流动的非残余(非“差分”)电流，或者在耦合到传感器的两个或更多个初级导体中流动的残余(“差分”)电流。磁通门磁场检测器包括由软磁材料制成的可饱和磁芯和缠绕在可饱和磁芯周围的激励线圈14。激励线圈由测量电路的振荡电流驱动，该测量电路被配置为交替地使可饱和磁芯饱和。初级电流的磁场偏置作用在可饱和磁芯上的磁场，从而修改激励信号，激励信号的测量提供初级电流的图像。磁通门检测器的一般配置和工作原理是众所周知的，因此在本申请中不再详细描述。
根据本发明，测量电路6被配置为提供至少两个不同的测量信号输出，包括由传感器测量的初级电流IP的第一测量输出S1和第二测量输出S2。
从相应的测量信号路径获得该至少两个测量信号输出，相应的测量信号路径包括用于第一测量信号输出的第一测量路径P1和用于第二测量信号输出的第二测量路径P2，不同的测量信号路径至少部分地独立于彼此。
至少两个测量信号路径馈入处理电路7中，处理电路7处理第一和第二测量信号输出。测量信号输出的处理基于第一、或第二、或第一和第二测量信号输出两者来提供初级电流的测量。测量信号输出的处理还通过比较第一和第二测量信号输出来验证传感器的正确功能。两个测量信号输出应提供相同的初级电流的测量值加上或减去预定义的可接受的容限值，以考虑两个信号输出之间的正常测量不准确性和差异。在第一和第二测量信号输出提供相差大于预定义的可接受容限值的初级电流的相应测量值的情况下，产生误差信号，例如以表示传感器的不正确功能。
第一测量信号路径P1包括产生振荡激励电流I磁通门的数字类型的信号的第一电路部分8。在优选实施例中，数字类型的信号是形成脉冲宽度调制(PWM)信号的振荡激励电流I磁通门的占空比信号。PWM信号可以被馈入例如以本领域公知的输入捕获电路20形式的计时器模块，计时器模块读取和捕获正和负PWM信号振荡的计时t1、t2的值。可以在PWM输出上提供例如RC高通滤波器(未示出)的高通滤波器，以使输出信号电平适应为计时器模块规定的输入电压。如本领域中众所周知的，正和负PWM信号振荡的相对计时提供了被测量的初级电流的图像，并且可以被转换成可以由传感器输出的初级电流的第一测量值。
第二测量信号路径P2包括产生振荡激励电流I磁通门的模拟类型的信号的第二电路部分10。模拟类型的信号被馈入模数转换器(ADC)28，以将模拟信号转换为数字信号，以便在处理电路7中处理，以产生可以由传感器输出的初级电流的第二测量值。
由电流传感器输出的初级电流的测量值可以仅基于第一测量值，或者仅基于第二测量值，或者基于第一和第二测量值两者的例如平均值之类的组合。
还在处理电路中比较第一和第二测量值以确定它们的差异以及可能的测量误差或传感器的异常。
参考图4，根据实施例，第一测量电路部分8包括H桥电路18，该H桥电路18包括四个开关18a、18b、18c、18d。H桥电路18连接到磁通门磁场检测器4的激励线圈14，并连接到双向电压源V桥，双向电压源V桥供应电力以驱动H桥电路和激励线圈的振荡电流I磁通门。
H桥开关18a、18b、18c、18d被配置成使得当第一对开关18a、18d闭合时，第二对开关18b、18c断开，并且当第一对开关18a、18d断开时，第二对开关18b、18c闭合。一旦H桥电路18被双向电压源供电，则激励线圈电流I磁通门开始流过第一或第二对开关。
在有利的实施例中，开关可以是MOSFET晶体管的形式。
具有MOSFET晶体管的H桥电路的优点在于，电路对可能在其它电路类型中产生偏移的热和寿命相关的状况不是非常敏感。由上述H桥电路输出的PWM信号因此在一段时间内和大范围的操作温度内是稳健可靠的，并且简化了传感器的制造。
然而，在本发明的范围内，诸如双极晶体管的其它晶体管可以用作开关元件。
电容器(未示出)可以与双向电压源并联放置，以便允许在振荡周期的短间隔期间将能量从激励线圈14传递到电容器，从而降低电路的功耗。
PWM信号输出被提供在第一输出线路21c上，第一输出线路21c在开关(18a和18b，分别18c和18d)的中点处连接到激励线圈14的线路21a、21b之一，特别是连接到返回线路21b。在实施例中，第一输出线路21c连接到负反馈运算放大器24的输入，负反馈运算放大器24输出PWM信号(图2中的S1，VPWM out)。负反馈运算放大器24减小PWM信号输出与激励线圈和H桥电路之间的电磁干扰。
第二测量电路部分10通过连接开关19连接到第一测量电路部分。在实施例中，连接开关也可以有利地由MOSFET晶体管形成。第二测量电路部分10包括连接到地的分流电阻器5，由此分流电阻器两端的电压提供模拟输出信号，该模拟输出信号是流过磁通门磁场检测器4的振荡电流I磁通门的整流图像，从而是被测量的初级电流的整流图像。
在实施例中，第二测量电路部分10还可以包括比较器22，该比较器22具有经由连接开关19连接到第一测量电路部分(在本示例中为H桥)的第一输入、以及第二输入，该第二输入用于直接或可选地通过分压器R7、R6接收例如由电压源VDD提供的恒定阈值信号之类的预确定的阈值信号。比较器22的输出被配置为当激励线圈电流I磁通门超过阈值时断开连接开关19，导致电流的反向流动以改变H桥电路18的两对开关的开关状态以建立新的开关状态。
参考图5a、图5b和图5c，曲线图说明了根据被测量的初级电流的幅度而变化的激励线圈信号，其中图5a示出了对于初级电流为零(nil)时的随时间的信号幅度，并且图5b、5c示出了对于初级电流为电流传感器的规定最大电流的50％和100％时的随时间的信号幅度。在每个曲线图中还说明了脉冲宽度调制(PWM)信号形式的对应的第一测量信号S1。
图6说明了根据本发明的实施例的由电流传感器测量的线圈电流I磁通门、信号S1的占空比和初级电流IP之间的关系。
参考图2，根据另一个实施例，第一测量电路部分8包括具有双极电压源+VC、-VC的比较器25，用于激励线圈电流I磁通门的数字测量。比较器的输入连接到激励线圈14的线路21a、21b之一，特别是连接到返回线路21b。比较器的输出21d连接到激励线圈14的另一条线路，特别是连接到馈送线路21b，并且在反馈回路中经由连接到地的分压器Rfb1、Rfb2连接到比较器25的另一个输入21e。具有双极电源的比较器25被配置为以脉冲宽度调制(PWM)信号形式产生数字类型的信号，数字类型的信号对应于振荡激励电流I磁通门的占空比信号。PWM信号在比较器的输出处被提供，并且可以如前所描述地馈入输入捕获电路20中。
在根据图2的实施例中，第二测量电路部分10连接到激励线圈14的线路21a、21b之一，特别是连接到返回线路21b。第二测量电路部分10包括连接到地的分流电阻器R5，由此分流电阻器两端的电压提供模拟输出信号，该模拟输出信号是流过磁通门磁场检测器4的振荡激励电流I磁通门的图像并因此是被测量的初级电流的图像。图3说明了根据图2的实施例的具有双极电源的磁通门传感器的随时间的模拟线圈激励电流I磁通门。
参考图1，第二测量信号路径P2包括连接到第二测量电路部分10的输出的模数转换器(ADC)28，用于调节在数字处理电路7中使用的信号。第二测量电路部分10还可以包括在模数转换之前的差分放大器(未示出)。
ADC转换器28和输入捕获电路20的输出连接到信号处理单元7，信号处理单元7被配置为实时地比较前述两个单独的输出。信号输出处理单元被配置为如果所述第一和第二输出之间的差超过预定义的容限值，则发送误差信号输出。图1说明了第一和第二测量路径P1、P2的功能分离，但是可以注意到，ADC 28和计时器模块20可以物理地结合在处理单元7中。
有利地，提供两个信号路径，这两个信号路径提供至少部分地彼此独立并且基于不同的测量原理的两个测量信号输出S1、S2，这允许通过比较两个测量信号来检测传感器的异常。如果传感器有缺陷，则导致错误测量信号的故障可能不会仅被一个输出信号注意到，但是因为测量信号遵循根据不同测量原理工作的不同测量路径P1、P2(一个基本上是模拟类型而另一个基本上是数字类型)，沿着两个路径的故障的不同信号处理将导致可以通过比较两个信号来检测的不同的测量信号输出。因此，根据本发明的基于磁通门的电流传感器提供准确和可靠的测量，并且有利地以有成本效益的方式检测有缺陷的传感器的不准确或有故障的测量输出。

Claims (13)

1.一种用于测量初级电流IP的基于磁通门的电流传感器(2)，包括磁通门磁场检测器(4)、测量电路(6)和信号输出处理单元(7)，所述磁通门磁场检测器包括由所述测量电路(6)供应的振荡激励电流(I磁通门)驱动的激励线圈(14)，其中所述测量电路被配置为提供所述初级电流(IP)的至少两个不同的测量信号，包括通过第一测量信号路径(P1)获得的第一测量信号(S1)和通过第二测量信号路径(P2)获得的第二测量信号(S2)，所述第一测量信号路径和第二测量信号路径连接到所述信号处理单元(7)，所述信号处理单元(7)被配置为实时地比较所述第一测量信号和第二测量信号，并且如果所述第一测量信号和第二测量信号之间的差超过预定义的容限值，则输出误差信号。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述测量电路包括第一测量电路部分(8)，所述第一测量电路部分(8)被配置为在所述第一测量电路部分的第一测量信号输出(O1)处产生所述激励线圈电流(I磁通门)的脉冲宽度调制(PWM)信号形式的所述第一测量信号(S1)。
3.根据前述权利要求所述的传感器，包括例如输入捕获电路(20)形式的计时器模块，所述计时器模块被配置为读取和捕获正PWM信号振荡和负PWM信号振荡的计时(t1、t2)的值，用于在所述信号处理单元中处理以产生所述初级电流的第一测量值。
4.根据前述权利要求所述的传感器，其中，所述测量电路还包括高通滤波器，所述高通滤波器被配置为使第一测量滤波器的电平适应所述计时器模块所需的输入电压。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的传感器，其中，所述第一测量电路部分包括连接到所述激励线圈(14)并连接到被配置成输出所述振荡电流(I磁通门)的PWM信号的电压源(11)的H桥电路(18)，所述H桥电路包括第一对开关(18a、18d)和第二对开关(18b、18c)，所述第一对开关(18a、18d)和第二对开关(18b、18c)连接为使得当所述第二对开关(18b、18c)分别断开或闭合时，所述第一对开关(18a、18d)闭合或断开。
6.根据前述权利要求所述的传感器，其中所述开关由MOSFET晶体管形成。
7.根据前面两个直接权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第一测量信号被提供第一输出线路(21c)上，所述第一输出线路(21c)在所述开关(18a和18b；18c和18d)之间的中点处连接到所述激励线圈的返回线路(21b)，所述第一输出线路连接到输出所述PWM信号的负反馈运算放大器(24)的输入。
8.根据权利要求2-4中任一项所述的传感器，其中，所述第一测量电路部分包括比较器(25)，所述比较器(25)具有双极电压源(+VC、-VC)，在一个输入处连接到所述激励线圈的线路(21a、21b)，所述比较器的输出(21d)连接到所述激励线圈的另一条线路并在反馈回路中连接到所述比较器的第二输入(21e)，由此所述第一测量信号输出(O1)在所述比较器的输出处被提供。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述测量电路包括第二测量电路部分(10)，所述第二测量电路部分(10)被配置为在所述第二测量电路部分的第二测量信号输出(O2)处产生所述激励线圈电流(I磁通门)的模拟信号形式的所述第二测量信号(S2)。
10.根据前述权利要求所述的传感器，其中所述第二测量电路部分包括分流电阻(R5)，所述分流电阻两端的电压形成所述第二测量信号(S2)。
11.根据前述两项权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述测量电路还包括连接到所述第二测量信号输出(O2)的模数转换器(ADC)(28)，所述模数转换器(ADC)(28)被配置为将所述模拟第二测量信号(S2)转换为数字信号，以便在所述信号处理单元中处理以产生所述初级电流的第二测量值。
12.根据前述权利要求所述的传感器，还包括差分放大器，所述差分放大器被配置为在ADC转换之前调节所述第二测量信号。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的传感器，结合权利要求2至7中任一项所述的传感器，其中所述第一测量电路部分和第二测量电路部分(8、10)通过连接开关(19)连接在一起，所述第二测量电路部分(10)包括比较器(22)，所述比较器(22)被配置为当所述激励电流(I磁通门)的值达到预定义的阈值时断开所述开关(19)。
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