CN109884377B - 检测范围自动调节的霍尔信号测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种检测范围自动调节的霍尔信号测量装置，包括信号转换模块和控制器单元，信号转换模块用于调节霍尔传感器测量的信号并输出，控制器单元通过调整信号转换模块参考电压、增益变化确定霍尔传感器的电流值；信号转换模块包括相连接的零位调节电路和幅值放大电路，其中控制器单元控制零位调节电路中的参考电压调整霍尔传感器输出信号的零位偏置电压，控制器单元控制幅值放大电路的增益系数调整霍尔传感器输出信号的幅值大小；霍尔传感器为电压输出型霍尔电流传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池储能***的电流检测技术，特别是一种检测范围自动调节的霍尔信号测量装置及方法。
背景技术
随着新能源汽车的使用越来越广泛，电池储能***作为其主要动力源，如何更精确地监测电池工作过程中各项指标的变化已经成为新能源技术发展的主要方向；然而电池储能***中荷电状态参数SOC、最大输出功率SOP和电池寿命SOH等多项关键指标都是以电流测量作为其运算输入量，因此，提高电池储能***工作电流的测量精度有着十分重要的意义。
电池储能***中通常采用霍尔元件作为电流测量的前端传感器，它具有良好的电气隔离特性以及测量范围宽广的特点。常用的霍尔电流传感器有两种类型，一种是电流输出型，一种是电压输出型。电压输出型霍尔电流传感器输出与检测电流成一定比例的电压，输出电压范围在器件内部已经通过内部测量芯片设定好，一般由供电电压所决定。例如，供电电压为5V，则其输出电压范围为0-5V。由于电压输出型霍尔传感器相对于电流输出型的价格更便宜，并且电压输出型霍尔传感器应用设计更为简单，因此电压输出型霍尔传感器获得了越来越多的使用。
现有的霍尔传感器测量方法是将霍尔传感器输出信号直接输送到控制器的输入端口进行采样检测。虽然这种方法简单易于实现，但是由于霍尔传感器输出信号具有非线性特点以及控制器的ADC模块量化深度比较小，从而导致现有的测量装置的检测分辨率很小，精度很低，并且很容易受到外部电磁干扰的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测范围自动调节的霍尔信号测量装置及方法，可以通过根据当前电流值的大小来自动选择最佳的检测范围，提高测量精度。
实现本发明目的的装置为：一种检测范围自动调节的霍尔信号测量装置，包括信号转换模块和控制器单元；信号转换模块用于调节霍尔传感器测量的信号并输出，控制器单元通过调整信号转换模块参考电压、增益变化确定霍尔传感器的电流值；所述信号转换模块包括相连接的零位调节电路和幅值放大电路，控制器单元控制零位调节电路中的参考电压调整霍尔传感器输出信号的零位偏置电压，控制器单元控制幅值放大电路的增益系数调整霍尔传感器输出信号的幅值大小；所述霍尔传感器为电压输出型霍尔电流传感器。
采用上述装置，零位调节电路包括第一运算放大器、第一数字电位计、参考电压；霍尔传感器与第一运算放大器的反相输入端连接，参考电压分别与第一运算放大器的同相输入端和第一数字电位计连接；控制器单元与第一数字电位计的控制端连接，通过控制第一数字电位计的阻值调整零位调节电路中的参考电压。
采用上述装置，幅值放大电路包括第二运算放大器、第二数字电位计，零位调节电路输出端与第二运算放大器的同相输入端连接，第二数字电位计与第二运算放大器的反向输入端连接；控制器单元与第二数字电位计的控制端连接，通过控制第二数字电位计的阻值调整幅值放大电路的增益系数。
实现本发明目的的方法为：一种检测范围自动调节的霍尔信号测量方法，包括以下步骤：控制器单元通过信号转换模块对霍尔传感器输出信号进行粗调检测，确定当前霍尔传感器所测量的电流值，并根据电流值确定当前电流值所处的检测范围；控制器单元根据电流值所处的检测范围对信号转换模块输出信号进行精调检测；控制器单元根据电流值所处的检测范围获取标定系数，并根据标定公式计算得到实际所测量的电阻值。
发明提供的基于霍尔传感器的电流测量装置具有检测范围能自动调节的特点，增大了电流测量分辨率，从而有效地提高了电流测量精度。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
本发明主要应用于采用电压输出型霍尔传感器进行电流采样的设计方案中，以下所描述的霍尔传感器均为电压输出型霍尔电流传感器。
一种检测范围自动调节的霍尔信号测量装置，包括信号转换模块和控制器单元。信号转换模块用于调节霍尔传感器测量的信号并输出。控制器单元通过调整信号转换模块参考电压、增益变化确定霍尔传感器的电流值。信号转换模块包括相连接的零位调节电路和幅值放大电路，控制器单元控制零位调节电路中的参考电压调整霍尔传感器输出信号的零位偏置电压，控制器单元控制幅值放大电路的增益系数调整霍尔传感器输出信号的幅值大小。
结合图1，零位调节电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一运算放大器U1、第一数字电位计RT1，幅值放大电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第二运算放大器U2、第二数字电位计RT2。第一电阻R1第一引脚接霍尔传感器的输出端，第一电阻R1第二引脚分别接第一运算放大器U1的反向输入端和第二电阻R2的第一引脚，第三电阻R3第一引脚接参考电压，第三电阻R3第二引脚分别接第一运算放大器U1的同向输入端和数字电位计RT1输入端，第二电阻R2第二引脚分别接第一运算放大器U1输出端和第四电阻R4第一引脚，第一数字电位计RT1的控制端与控制器单元输出端连接，第四电阻R4第二引脚接第二运算放大器U2同向输入端，第五电阻R5第一引脚接地，第五电阻R5第二引脚分别接第二运算放大器U2反向输入端和数字电位计RT2输入端，第二数字电位计RT2输出端分别接第二运算放大器U2输出端和控制器单元输入端，第二数字电位计RT2控制端与控制器单元输出端连接。
结合图1，控制器单元包括ADC输入子单元、计算子单元、I2C通讯子单元。ADC输入子单元与第二运算放大器U2的输出端连接，用于获取信号转换模块的输出信号。计算子单元根据ADC输入子单元获取的信号进行计算，获得两个数字电位计的阻值，以及霍尔传感器输出的精确电流值。I2C通讯子单元通过I2C总线与两个数字电位计的控制端连接，用于将计算子单元得到的数字电位计的阻值信息发送给相应的数字电位计，通过数字电位计阻值的变化以控制零位调节电路的零位偏置电压和幅值放大电路的增益系数，即幅值大小。
控制器单元的工作原理如下：先对霍尔传感器输出信号进行粗调检测，确定当前霍尔传感器所测量的电流值，再通过软件算法确定当前电流值所处的最佳检测范围；并对信号转换模块输出信号进行精调检测。具体地，首先，控制器经过***初始化设置，通过I2C通讯设定数字电位计RT2的阻值，使得幅值放大电路的增益系数为1；然后，控制器通过ADC对其输入信号进行第一次采样，采样值为V0，此时控制器完成粗调检测；再其次，控制器根据粗调检测的采样值V0确定当前最佳的检测范围，通过查表法分别设定数字电位计RT1和RT2的阻值，然后控制器通过ADC对其输入信号进行第二次采样，采样值为V1，此时控制器完成精调检测；最后，控制器再通过查表法得到该检测范围所对应的标定系数，再根据标定公式计算得到实际所测量的电流值。查表法中精调检测转换关系映射表如下表1所示。
表1精调检测转换关系映射表
参考电压Vref与供电电压VCC相等，电阻R1、R2、R3、R4和R5均取阻值R，数字电位计RT1和RT2的可变阻值分别设为Ra和Rb。
V0＝Vcc-Vin (1)
In＝Kn×V1+Bn (3)
通过上述装置，表1的获取方式如下：
首先，使用输出电流可以调节的电流源来模拟霍尔传感器的输入电流信号，设定电流源输出电流分别为不同范围的档位，即表格中实际电流的输入范围；
其次，设定两级放大电路增益为1，从而保持霍尔传感器的输出信号Vin与控制器单元的输入信号Vout2相等，控制器单元直接对霍尔传感器输出信号进行ADC采样，得到的采样值即为表格中的霍尔信号参考范围；
然后，调节数字电位计RT1和RT2的电阻值，调整不同电流源输出档位下霍尔传感器的输出信号幅值，使其满足控制器单元ADC输入范围，其中该数字电位计RT1和RT2的当前阻值即为表格中所对应的数字电位计RT1和RT2的设定值；
再然后，将各个实际电流的输入范围细分成电流值大小等间隔的标准数值，再将该标准数值设定为实际电流源输出电流值，然后根据不同输出电流值，控制器单元对放大电路输出信号进行ADC采样，根据不同输出电流值所对应的ADC采样值进行基于最小二乘法的一次线性拟合，得到一次线性拟合函数，该函数即为标定函数(式(3))，而该函数的一次项系数即为表格中的标定函数线性斜率Kn，该函数的常数项即为表格中的标定函数零位偏移Bn。
结合图2，一种检测范围自动调节的霍尔信号测量方法，该方法采用图1所述的装置实现，每一次计算霍尔传感器输出的电流值均包括以下步骤：
步骤S101，初始化控制器子单元，并设定幅值放大电路的增益系数为1；
步骤S102，控制器单元对信号转换模块的输出信号进行第一次采样，采样值为V0；
步骤S103，根据精调检测转换关系映射表确定V0对应的电流值所处的检测范围；
步骤S104，根据精调检测转换关系映射表确定电流值所处检测范围对应的零位偏置电压和幅值；
步骤S105，控制器单元对信号转换模块的输出信号进行第二次采样，采样值为V1；
步骤S106，根据标定公式计算得到实际所测量的电阻值In。
步骤S101中，通过I2C通讯设定数字电位计RT2的阻值，使得幅值放大电路的增益系数为1。
步骤S102中，采用公式1获得第一次采样的采样值：
V0＝Vcc-Vin (1)
其中，Vcc为供电电压，Vin为霍尔传感器输出信号。
步骤S103中，根据表1确定检测范围，通过获取最佳检测范围，来得到精调检测中运算放大器U1和U2所匹配的放大倍数，从而调整数字电位计RT1和RT2的阻值。
步骤S104中，根据精调检测转换关系映射表确定两个数字电位计的阻值，通过阻值的变化控制零位偏置电压和增益系数。
步骤S105中，根据式(2)获得第二次采样的采样值：
其中，n为检测范围的索引值，Ra、Rb分别为第一数字电位计RT1、第二数字电位计RT2的阻值，R为第一至第五电阻的阻值，Vcc为供电电压，Vin为霍尔传感器输出信号。
步骤S106中，根据式(3)获得实际所测量的电流值In：
In＝Kn×V1+Bn (3)
其中，n为检测范围的索引值，K、B为根据精调检测转换关系映射表确定电流值所处检测范围对应的标定系数，K为标定函数的线性斜率、B为标定函数的零位偏移。
Claims (1)
1.一种检测范围自动调节的霍尔信号测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制器单元通过信号转换模块对霍尔传感器输出信号进行粗调检测，确定当前霍尔传感器所测量的电流值，并根据电流值确定当前电流值所处的检测范围；
控制器单元根据电流值所处的检测范围对信号转换模块输出信号进行精调检测；
控制器单元根据电流值所处的检测范围获取标定系数，并根据标定公式计算得到实际所测量的电流值；
粗调检测的具体过程为：
设定幅值放大电路的增益系数为1；
控制器单元对信号转换模块的输出信号进行第一次采样，采样值为V0：
V0＝Vcc-Vin (1)
其中，Vcc为供电电压，Vin为霍尔传感器输出信号；
精调检测的具体过程为：
根据精调检测转换关系映射表确定电流值所处检测范围对应的零位偏置电压和幅值；
控制器单元对信号转换模块的输出信号进行第二次采样，采样值为V1；
根据标定公式计算得到实际所测量的电流值In的方法为：
In＝Kn×V1+Bn (3)
其中，n为检测范围的索引值，K、B为根据精调检测转换关系映射表确定电流值所处检测范围对应的标定系数，K为标定函数的线性斜率、B为标定函数的零位偏移；
根据精调检测转换关系映射表确定V0对应的电流值所处的检测范围；
第二次采样的采样值V1根据式(2)获得：
其中，n为检测范围的索引值，Ra、Rb分别为第一数字电位计(RT1)、第二数字电位计(RT2)的阻值，R为第一至第五电阻的阻值，Vcc为供电电压，Vin为霍尔传感器输出信号；
信号转换模块的各元器件连接方式如下：
第一电阻(R1)第一引脚接霍尔传感器的输出端，
第一电阻(R1)第二引脚分别接第一运算放大器(U1)的反向输入端和第二电阻(R2)的第一引脚，
第三电阻(R3)第一引脚接参考电压，
第三电阻(R3)第二引脚分别接第一运算放大器(U1)的同向输入端和数字电位计(RT1)输入端，
第二电阻(R2)第二引脚分别接第一运算放大器(U1)输出端和第四电阻(R4)第一引脚，
第一数字电位计(RT1)的控制端与控制器单元输出端连接，
第四电阻(R4)第二引脚接第二运算放大器(U2)同向输入端，
第五电阻(R5)第一引脚接地，
第五电阻(R5)第二引脚分别接第二运算放大器(U2)反向输入端和数字电位计(RT2)输入端，
第二数字电位计(RT2)输出端分别接第二运算放大器(U2)输出端和控制器单元输入端，
第二数字电位计(RT2)控制端与控制器单元输出端连接，
第一数字电位计(RT1)输出端接地。
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