專利名稱：閉環(huán)磁通門電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閉環(huán)電流傳感器，具體涉及磁通門式閉環(huán)電流傳感器。
背景技術(shù)：
常規(guī)的磁通門傳感器通常包括高磁導(dǎo)率的軟磁材料的磁芯，磁通門的勵(lì)磁線圈使該磁芯經(jīng)受交流磁場。勵(lì)磁線圈的磁場以交替的方式使磁芯飽和。在存在磁場(例如由在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的外部磁場)時(shí)，軟磁磁芯的飽和特性(如從次級(jí)側(cè)所見，明顯地)變?yōu)椴粚?duì)稱，并在驅(qū)動(dòng)磁通門線圈的電路中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)。所得信號(hào)與外部磁場的幅值相關(guān)。在閉環(huán)傳感器中，在反饋回路中使用該信號(hào)來驅(qū)動(dòng)被構(gòu)造為抵消外部磁場效應(yīng)的磁路上的次級(jí)線圈。閉環(huán)磁通門傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們的測量靈敏性和精確地測量小幅值電流的能力。另一方面，這樣的傳感器通常不是最適合于測量大幅值電流，并且像其它傳感器那樣，具有有限的測量范圍。然而，某些應(yīng)用要求測量大范圍的電流。要求小幅值電流的精確測量和大測量范圍的應(yīng)用示例是電池監(jiān)視。為了估計(jì)電池的狀態(tài)(充電、最佳狀態(tài))，電池監(jiān)視可包括測量電池系統(tǒng)的不同參數(shù)溫度、電壓、阻抗和電流[2]。通常，有必要比如在工業(yè)UPS、電信系統(tǒng)或電池儲(chǔ)能系統(tǒng)處監(jiān)視由幾百個(gè)塊構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。與電池監(jiān)視應(yīng)用相關(guān)的困難之一是電流測量，在電流測量中，測量范圍(DC)通常可從IOmA變?yōu)?000A。如今的可用的低成本電流變換器不是非常適于在支持非常大的測量范圍的同時(shí)以足夠的精度為小幅值電流工作， 所述非常大的測量范圍可從幾毫安培的涓流充電(浮充)電流變?yōu)閹装侔才嗟碾姵胤烹姾驮俪潆婋娏?。某些電?dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和其它電驅(qū)動(dòng)器也可要求測量非常大范圍的電流，以精確可靠地控制驅(qū)動(dòng)器或發(fā)電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供精確地測量小電流的、還具有大測量范圍的電流傳感器。有利的是，提供制造經(jīng)濟(jì)的電流傳感器。有利的是，提供制造經(jīng)濟(jì)的、用于精確的電池監(jiān)視的電流傳感器。有利的是，提供易于實(shí)現(xiàn)的電流傳感器。有利的是，提供小型可靠的電流傳感器。通過提供根據(jù)權(quán)利要求6的閉環(huán)磁通門傳感器和根據(jù)權(quán)利要求1的電流測量方法來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。本文公開的是磁通門電流傳感器，所述磁通門電流傳感器包括用于在下述電流范圍內(nèi)測量在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的初級(jí)電流Ip的測量電路和電感器，所述電流范圍從最小可測量或指定電流幅值(Imin)到最大可測量或指定電流幅值(Imax)，所述電感器包括可飽和磁芯和次級(jí)線圈，所述可飽和磁芯由高磁導(dǎo)率磁材料制成，所述次級(jí)線圈用于施加被構(gòu)造為交替地使磁芯飽和的交流勵(lì)磁電流i，所述線圈與測量電路連接。測量電路被構(gòu)造為測量磁芯
4在相對(duì)磁場方向上的飽和時(shí)間、和t2，并從其為小電流幅值確定初級(jí)電流的值，測量電路還被構(gòu)造用于估計(jì)勵(lì)磁電流i的平均值，并從其為大電流確定初級(jí)電流的值。根據(jù)本發(fā)明的在從最小指定電流幅值到最大指定電流幅值的電流范圍內(nèi)測量在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的方法包括-提供電流傳感器，所述電流傳感器包括測量電路和電感器，所述電感器包括卷繞在可飽和磁芯上的次級(jí)線圈；-將勵(lì)磁電壓施加于被構(gòu)造為交替地使磁芯飽和的次級(jí)線圈；-對(duì)在當(dāng)開啟電壓源時(shí)的階段期間流過電感器的勵(lì)磁電流的平均值進(jìn)行估計(jì)，以測量大的初級(jí)電流；和-分別測量交流勵(lì)磁電流的負(fù)信號(hào)和正信號(hào)的磁芯的飽和時(shí)間、、t2，并且對(duì)于小電流，基于交替飽和時(shí)間、、t2的關(guān)系確定初級(jí)電流。小的初級(jí)電流具有從最小指定電流Imin到過渡或中間幅值的第一部分電流范圍中的幅值，大的初級(jí)電流具有從過渡幅值到最大指定電流幅值Imax的第二部分電流范圍中的幅值。在從第一測量方法轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙y量方法的情況下，中間幅值的值可根據(jù)Imin和Imax的值而變化。根據(jù)本發(fā)明的基于類型“磁通門”的技術(shù)的電流傳感器在制造和實(shí)現(xiàn)上經(jīng)濟(jì)，而且在提供優(yōu)良精度的同時(shí)還具有大的測量范圍。傳感器使用由在可飽和電感器上作用的初級(jí)電流形成的磁場。通過測量達(dá)到飽和的間隔和電感器負(fù)載電流并使用合適的微控制器，可精確地為高電流電平和低電流電平這二者估計(jì)初級(jí)電流的值。對(duì)于小的初級(jí)電流IP，可基于一個(gè)方向上的飽和時(shí)間除以兩個(gè)方向上的飽和時(shí)間之和的值(Ip與、/(、+、)成比例)來確定初級(jí)電流的值。用于小電流的測量方法優(yōu)選地被用于遵循以下條件的初級(jí)電流|^|</；0其中，Ip是初級(jí)電流，N是次級(jí)線圈的匝數(shù)，并且is(1是用于為0的初級(jí)電流的飽和勵(lì)磁電流的值。對(duì)于大的初級(jí)電流，初級(jí)電流的測量可基于勵(lì)磁電流的平均值的估計(jì)。


從權(quán)利要求和本發(fā)明實(shí)施例及附圖的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的目的和有利特征將變得清楚，在附圖中圖1是指示測量參數(shù)的電池監(jiān)視系統(tǒng)的簡化圖示；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流傳感器的可飽和電感器及其主要參數(shù)；圖3是電感器的理想化特性B(H)的圖解圖示；圖4是作為在電感器的次級(jí)線圈中流動(dòng)的電流I的函數(shù)的磁鏈的理想化特性 Ψ( )的圖解圖示；圖6是用于大于零的初級(jí)電流(將被測量的電流)(Ip > 0)的電感值的偏移的圖解圖示；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的測量電路的實(shí)施例的電路圖fe和8b是示出電感值的偏移(分別地，正初級(jí)電流(Ip > 0)的飽和時(shí)間、和 t2)的簡化圖；圖9a和9b是作為電流(分別地，作為用于正初級(jí)電流的時(shí)間的函數(shù)的電流)的函數(shù)的電感的圖解圖示，該函數(shù)描繪初級(jí)電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系；圖IOa和IOb與圖9a、9b類似，但是是用于負(fù)初級(jí)電流；圖11是示出用于為0的初級(jí)電流的正勵(lì)磁電流信號(hào)P和負(fù)勵(lì)磁電流信號(hào)N的飽和時(shí)間的示波器的抓屏；圖12是初級(jí)電流為1000安培時(shí)的電壓Um的示波器的抓屏；圖13至圖15示出根據(jù)本發(fā)明制作的原型電流傳感器的測試結(jié)果，其中，圖13 示出-1至+1安培范圍中的初級(jí)電流的以毫安培為單位的測量電流誤差，圖14示出范圍為-15至15安培的初級(jí)電流的以百分比表示的傳感器誤差，并且圖15示出范圍為-1000 至+1000安培的初級(jí)電流的以百分比表示的傳感器誤差。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1、2和7，根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的實(shí)施例，用于測量在初級(jí)導(dǎo)體2中流動(dòng)的初級(jí)電流IP，初級(jí)導(dǎo)體2例如與電池1或者其它電氣設(shè)備或電動(dòng)機(jī)連接，所述初級(jí)電流與電池的充電或放電電流或者電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)應(yīng)。傳感器包括電感器4，電感器4(用電感L表示)與測量電路6連接。電感器包括磁路8和次級(jí)線圈(在本文中也稱為勵(lì)磁線圈)12，磁路8包括由高磁導(dǎo)率材料(軟磁材料)制成的磁芯10，次級(jí)線圈12卷繞在可飽和磁芯10的至少一部分上。次級(jí)線圈12與測量電路6連接，測量電路6通過次級(jí)線圈饋送勵(lì)磁電流+i、_i，所述勵(lì)磁電流被構(gòu)造為交替地使磁芯在一個(gè)方向上飽和、然后使磁芯在相反方向上飽和。在所示的實(shí)施例中，磁芯是具有初級(jí)導(dǎo)體延伸通過其的中心通道14的環(huán)形閉環(huán)的形式。初級(jí)導(dǎo)體被顯示為筆直通過磁芯的中心通道的單個(gè)導(dǎo)體，然而，還可具有這樣的初級(jí)導(dǎo)體，該初級(jí)導(dǎo)體具有圍繞可飽和鐵心的一部分的一匝或多匝(繞組)。初級(jí)導(dǎo)體的一部分可與電流傳感器集成，并包括用于與將被測量的系統(tǒng)的外部初級(jí)導(dǎo)體連接的連接端子。初級(jí)導(dǎo)體還可與傳感器分離，并插入通過傳感器。磁芯可具有除圓形之外的其它形狀， 例如，矩形、正方形、多邊形或其它形狀。而且，導(dǎo)體的磁芯還可形成非閉合電路，例如條桿或者具有氣隙的幾乎閉合的磁芯的形式。磁芯還可由多于一個(gè)部分形成，例如由圍繞初級(jí)導(dǎo)體組裝在一起的兩個(gè)半部分或者兩個(gè)部分形成。此外，電流傳感器可包括不具有初級(jí)導(dǎo)體延伸通過其的中心通道的磁芯，由此初級(jí)導(dǎo)體可被定位在磁芯附近或者用一匝或多匝圍繞磁芯的一部分卷繞。在這些各種構(gòu)造中，功能原理基本上保持相同，由此次級(jí)線圈中的勵(lì)磁是使磁芯在交替方向上飽和的交流電，并且其中，初級(jí)電流產(chǎn)生影響磁芯的飽和特性的磁場。在本發(fā)明中，對(duì)于小電流，測量電路測量作為勵(lì)磁電流的函數(shù)的電感特性的偏移， 該偏移基本上與初級(jí)電流的幅值成比例。然而，對(duì)于大的初級(jí)電流，由于在無任何次級(jí)(勵(lì)磁)電流的情況下磁芯已經(jīng)完全飽和并且關(guān)系、/(、+、)的結(jié)果不再改變，所以不再利用這個(gè)測量原理。對(duì)于大電流，測量電路因此利用另一種測量方法，該方法包括在供給勵(lì)磁電壓的時(shí)間(即，如此后更詳細(xì)描述的與初級(jí)電流的幅值對(duì)應(yīng)的、或、)期間對(duì)次級(jí)線圈勵(lì)磁電流的平均值進(jìn)行估計(jì)。有利的是，單個(gè)簡單的低成本的傳感器可如此被用于測量非常大的電流范圍。圖1和2示出具有閉環(huán)電流傳感器的電池監(jiān)視系統(tǒng)的參數(shù)，其中N是次級(jí)匝數(shù)Ipe是平均磁路長度SFe是磁路截面i是勵(lì)磁電流Ip是(將被測量的)初級(jí)電流，和φ是磁通量。由于電流可在非常大的范圍內(nèi)變化(從幾毫安培的涓流充電(浮充)電流到幾百安培的電池放電和再充電電流)，所以這種類型的應(yīng)用的主要困難是電流的測量。在圖2中定義了可飽和電感器的主要參數(shù)。盡管已知磁芯的特性B(H)以及磁路的幾何參數(shù)，但是電感值可被定義為勵(lì)磁電流i的函數(shù)。如圖3所示，可近似磁路的理想特性B (H)(作為磁場H的函數(shù)的磁感應(yīng)B)。對(duì)于在+Hs與-Hs之間變化的磁場值，磁芯不飽和，所以用公知的方程(1)表示B(H)B(H) = μ?！?μ r · H 如果 _HS < H < +Hs (1)其中，l·^是空氣的磁導(dǎo)系數(shù)，并且l·^是電路的磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)系數(shù)。圖4示出作為電流的函數(shù)的磁鏈的理想化特性Ψ (i)。磁路的幾何參數(shù)以及匝數(shù) N使得可確定磁鏈Ψ與勵(lì)磁電流i之間的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種電流傳感器，所述電流傳感器包括用于在下述電流范圍內(nèi)測量在初級(jí)導(dǎo)體(2) 中流動(dòng)的初級(jí)電流Ip的測量電路(6)和電感器G)，所述電流范圍從最小指定電流幅值到最大指定電流幅值，所述電感器包括可飽和磁芯(10)和次級(jí)線圈(12)，所述可飽和磁芯 (10)由高磁導(dǎo)率材料制成，所述次級(jí)線圈(12)用于承載被構(gòu)造為交替地使所述磁芯飽和的交流勵(lì)磁電流i，所述線圈與所述測量電路連接，其中，所述測量電路被構(gòu)造為將正電壓或負(fù)電壓供給所述電感器，以當(dāng)達(dá)到條件信令飽和時(shí)斷開所述電壓，以測量所述磁芯的一個(gè)方向上的飽和時(shí)間、和所述磁芯的另一個(gè)方向上的飽和時(shí)間t2，并從其為具有從最小指定電流到過渡幅值的第一部分電流范圍中的幅值的初級(jí)電流確定初級(jí)電流的值，所述測量電路還被構(gòu)造用于對(duì)當(dāng)電壓被供給所述電感器時(shí)且在達(dá)到飽和條件之前的階段期間的勵(lì)磁電流i的平均值進(jìn)行估計(jì)，并從其為具有從所述過渡幅值到最大指定電流幅值的第二部分電流范圍中的幅值的初級(jí)電流確定初級(jí)電流的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其中，所述測量電路包括DC電壓源\和由所述 DC電壓源供電的H橋電路，所述H橋電路被構(gòu)造為交替地用正電壓和負(fù)電壓激勵(lì)所述次級(jí)線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其中，所述H橋的開關(guān)包括M0SFET。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電流傳感器，其中，所述測量電路包括測量所述勵(lì)磁電流的電阻Rm。
5.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的電流傳感器，其中，所述可飽和磁芯是環(huán)形閉合的。
6.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的電流傳感器，還包括與所述測量電路連接的微控制器，所述微控制器包括用于測量飽和時(shí)間、、t2的計(jì)時(shí)器。
7.一種用于在從最小指定電流幅值到最大指定電流幅值的電流范圍內(nèi)測量在初級(jí)導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的方法，包括-提供電流傳感器，所述電流傳感器包括測量電路和電感器，所述電感器包括卷繞在可飽和磁芯上的次級(jí)線圈；-將勵(lì)磁電壓施加于所述次級(jí)線圈，以交替地使所述磁芯飽和；-對(duì)在施加所述勵(lì)磁電壓的階段期間的勵(lì)磁電流的平均值進(jìn)行估計(jì)，以測量大的初級(jí)電流；和-分別測量交流勵(lì)磁電流的負(fù)信號(hào)和正信號(hào)的磁芯的飽和時(shí)間、、t2，并且對(duì)于小電流，基于交替飽和時(shí)間、、t2的關(guān)系確定初級(jí)電流，其中，小的初級(jí)電流具有從最小指定電流Imin到過渡或中間幅值的第一部分電流范圍中的幅值，并且大的初級(jí)電流具有從所述過渡幅值到最大指定電流幅值Imax的第二部分電流范圍中的幅值。
8.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的方法，其中，對(duì)于小的初級(jí)電流IP，所述初級(jí)電流基于一個(gè)方向上的飽和時(shí)間除以兩個(gè)方向上的飽和時(shí)間之和的值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的測量方法，其中，用于小電流的測量方法被用于遵循以下條件的初級(jí)電流其中，Ip是初級(jí)電流，N是所述次級(jí)線圈的匝數(shù)，并且is(l是為零的初級(jí)電流的飽和勵(lì)磁電流的值。
10.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，對(duì)于大初級(jí)電流，所述初級(jí)電流的測量基于當(dāng)供給勵(lì)磁電壓時(shí)的階段期間的勵(lì)磁電流的平均值的估計(jì)。
11.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的方法，其中，所述測量電路包括DC電壓源V。和具有由DC電壓源供電的晶體管開關(guān)的H橋電路，所述H橋電路被構(gòu)造為交替地用正(P)電壓和負(fù)(N)電壓激勵(lì)所述次級(jí)線圈，所述方法包括以下步驟-接通被構(gòu)造為將正電壓供給所述勵(lì)磁線圈的晶體管，從而用正電流+i對(duì)電感器(4) 進(jìn)行充電，直到達(dá)到所述磁芯的飽和為止，斷開所述晶體管；-測量達(dá)到飽和的時(shí)間t1;-使電感放電；-接通被構(gòu)造為將負(fù)電壓供給所述勵(lì)磁線圈的晶體管，從而用負(fù)電流_i對(duì)電感器(4) 進(jìn)行充電，并且一旦達(dá)到所述磁芯的飽和，就斷開所述晶體管；-測量達(dá)到飽和的時(shí)間t2;-使電感放電。
12.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的方法，其中，通過比較器確定達(dá)到通過測量電阻Rm的勵(lì)磁電流i的某個(gè)閾值來檢測所述磁芯的飽和。
13.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的方法，其中，在所述開關(guān)的閉合與飽和的檢測之間確定飽和時(shí)間、、t2。
14.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的方法，其中，通過與所述測量電路連接的微控制器利用所述微控制器的計(jì)時(shí)器單元來計(jì)算所述飽和時(shí)間的值。
全文摘要
電流傳感器包括用于測量在初級(jí)導(dǎo)體(2)中流動(dòng)的初級(jí)電流IP的測量電路(6)和電感器(4)，電感器包括由高磁導(dǎo)率材料制成的可飽和磁芯(10)和次級(jí)線圈(12)，所述次級(jí)線圈(12)用于承載被構(gòu)造為交替地使所述磁芯飽和的交流勵(lì)磁電流i，所述線圈與測量電路連接。測量電路被構(gòu)造為將正電壓或負(fù)電壓供給所述電感器，以當(dāng)達(dá)到條件信令飽和時(shí)斷開所述電壓，以測量磁芯的一個(gè)方向上的飽和時(shí)間t1和磁芯的另一個(gè)方向上的飽和時(shí)間t2，并從其為小電流幅值確定初級(jí)電流的值，測量電路還被構(gòu)造用于對(duì)勵(lì)磁電流i的平均值進(jìn)行估計(jì)，并從其為大電流確定初級(jí)電流的值。
文檔編號(hào)G01R33/00GK102422174SQ201080020584
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者D·阿左尼, W·特潘 申請(qǐng)人:機(jī)電聯(lián)合股份有限公司