一种基于脉冲幅度检测法的磁通门数字电流传感器

技术领域

本发明属于直流大电流测量领域，尤其涉及一种基于脉冲幅度检测法的磁通门数字式直流大电流传感器。

背景技术

直流大电流测量在电力、电气或电子设备中得到广泛的应用,主要用于能量的管理、设备监控保护等功能。目前实现直流大电流测量的传感器类型主要有：要包括直流分流器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器。

直流分流器，根据直流电流通过电阻时在电阻两端产生电压的原理制成，优点是高精度，响应速度快，成本低，缺点是，测量电路与被测电流没有电隔离，存在安全隐患。电阻式分流器适用于低频率小幅值的电流测量。

霍尔电流传感器，按照霍尔效应原理制成，对安培定律加以应用，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场，具有精度较高、线性较好、频带宽、响应快、过载能力强等诸多优点，它的缺点是测量精度不够高，不能进行精密测量、霍尔元件受温度影响大，温漂大。

磁通门电流传感器，是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。

磁通门电流传感器精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强、温漂小、灵敏度高、无漏磁、无位置偏差等诸多优点。其缺点是电路设计复杂，对原材料要求高、成本较高。

磁通门电流传感器作为直流大电流精密测量与反馈元件广泛用于新能源电动汽车、充电桩、太阳能光伏发电、高铁动车、智能电网、精密直流大电流测量仪、精密直流大电流源等工业、医疗以及精密测试、测量等领域。

但是，受国外核心技术垄断，目前国内大量使用的精密磁通门电流传感器几乎全部依赖进口。基于自激振荡磁通门技术以其电路结构简单、灵敏度与激励频率和磁芯参数无关等诸多优点，是实现磁通门电流传感器的主要方法。

随着磁通门技术的成熟以及磁性原材料加工工艺的提高，特别是基于自激振荡磁电路采用脉冲宽度检测法和脉冲幅度检测法的磁通门电流传感器开始得到应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明技术方案提供一种基于脉冲幅度检测法的磁通门数字电流传感器。

为实现上述目的，本技术方案如下：一种基于脉冲幅度检测法的磁通门数字电流传感器，包括探头单元、激励单元、信号处理单元、主控单元以及输出单元；

其中所述探头单元包括环形磁芯、缠绕在其上的激励线圈和原边感应线圈，用于将测量原边电流Ip转换为测量激励线圈电流Is；

所述激励单元与所述探头单元连接，其包括开关MOS管和Mos桥式驱动电路，用于产生正弦波驱动信号为所述激励线圈加以角频率为ω的正弦激励电流，并产生激励磁场H

所述信号处理单元与所述探头单元连接，其包括信号放大电路，通过采样电阻Rs将激励线圈电流Is经电流-电压转换、信号放大调理成采样电压，并送入所述主控单元的ADC接口；

所述主控单元分别与所述激励单元和信号处理单元连接，用于完成信号检波、激励单元开关控制、测量信号采样和处理，通过采样电压计算出待测电流Ip；

所述输出单元与所述主控单元连接，提供用于将测量的电流Ip输出的CAN总线通信接口。

在一些实施例中，还包括以下步骤：

S1，系统上电，软件部分和硬件部分初始化并启动工作；

S2，激励单元自激振荡，产生角频率为ω的正弦激励电流，形成激励磁场H

S3，信号处理单元将步骤S2激励线圈测量电流Is经过采样电阻RS转换成测量电压Us,测量电压Us经放大电路放大、调理后，发送至主控单元的ADC端口上；

S4，主控单元，在正弦激励信号正半周期和负半周期分别采样步骤S3的电压信号Us+和Us-,根据脉冲幅值计值法的工作原理，Ip无电流流过时，Us+＝Us-，当Ip有电流流过时，正半周期和负半周期采样电压的差值，|Us+-Us-|与待测电流Ip成线性关系,计算出待测电流Ip；

S5，主控单元通过输出单元将测量数据发送至主机设备，重复步骤S4至步骤S5。

在一些实施例中，还包括电压比较器CMP，所述电压比较器CMP正负极分别连接在采样电阻RS和基准电压参考电路上，所述电压比较器CMP输出与所述开关MOS管连接，用于调节基准电压以调节振荡频率，产生角速度为ω的正弦激励电流，产生激励磁场H

B＝u(H

u为磁导率常数，H

因此，感应电动势是包含了环境磁场H

在一些实施例中，所述采样电阻Rs将电流测量转换为电压测量Us通过信号放大电路放大；所述信号放大电路由两个运放AMP组成两级放大，放大倍数分别为5倍和10倍，当测量50A以内电流时，采样两级放大共50倍的信号Uout2,当测量50A以上电流时，采样第一级放大倍数为5倍的输出信号Uout1,主控单元根据测量信号进行档位自动切换；基准电压参考电路为运放正极提供偏置电压，在使用单电源供电的情况下，测量激励线圈正半周期和负半周期的感应电动势。

在一些实施例中，主控单元用于完成检波、电流采样和数据处理功能，通过软件定时捕获进行数字检波，MCU两个定时器输入捕获端口分别接激励电源比较器输出和激励线圈，对应激励正弦波的正半周期和负半周期的检波触发，触发后通过启动MCU的ADC采样该周期内脉冲幅度Us+和Us-，并进行数字滤波，排除干扰信号，该脉冲幅度差|Us+-Us-|与被测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流Ip。

本申请有益效果为：本申请为一种全新的电流测量方法，是一种基于自激振荡磁电路采用脉冲幅度检测法的磁通门电流传感器，解决了传统霍尔电流传感器的测量精度问题和温漂问题，解决了磁通门电流传感器的实现技术和成本问题，是一种可批量生产和应用，可精确测量直流大电流和小电流的新型传感器。其电路结构相对简单，精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强、温漂小、灵敏度高、无漏磁、无位置偏差。

附图说明

为了更清楚地

说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的方案框图示意；

图2是本发明实施例的流程结构示意图；

图3是本发明实施例的结构示意；

图4是本发明实施例的硬件框图示意图；

图5是本发明实施例的硬件原理示意图；

图6是本发明实施例的正半周期检波脉冲捕获图；

图7是本发明实施例的负半周期检脉冲捕获波图；

图8是本发明实施例的正半周期输出脉冲测量图；

图9是本发明实施例的负半周期输出脉冲测量图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请参照图1至9所示，一种基于脉冲幅度检测法的磁通门数字电流传感器，包括如下步骤；

S1，系统上电，软件部分和硬件部分初始化并启动工作；

S2，激励单元102自激振荡，产生角频率为ω的正弦激励电流，形成激励磁场H

S3，信号处理单元103将步骤S2激励线圈测量电流Is经过采样电阻RS转换成测量电压Us,测量电压Us经放大电路放大、调理后，发送至主控单元104ADC端口；

S4，主控单元105，在正弦激励信号正半周期和负半周期分别采样步骤S3的电压信号Us+和Us-,根据脉冲幅值计值法的工作原理，Ip无电流流过时，Us+＝Us-，当Ip有电流流过时，正半周期和负半周期采样电压的差值，|Us+-Us-|与待测电流Ip成线性关系，计算待测电流Ip；

S5，主控单元104通过输出单元105将测量数据发送至主机设备，重复步骤S4至步骤S5。

具体的说，本发明实施方案产品结构如3所示包括：产品上盖301、线圈302、磁芯护套303、线圈输出端子304、线圈骨架305、电路板306、输出端子307、磁芯308、产品底盖309、输出连接器310。

本发明实施方案产品硬件原理框图如图4所示，包括探头单元101、激励单元102、信号处理单元103主控单元104、输出单元105五个部分。

本发明实施方案产品硬件部分原理图如图5所示，包括激励单元102和信号处理单元103。

进一步，如图5所示，本实施方案激励单元102的桥式驱动电路由U6和U7共4个MOS管组成，反馈开关MOS管为MOS管Q2，比较器电路CMP集成在MCU内部，基准电压参考电路为基准源，基准电压由MCU内部DAC产生0.5V，产生的激励正玄波频率2.2KHz。

进一步，如图5所示，本实施方案信号处理单元103通过采样电阻R16将电流Is转换为电压Us测量，电压基准电路为Q1，提供2.048V高精密基准电压，信号放大电路为U4，U4A为第一级5倍放大，U4B为第二级10倍放大，组成5倍和50倍两种档位的信号测量。

进一步，本实施方案如图5所示,501为系统供电输入端，为激励驱动电路供电；502为激励反馈开关MOS源级控制端，接MCU内部电压比较器输出端口；503为MCU内部电压比较器正极与MCU内部产生的0.5V电压比较器负极，产生2.2K的激励方波；504为放大电路基准检测，接MCU的ADC端口，监控数据的有效性；505为软件检波激励线圈负半周期捕获输入端，图7实测波形；为506为软件检波激励线圈正半周期捕获输入端，图6实测波形；507和508为小电流和大电流信号放大输出端，接MCU的ADC输入端口。

进一步，本实施方案如图8和图9所示，图8为测量导线无电流通过(Ip＝0)时，508信号输出波形，图9为测量导线加20A电流(Ip＝20A)时,508信号输出波形。从图8和图9，可以得出当Ip＝0时，正负两个半周期内输出信号的脉冲幅度相同，当Ip≠0时，正负两个半周期内输出信号的脉冲幅度有差值，差值可以反映为被测电流Ip的值。

进一步，本实施方案主控单元104选用内置12bit ADC、电压比较器、CAN总线的汽车级16位微控制器MC9S12系列MCU。

进一步，本实施方案输出单元105，采用汽车类故障保护CAN收发器TCAN1051V，为MCU与CAN主机间建立通信提供可靠的硬件支持。