一种抗干扰型霍尔电流传感器、测量方法及电子设备

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，尤其是涉及一种抗干扰型霍尔电流传感器、测量方法及电子设备。

背景技术

随着新型电力系统的发展，系统中的电力电子设备占比越来越高，复杂多样化的数字控制间相互作用，使得系统动态特性不再局限于传统的50Hz工频附近，而是扩展至数千Hz的宽频范围。为保障电网安全可靠运行，必须对数千Hz宽频范围的电网状态量进行精准检测。其中，大带宽、大量程、高精度的电流传感检测技术最具难度和挑战性。目前的电流检测方法有很多，主要有分流电阻器、电流互感器、罗氏绕组、霍尔电流传感器、巨磁阻电流传感器、磁光效应传感器以及磁通门电流传感器。这些电流检测技术从原理上可分为不同类型，主要包括基于电学原理、基于光学原理或者基于磁学原理。在实际应用中，根据应用特性又可分为非隔离式电流传感器如分流电阻器，以及隔离式电流传感器如电流互感器、罗氏绕组、磁通门电流传感器等。根据电流检测场景的不同，上述电流传感器都有着广泛应用。

霍尔电流传感器在电流检测中应用最为广泛，与上述几类电流传感器相比，具有高分辨率、高灵敏度、高精度、过载能力强和动态性能好等优点。其主要分为直检式霍尔电流传感器和磁平衡式霍尔电流传感器。对新型电力系统宽频电流检测而言，不但需要检测小电流，而且需要检测故障期间的冲击大电流，因此对测量量程和抗干扰能力提出了很高要求，但由于长期运行于继电保护室，工作环境较好，温度变化不大，因此对温度稳定性的要求反而并不高。可见，针对新型电力系统宽频电流检测，研发满足其性能要求的霍尔电流传感器，实现大带宽、大量程、高精度、抗干扰能力强的电流检测是必然之路。

传统的霍尔电流传感器通常采用单霍尔元件来检测电流，单霍尔元件在霍尔电流检测方法中简单直观，也是提出较早的方法，考虑霍尔电流传感器的性能时，失调电压是一个关键因素。失调表现为霍尔输出电压上叠加了与被测磁场无关的失调电压，采用理想的霍尔元件，当完成偏置设置后，若外接未施加测量磁场，霍尔元件两端口所产生的霍尔电压值应为零，但是实际霍尔元件由于制造工艺、元件安装以及温度变化等多种问题都会导致失调电压的产生，使得输出霍尔电压在零磁场强度下不为零，而霍尔电流传感器的测量精度也因此降低，因此消除失调电压对提高测量精度是一个尤为重要的因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗干扰型霍尔电流传感器、测量方法及电子设备，以解决现有的霍尔电流传感器抗干扰能力差、检测电路复杂、检测精度较差的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种抗干扰型霍尔电流传感器，包括：

电气连接的霍尔元件工作模块、信号放大模块、功率放大模块和磁通补偿模块；

其中，霍尔元件工作模块包括：电气连接的磁芯、霍尔元件和限流电阻，被测电流通过磁芯在磁芯气隙中产生磁场，所述的霍尔元件工作模块通过霍尔元件测量该磁场，并采用双霍尔消除技术，消除失调电压和外界磁场干扰，产生霍尔电压，并将霍尔电压输入所述信号放大电路；

所述信号放大电路通过运算放大器将霍尔电压进行叠加，并输出差分霍尔电压，完成霍尔电压的开环放大，并将差分霍尔电压输入所述的功率放大模块；

所述功率放大模块通过三极管和稳压二极管将差分霍尔电压转换为补偿电流，并驱动补偿电流进入磁通补偿模块；

所述磁通补偿模块中的补偿绕组根据补偿电流产生补偿磁通抵消被测电流产生的磁通。

可选地，所述霍尔元件工作模块包括：

磁芯、第一霍尔元件、第二霍尔元件、第一至第四限流电阻；

其中，所述第一霍尔元件、第二霍尔元件被放置在磁芯的气隙中，所述第一霍尔元件按照顺时针的方向旋转90度得到所述第二霍尔元件，所述的第一霍尔元件和第二霍尔元件一端连接所述第一至第四限流电阻，另一端连接所述信号放大模块。所述第一至第四限流电阻一端连接所述的第一霍尔元件和第二霍尔元件，另一端连接系统工作电源。

可选地，所述信号放大模块包括：

第一差分比例运算电路、第二差分比例运算电路、第一同相加法运算电路、第五至第八限流电阻、第一对地电容和第二对地电容。

其中，所述第一差分比例运算电路包括第一运算放大器和第一至第四工作电阻。第一差分比例运算电路的第一端和第二端连接第一霍尔元件，第三端和第四端连接第五至第八限流电阻，第五端连接第一同相加法运算电路；所述第二差分比例运算电路包括第二运算放大器和第五至第八工作电阻。第二差分比例运算电路的第一端和第二端连接第二霍尔元件，第三端和第四端连接第五至第八限流电阻，第五端连接第一同相加法运算电路；所述第一同相加法运算电路包括第三运算放大器和第九至第十二工作电阻。第一同相加法运算电路的第一端连接第一差分比例运算电路和第二差分比例运算电路，第二端连接第十一工作电阻和第十二工作电阻，第三端和第四端连接第五至第八限流电阻，第五端连接功率放大模块和第十一工作电阻；所述第五至第八限流电阻的一端连接第一差分比例运算电路、第二差分比例运算电路和第一同相加法运算电路，另一端连接系统工作电源。所述第一对地电容一端连接第五限流电阻和第六限流电阻，另一端接地；所述第二对地电容一端连接第七限流电阻和第八限流电阻，另一端接地。

可选地，所述功率放大模块包括：

第一三极管、第二三极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管第九至第十二限流电阻和第十三工作电阻。

所述第一三极管的第一端连接第十三工作电阻，第二端连接第九限流电阻和第十限流电阻，第三端连接磁通补偿模块。所述第二三极管的第一端连接第十三工作电阻，第二端连接第十一限流电阻和第十二限流电阻，第三端连接磁通补偿模块。所述第一稳压二极管的一端连接第九限流电阻和第十限流电阻，另一端连接磁通补偿模块。所述第二稳压二极管的一端连接第十一限流电阻和第十二限流电阻，另一端连接磁通补偿模块。所述第十三工作电阻的一端连接信号放大模块，另一端连接磁通补偿模块。

可选地，所述磁通补偿模块包括：

补偿绕组和采样电阻。

所述补偿绕组绕制在所述磁芯上，所述补偿绕组的一端连接功率放大模块，零一端连接采样电阻。所述采样电阻的一端连接第一补偿绕组，另一端接地。

第二方面，本发明提供了一种抗干扰型霍尔电流传感器的测量方法，应用在一种抗干扰型霍尔电流传感器上，包括以下步骤：

利用霍尔元件工作模块中的霍尔元件测量被测电流产生的磁场，并基于双霍尔消除技术，消除失调电压和外界磁场干扰，并输出霍尔电压，并将霍尔电压信号输入所述信号放大电路；

利用信号放大电路的运算放大器将霍尔电压进行叠加，并输出差分霍尔电压，完成霍尔电压的开环放大，并将差分霍尔电压信号输入所述功率放大模块；

利用功率放大模块中的三极管和稳压二极管将差分霍尔电压转换为补偿电流，并将补偿电流输入所述磁通补偿模块；

利用磁通补偿模块中的补偿绕组根据补偿电流产生补偿磁通抵消被测电流产生的磁通。

所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反。

第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括一种抗干扰型霍尔电流传感器。

有鉴如此，本发明带来的有益效果是：

本发明在传统霍尔电流传感器的结构基础上，加入了第二霍尔元件，能避免霍尔元件在制造过程中和受温度影响产生失调电压，解决了由失调电压和外界磁场干扰所带来的测量精度低和量程受限的问题，且选用高速运算放大器，降低运算放大器的时间常数，可进一步拓宽传感器的带宽。且本发明所设计的传感器检测电路简单，采用稳压二极管和限流电阻，保障传感器的安全运行。将补偿电流输入磁通补偿模块，补偿电流产生的补偿磁通与被测电流产生的磁通大小相等但方向相反，使电流传感器达到零磁通状态，根据补偿电流与被测电流之间存在的预设比例关系，能实现高精度的电流测量。

附图说明

图1为本发明抗干扰型霍尔电流传感器传感器实施例的系统结构示意图；

图2为本发明传感器实施例中双霍尔消除技术的实现过程示意图；

图3为本发明传感器实施例中闭环霍尔电流传感器的系统框图示意图；

图4为本发明传感器实施例中霍尔元件工作模块示意图；

图5为本发明传感器实施例中信号放大模块示意图；

图6为本发明传感器实施例中功率放大模块示意图。

图7为本发明传感器实施例中磁补偿模块示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种抗干扰型霍尔电流传感器、测量方法及电子设备，以解决现有的霍尔电流传感器抗干扰能力差、检测电路复杂、检测精度较差的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

随着新型电力系统的发展，系统中的电力电子设备占比越来越高，复杂多样化的数字控制间相互作用，使得系统动态特性不再局限于传统的50Hz工频附近，而是扩展至数千Hz的宽频范围。为保障电网安全可靠运行，必须对数千Hz宽频范围的电网状态量进行精准检测。其中，大带宽、大量程、高精度的电流传感检测技术最具难度和挑战性。目前的电流检测方法有很多，主要有分流电阻器、电流互感器、罗氏绕组、霍尔电流传感器、巨磁阻电流传感器、磁光效应传感器以及磁通门电流传感器。这些电流检测技术从原理上可分为不同类型，主要包括基于电学原理、基于光学原理或者基于磁学原理。在实际应用中，根据应用特性又可分为非隔离式电流传感器如分流电阻器，以及隔离式电流传感器如电流互感器、罗氏绕组、磁通门电流传感器等。根据电流检测场景的不同，上述电流传感器都有着广泛应用。

霍尔电流传感器在电流检测中应用最为广泛，与上述几类电流传感器相比，具有高分辨率、高灵敏度、高精度、过载能力强和动态性能好等优点。其主要分为直检式霍尔电流传感器和磁平衡式霍尔电流传感器。对新型电力系统宽频电流检测而言，不但需要检测小电流，而且需要检测故障期间的冲击大电流，因此对测量量程和抗干扰能力提出了很高要求，但由于长期运行于继电保护室，工作环境较好，温度变化不大，因此对温度稳定性的要求反而并不高。可见，针对新型电力系统宽频电流检测，研发满足其性能要求的霍尔电流传感器，实现大带宽、大量程、高精度、抗干扰能力强的电流检测是必然之路。

传统的霍尔电流传感器通常采用单霍尔元件来检测电流，单霍尔元件在霍尔电流检测方法中简单直观，也是提出较早的方法，考虑霍尔电流传感器的性能时，失调电压是一个关键因素。失调表现为霍尔输出电压上叠加了与被测磁场无关的失调电压，采用理想的霍尔元件，当完成偏置设置后，若外接未施加测量磁场，霍尔元件两端口所产生的霍尔电压值应为零，但是实际霍尔元件由于制造工艺、元件安装以及温度变化等多种问题都会导致失调电压的产生，使得输出霍尔电压在零磁场强度下不为零，而霍尔电流传感器的测量精度也因此降低，因此消除失调电压对提高测量精度是一个尤为重要的因素。

请参阅图1，本发明实施例一提供的抗干扰型霍尔电流传感器，包括：电气连接的霍尔元件工作模块、信号放大模块、功率放大模块和磁通补偿模块；

所述霍尔元件工作模块通过霍尔元件测量被测电流产生的磁场，并基于双霍尔消除技术，消除失调电压和外界磁场干扰，输出霍尔电压，并将霍尔电压信号输入所述信号放大电路；

所述信号放大电路的运算放大器将霍尔电压进行叠加，并输出差分霍尔电压，完成霍尔电压的开环放大，并将差分霍尔电压信号输入所述功率放大模块；

所述功率放大模块中的三极管和稳压二极管将差分霍尔电压转换为补偿电流，并将补偿电流输入所述磁通补偿模块；

所述磁通补偿模块中的补偿绕组根据补偿电流产生补偿磁通抵消被测电流产生的磁通。

所述补偿电流与被测电流之间存在预设的比例关系，所述补偿电流产生的补偿磁通与所述被测电流产生的磁通大小相等但方向相反。

图中，V

系统工作原理如下：被测电流通过原边绕组，经磁芯作用，在磁芯的气隙中产生磁场。该磁场作用于霍尔元件H

N

式中，N

请参阅图2，图2所示为双霍尔消除技术的实现过程；

考虑霍尔电流传感器的性能时，失调表现为霍尔输出电压上叠加了与磁场无关的失调电压，采用理想的霍尔元件，当完成偏置设置后，若外接未施加测量磁场，霍尔元件两端口所产生的的霍尔电压值应为零，而实际霍尔元件由于制造工艺、元件安装以及温度变化等多种问题都会导致失调电压的产生，使得输出霍尔电压在零磁场强度下不为零，而霍尔电流传感器的测量精度也因此降低，消除失调电压对提高测量精度是一个尤为重要的因素。

本发明采用两个完全相同的元件进行组合，设置其旋转对称，使两个霍尔元件之间产生的失调电压相等，由于失调电压的极性相反，将霍尔输出电压进行叠加以消除失调电压。

将霍尔元件1按照顺时针的方向旋转90°得到霍尔元件2，施加偏置电压后，可以看到霍尔元件1的电流方向是从端口1到端口3，端口2和端口4检测霍尔输出电压，霍尔元件2的电流方向是从端口2到端口4，端口1和端口3检测霍尔输出电压，双霍尔元件可等效为图所示模型，假设霍尔元件1和2中的四个电阻参数完全相同，由于阻抗条件相同，可消除失调电压，具体理论分析如下，对于霍尔元件1，其输出霍尔电压V

式中，V

同理可得霍尔元件2的输出霍尔电压V

两者进行叠加，可推出总的输出电压V

V

可见，相反极性的失调电压被相加消除，最后得到无失调的两倍霍尔电压，通过牺牲些许芯片面积可以简单高效地消除霍尔元件的失调电压。

请参阅图3，本发明传感器实施例中闭环霍尔电流传感器的系统框图示意图，本发明所设计的传感器为电压输出型，补偿电流I

设B

V

式中，霍尔元件的霍尔电压输出系数

图中，K

式中，

为开环传递函数，G(s)为信号放大电路以及功率放大电路的传递函数，H(s)＝K

信号放大电路和功率放大电路可视为一个一阶系统，因此其传递函数G(s)可表示为：

式中，τ

本发明设计的传感器可视为一个二阶低通滤波器，其截止频率

请参阅4，在一个实施例中，霍尔元件工作模块包括：磁芯C、第一霍尔元件H

被测电流在磁芯气隙中产生磁场，第一霍尔元件H

请参阅5，在一个实施例中，信号放大模块包括：第一差分比例运算电路、第二差分比例运算电路、同相加法运算电路、第五至第八限流电阻R

其中运放放大器A

信号放大电路对霍尔元件的实际输出霍尔电压进行叠加和放大，其中第一差分比例运算电路的输出电压

结合式2和式3，可将该式16化简为：

V

此时完成了差分霍尔电压的放大，并完全消除了失调电压以及外界磁场的干扰。

请参阅6，在一个实施例中，功率放大模块包括：第一三极管V

第一稳压二极管和第二稳压二极管用以防止作用在第一三极管和第二三极管的电压过大，损害三极管。为防止磁芯中磁通量不断增大，本发明采用三极管，在传感器的开断电过程中产生反向电流使磁性消磁(即磁通复位)。

功率放大模块将输入电压V

请参阅7，在一个实施例中，磁补偿模块包括：补偿绕组和采样电阻。

所述补偿绕组绕制在所述磁芯上，补偿电流流经补偿绕组，并产生补偿磁场，用以抵消被测电流产生的磁通，从而实现闭环传感器的零磁通。此时传感器系统处于平衡状态，被测电流与补偿电流的关系式如式1所示，其中N

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。