FR2860592A1 - Current measurement device for e.g. truck, has calculating unit with correctors to correct errors of measurements of Hall Effect and magneto-resistive sensors respectively using measurements from magneto-resistive and Hall Effect sensors - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de mesure de courant sans contact, à grande dynamique, robusteNon-contact, high dynamic, robust current measuring device
et à bas coût La présente invention concerne la réalisation d'un dispositif de mesure de courant par effet magnétique, mettant en oeuvre un assemblage de capteurs peu 5 onéreux de telle sorte que les défauts des uns soient corrigés par les autres. The present invention relates to the realization of a current measuring device by magnetic effect, implementing an assembly of inexpensive sensors so that the defects of one are corrected by the others.
Il est connu, dans l'art antérieur, des dispositifs de mesure de courant basés sur deux principes généraux: 1. Mesure de courant par shunt où une résistance de faible valeur est insérée dans le circuit à mesurer. La mesure de tension à ses bornes permet de calculer facilement le courant dans le circuit. Les inconvénients sont: - La complexité de l'installation: il faut ouvrir le circuit à mesurer et insérer un élément dans une zone de puissance. II est parfois nécessaire d'insérer des shunts de différentes valeurs en fonction du courant attendu. It is known, in the prior art, current measuring devices based on two general principles: 1. Current measurement by shunt where a low value resistor is inserted into the circuit to be measured. The voltage measurement at its terminals makes it easy to calculate the current in the circuit. The disadvantages are: - The complexity of the installation: it is necessary to open the circuit to be measured and to insert an element in a zone of power. It is sometimes necessary to insert shunts of different values according to the expected current.
Le mauvais rendement dû à la nécessaire chute de tension, surtout aux forts courants 2. Mesure de courant magnétique avec mesure par effet Hall, magnéto- résistif, avec ou sans ferrite, en boucle ouverte (mesure directe) ou boucle fermée (mesure de zéro et application d'un champ de compensation). Les 20 inconvénients sont: - Faible dynamique de mesure Coût élevé lorsque la précision est demandée Sensibilité aux surcharges Pour beaucoup d'applications ces dispositifs sont suffisants, mais il existe des domaines dont les exigences sont mal satisfaites; ce sont notamment ceux pour lesquels le rendement et la dynamique de mesure sont primordiaux, notamment pour les installations mobiles où les conditions de fonctionnement sont particulièrement sévères. Poor performance due to necessary voltage drop, especially at high currents 2. Magnetic current measurement with Hall effect measurement, magnetoresistive, with or without ferrite, open loop (direct measurement) or closed loop (zero measurement and application of a compensation field). The disadvantages are: - Low measurement dynamics High cost when precision is required Overload sensitivity For many applications these devices are sufficient, but there are areas whose requirements are poorly met; these are particularly those for which performance and measurement dynamics are paramount, especially for mobile installations where operating conditions are particularly severe.
La présente invention a pour but de pallier certains inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de mesure simple, sans contact, aisé à fabriquer et à intégrer dans des équipements complexes, constitué d'un assemblage de capteurs de qualité ordinaire. The present invention aims to overcome some disadvantages of the prior art by providing a simple measuring device, without contact, easy to manufacture and integrate in complex equipment, consisting of an assembly of ordinary quality sensors.
Ce but est atteint par un dispositif de mesure basé sur l'effet magnétique, mais en mettant en oeuvre simultanément deux types de capteurs disposés au voisinage du même conducteur électrique véhiculant le courant à mesurer: un ensemble de capteurs à effet Hall, particulièrement adaptés à la 5 mesure de champs forts, donc réservés aux mesures de courants importants, un ensemble de capteurs à effet magnéto- résistif, particulièrement adaptés à la mesure de champs faibles. This object is achieved by a measurement device based on the magnetic effect, but simultaneously using two types of sensors arranged in the vicinity of the same electrical conductor carrying the current to be measured: a set of Hall effect sensors, particularly suitable for the measurement of strong fields, therefore reserved for large current measurements, a set of magnetoresistive effect sensors, particularly suited to the measurement of weak fields.
Selon une autre particularité, chaque type de capteur est disposé par paire, de part et d'autre du conducteur, dans une disposition dite en différentiel où les axes de sensibilité sont parallèles et opposés. Cette disposition permet de compenser les champs magnétiques perturbateurs externes tels que le champ magnétique terrestre, Selon une autre particularité, le dispositif de mesure comprend un organe de calcul et de contrôle qui permet, par l'analyse des mesures effectuées par le premier type de capteur, de corriger les défauts du second type de capteurs et inversement. Un exemple non limitatif est celui où la dérive du zéro des capteurs à effet Hall est corrigée par les mesures issues des capteurs magnéto-résistifs lorsque l'amplitude du courant à mesurer le permet. Inversement, les erreurs d'hystérésis des capteurs magnéto- résistifs, erreurs qui apparaissent lorsque ceux-ci ont été soumis à de très forts champs, peuvent être corrigées grâce à la connaissance de l'amplitude de ce champ perturbateur mesurée par les capteurs à effet Hall. According to another particularity, each type of sensor is arranged in pairs, on either side of the conductor, in a so-called differential arrangement where the axes of sensitivity are parallel and opposite. This arrangement makes it possible to compensate for external disturbing magnetic fields such as the terrestrial magnetic field. According to another feature, the measuring device comprises a calculation and control element which makes it possible, by analyzing the measurements made by the first type of sensor. , to correct the defects of the second type of sensors and vice versa. A non-limiting example is that where the zero drift Hall effect sensors is corrected by the measurements from magneto-resistive sensors when the amplitude of the current to be measured allows it. Conversely, the hysteresis errors of the magnetoresistive sensors, errors which appear when they have been subjected to very strong fields, can be corrected thanks to the knowledge of the amplitude of this disturbing field measured by the effect sensors. Lobby.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront 25 plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre un schéma de disposition des capteurs hall et magnétorésistifs constituant le dispositif de mesure de courant, selon un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 montre un schéma synoptique représentatif du dispositif et des traitements effectués, selon un mode de réalisation de la présente invention; La figure 1 montre un schéma des éléments constituant le dispositif de mesure de courant (1), selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure la montre la disposition des capteurs en vue de dessus, conducteur de mesure (40) vertical, en coupe, la figure 1 b montre la disposition des capteurs, conducteur de mesure horizontal. Le dispositif de mesure de courant (1) comprend une chaîne de mesure à effet Hall (10) constituée d'une paire de capteurs de champ magnétique à effet Hall (101), (102) reliés à un amplificateur différentiel (103), lequel transmet ses mesures à l'organe de calcul (30). Ces deux capteurs (101) et (102) sont disposés de part et d'autre du conducteur (40) véhiculant le courant à mesurer. Le dispositif de mesure de courant (1) comprend en outre une chaîne de mesure à effet magnéto-résistif (20) constituée d'une paire de capteurs de champ magnétique à effet magnéto-résistif (201), (202) reliés à un amplificateur différentiel (203), lequel transmet également ses mesures à l'organe de calcul (30). Ces deux capteurs (201) et (202) sont disposés de part et d'autre du conducteur (40) véhiculant le courant à mesurer et au voisinage des capteurs à effet Hall (101) et (102) de telle manière qu'ils soient soumis au même champ magnétique. L'organe de calcul (30) analyse en permanence et simultanément les mesures issues des deux chaînes (10) et (20) selon un processus décrit ci- après et symbolisé sur la figure 2. Other features and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the following description, made with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 shows a layout diagram of the hall sensors and magnetoresistive constituting the current measuring device, according to an embodiment of the present invention; FIG. 2 shows a block diagram representative of the device and the treatments carried out, according to an embodiment of the present invention; Figure 1 shows a diagram of the elements constituting the current measuring device (1), according to an embodiment of the present invention. Figure la shows the arrangement of the sensors in top view, vertical measurement conductor (40), in section, Figure 1b shows the arrangement of the sensors, horizontal measuring conductor. The current measuring device (1) comprises a Hall effect measuring chain (10) consisting of a pair of Hall effect magnetic field sensors (101), (102) connected to a differential amplifier (103), which transmits its measurements to the computing device (30). These two sensors (101) and (102) are arranged on either side of the conductor (40) carrying the current to be measured. The current measuring device (1) further comprises a magneto-resistive effect measuring chain (20) consisting of a pair of magneto-resistive magnetic field sensors (201), (202) connected to an amplifier differential (203), which also transmits its measurements to the computing device (30). These two sensors (201) and (202) are arranged on either side of the conductor (40) carrying the current to be measured and in the vicinity of Hall effect sensors (101) and (102) so that they are subject to the same magnetic field. The calculating member (30) continuously and simultaneously analyzes the measurements from the two chains (10) and (20) according to a process described hereinafter and symbolized in FIG. 2.
La figure 2 montre de façon symbolique les traitements qui sont effectués par l'organe de calcul (30). La paire de capteurs Hall (101) et (102) est 20 conditionnée par l'amplificateur différentiel (103) dont la sortie est utilisée par: un amplificateur correcteur d'erreur (311), lequel transmet les mesures corrigées vers un commutateur (34) - le correcteur d'erreur (321) de la chaîne de traitement magnéto- résistif, un détecteur de seuil (33) qui commande le commutateur (34). Ce détecteur de seuil est dimensionné de sorte qu'il positionne le commutateur (34) sur la sortie du correcteur d'erreur (321) de la chaîne de mesure à effet magnéto-résistif lorsque le courant mesuré par la chaîne de mesure à effet hall est inférieur à un seuil ls et sur la sortie du correcteur d'erreur (311) de la chaîne de mesure à effet hall lorsque le courant mesuré par la chaîne de mesure à effet hall (10) est supérieur à ce seuil Is. Figure 2 shows symbolically the processing that is performed by the computing device (30). The pair of Hall sensors (101) and (102) is conditioned by the differential amplifier (103) whose output is used by: an error correcting amplifier (311), which transmits the corrected measurements to a switch (34). ) the error corrector (321) of the magnetoresistive processing chain, a threshold detector (33) which controls the switch (34). This threshold detector is dimensioned so that it positions the switch (34) on the output of the error corrector (321) of the magneto-resistive effect measurement chain when the current measured by the hall effect measurement chain is below a threshold ls and on the output of the error corrector (311) of the hall effect measurement chain when the current measured by the hall effect measurement chain (10) is greater than this threshold Is.
La paire de capteurs magnéto-résistifs (201) et (202) est conditionnée par l'amplificateur différentiel (203) dont la sortie est utilisée par: un amplificateur correcteur d'erreur (321), lequel transmet les mesures corrigées vers le commutateur (34) - le correcteur d'erreur (311) de la chaîne de traitement à effet Hall On remarquera que la commande du commutateur (34) est basée sur les mesures par effet hall non corrigées par le correcteur (311). En effet la précision nécessaire à la commande du commutateur (34) est suffisamment faible pour ne pas exiger de correction dans la plupart des cas d'utilisation. Une variante de la solution présentée consiste à utiliser la sortie du correcteur (311) pour commander le détecteur de seuil (33), mais dans ce cas des précautions doivent être prises pour éviter tout risque d'instabilité. The pair of magneto-resistive sensors (201) and (202) is conditioned by the differential amplifier (203) whose output is used by: an error correcting amplifier (321), which transmits the corrected measurements to the switch ( 34) - the error corrector (311) of the Hall processing chain It will be noted that the control of the switch (34) is based on the hall effect measurements not corrected by the corrector (311). Indeed the accuracy required to control the switch (34) is low enough not to require correction in most cases of use. A variant of the presented solution is to use the output of the corrector (311) to control the threshold detector (33), but in this case precautions must be taken to avoid any risk of instability.
Une autre variante du dispositif consiste à remplacer le commutateur (34) par tout type de filtre capable d'effectuer une moyenne pondérée des sorties de la chaîne de mesure à effet hall (10) et de la chaîne de mesure à effet magnéto-résistif (20) en fonction des mesures de courant par effet hall. Another variant of the device consists in replacing the switch (34) with any type of filter capable of performing a weighted average of the outputs of the hall effect measuring chain (10) and of the magneto-resistive effect measuring chain ( 20) as a function of current measurements by hall effect.
Les sorties des correcteurs d'erreur (311) de la chaîne de mesure à effet hall et (321) de la chaîne de mesure à effet magnéto-résistif sont reliées au commutateur (34) commandé par la sortie du détecteur de seuil (33). The outputs of the error correctors (311) of the hall-effect measurement chain and (321) of the magneto-resistive-effect measuring chain are connected to the switch (34) controlled by the output of the threshold detector (33) .
La sortie du commutateur (34) donne directement la valeur du courant mesuré. The output of the switch (34) directly gives the value of the measured current.
En référence à la figure 2, le fonctionnement du dispositif est le suivant. L'organe de calcul disposant d'une mémoire, les coefficients de correction des correcteurs (311) et (321) sont disponibles dès la mise sous tension, mais ceux-ci vont être mis à jour automatiquement et en permanence selon le processus décrit ci-après. With reference to Figure 2, the operation of the device is as follows. The computing device having a memory, correction coefficients correctors (311) and (321) are available from power on, but they will be updated automatically and permanently according to the process described herein. -after.
Si le courant à mesurer est faible, la sortie de l'amplificateur (103) est en-deçà du seuil du détecteur de seuil (33). Le commutateur (34) connecte donc la sortie du correcteur (321) à la sortie du dispositif. C'est la chaîne de mesure à effet magnéto-résistif qui est utilisée. La chaîne de mesure à effet hall fonctionne en parallèle, mais ses mesures sont comparées en permanence avec les mesures magnéto-résistives. Les différences sont utilisées par l'unité de calcul pour déterminer de nouveaux coefficients pour le correcteur (311) de la chaîne de mesure à effet hall. If the current to be measured is small, the output of the amplifier (103) is below the threshold of the threshold detector (33). The switch (34) therefore connects the output of the corrector (321) to the output of the device. It is the magneto-resistive measurement chain that is used. The Hall effect measurement system operates in parallel, but its measurements are continuously compared with magneto-resistive measurements. The differences are used by the computing unit to determine new coefficients for the corrector (311) of the hall effect measurement chain.
Si le courant à mesurer devient important, la sortie de l'amplificateur (103) dépasse le seuil du détecteur de seuil (33). Le commutateur (34) connecte donc la sortie du correcteur (311) à la sortie du dispositif. C'est la chaîne de mesure à effet hall qui est utilisée. Ces mesures sont en outre utilisées par l'unité de calcul pour déterminer de nouveaux coefficients pour le correcteur (321) de la chaîne de mesure à effet magnéto-résistif, notamment prédire le décalage de zéro des capteurs magnéto-résistifs lorsque ceux-ci ou leur voisinage magnétique immédiat ont été soumis à de très forts champs magnétiques, cas de mesure de forts courants. Ce cas est non limitatif car tous les paramètres d'erreur des capteurs magnéto-résistifs peuvent être identifiés, tels que les effets d'hystérésis, par un filtre approprié. If the current to be measured becomes large, the output of the amplifier (103) exceeds the threshold of the threshold detector (33). The switch (34) therefore connects the output of the corrector (311) to the output of the device. It is the hall effect measuring chain that is used. These measurements are furthermore used by the calculation unit to determine new coefficients for the corrector (321) of the magneto-resistive effect measurement chain, in particular to predict the zero offset of the magneto-resistive sensors when these or their immediate magnetic neighborhood has been subjected to very strong magnetic fields, cases of measurement of strong currents. This case is not limiting because all the error parameters of the magneto-resistive sensors can be identified, such as the hysteresis effects, by an appropriate filter.
Le basculement brusque du commutateur (34) peut faire apparaître des discontinuités de fonction de transfert du dispositif, aussi une variante du dispositif utilise à la place du commutateur (34) un filtre effectuant une moyenne pondérée des mesures magnéto-résistives et hall. Les coefficients de pondération sont déterminés en fonction des mesures hall non corrigées issues de la chaîne de mesure hall (10). The abrupt switchover of the switch (34) may reveal device transfer function discontinuities, so a variant of the device uses instead of the switch (34) a weighted average filter of the magneto-resistive and hall measurements. The weighting coefficients are determined according to the uncorrected hall measurements from the hall measurement chain (10).
Cette disposition ou tout autre agencement équivalent permet de constituer un dispositif de mesure de courant très bon marché. II n'exige que des composants peu nombreux, largement utilisés, et de précision moyenne. Tous les composants peuvent être disposés à plat sur une carte électronique selon les techniques habituelles de fabrication de circuits imprimés. Aucun montage ou usinage de précision particuliers ne sont nécessaires. This arrangement or any other equivalent arrangement makes it possible to constitute a very inexpensive current measuring device. It only requires small, widely used components of medium precision. All components can be arranged flat on an electronic card according to the usual techniques of manufacturing printed circuits. No special assembly or precision machining is required.
Le système de mesure de courant proposé est destiné plus particulièrement aux 25 installations mobiles où le coût, la consommation, la fiabilité et la robustesse sont des critères primordiaux. The proposed current measurement system is intended more particularly for mobile installations where cost, consumption, reliability and robustness are paramount criteria.
Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la gestion électrique des camions, bateaux, automobiles, que l'électricité soit utilisée en tant que source auxiliaire ou comme moyen principal de propulsion. The device according to the invention is particularly intended for the electrical management of trucks, boats, automobiles, whether electricity is used as an auxiliary source or as a main means of propulsion.
Le dispositif selon l'invention permet notamment d'estimer l'état de charge de batteries par intégration de courant et d'obtenir une grande fidélité de mesure sans pour autant exiger de paramétrages fastidieux et incertains. The device according to the invention makes it possible in particular to estimate the state of charge of batteries by current integration and to obtain a high measurement fidelity without requiring fastidious and uncertain parameterizations.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci- dessus. It should be obvious to those skilled in the art that the present invention allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention as claimed. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration, but may be modified within the scope defined by the scope of the appended claims, and the invention should not be limited to the details given above.
Claims (7)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20150630 |