一種閉環(huán)電流傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電流控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種閉環(huán)電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)控制領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域，電流參數(shù)往往是制動系統(tǒng)、能量傳輸單元的核屯、參 數(shù)。如光伏行業(yè)中的匯流箱具有匯集并監(jiān)控多路太陽能面板電流的功能，此時電流傳感器 成為了匯流箱中的核屯、傳感器;如在交-直-交變頻器中直流逆變交流單元中電流控制也需 W電流傳感器為核屯、測量單元。隨著工業(yè)控制的發(fā)展，對傳感器提出更高的要求:主要包括 低成本、小體積、高精度等要求。與此同時運(yùn)些領(lǐng)域都面臨很大的成本壓力。
[0003] 當(dāng)前電流傳感器在各個領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，由于受低成本等因素制約，運(yùn)放的 輸入偏置電壓、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等因素造成了傳感器零點(diǎn)誤差，除此之外磁敏 傳感器的橋路不對稱性也會增大零點(diǎn)誤差;磁敏傳感器靈敏度參數(shù)不一致性、電路阻值誤 差等會帶來較大的增益誤差;溫度失調(diào)特性、溫度漂移等會帶來溫度誤差。在產(chǎn)品批量化生 產(chǎn)中，W上幾種誤差參數(shù)嚴(yán)重影響傳感器整體精度，導(dǎo)致成品不良。
[0004] 為了提高傳感器整體精度，需要增加傳感器零點(diǎn)調(diào)整、增益調(diào)整、溫度漂移修正等 功能模塊?，F(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計中，大多采用模擬電路調(diào)整的方法進(jìn)行修調(diào)。如采用電位器調(diào)節(jié)電 路參考電壓，進(jìn)而調(diào)整減法電路中參數(shù)，實現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整功能;通過電位器調(diào)整運(yùn)放放大器中 比例放大電路中阻值實現(xiàn)增益調(diào)整功能;通過較為復(fù)雜的溫度修正電路實現(xiàn)溫度的一次修 調(diào)。如此修調(diào)方法需增加較多外圍電路，包括多個運(yùn)算放大器、多個電位器等；調(diào)節(jié)工藝較 為復(fù)雜，需手動調(diào)節(jié)電阻值;調(diào)節(jié)性能相對較差，且電位器可靠性比較低，影響系統(tǒng)整體可 靠性參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種閉環(huán)電流傳感器，能有效解決閉環(huán)電流傳感器參數(shù) 調(diào)整的問題。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:包括磁路結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，磁路結(jié)構(gòu)包 括一個具有開口的磁環(huán)，電路結(jié)構(gòu)中包括磁敏傳感器、補(bǔ)償電路W及測量模塊;電路結(jié)構(gòu)集 成為一個忍片，并將該忍片設(shè)置于磁環(huán)的開口中；將待測導(dǎo)線放入磁環(huán)中央，通過測量獲得 電路結(jié)構(gòu)的輸出，對導(dǎo)線進(jìn)行電流測量。
[0007] 補(bǔ)償電路包括多路復(fù)用器MUX、溫度傳感器TMP、線型穩(wěn)壓器LD0、可編程增益放大 器PGA、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC和微處理器。
[000引 LD0為磁敏傳感器和溫度傳感器提供穩(wěn)壓電源。
[0009] MUX的多路通道分別與磁敏傳感器和溫度傳感器連接，MUX對每一路通道進(jìn)行分時 切換，并將磁敏傳感器W及溫度傳感器的輸出模擬數(shù)據(jù)傳遞至PGA中。
[0010] PGA對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行增益放大處理，得到放大后的模擬數(shù)據(jù)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳遞至微處理器中。
[0011] 微處理器利用述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中的溫度信息對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中的電壓值進(jìn)行修調(diào)，修調(diào)之 后的電壓值〇Dut做為補(bǔ)償電路的輸出。
[0012] 測量模塊接收補(bǔ)償電路的輸出，利用該補(bǔ)償電路的輸出獲得待測導(dǎo)線的電流值。
[0013] 進(jìn)一步地，測量模塊在微處理器中實現(xiàn)，其中電路結(jié)構(gòu)的輸出電壓為Dnut，PGA的增 益為Gv，電流傳感器的設(shè)計增益為Gb，磁敏元件W電壓形式輸出所測的磁感應(yīng)強(qiáng)度Gr，其輸 出電壓與所測的磁感應(yīng)強(qiáng)度的比例系數(shù)Kb，待測導(dǎo)線的應(yīng)數(shù)為N，則導(dǎo)線中電流為
且& = ：!由此計算獲得Ip。 -I '，
[0014] 進(jìn)一步地，測量模塊包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC、圖騰柱、補(bǔ)償線圈和測量電阻，DAC 連接在微處理器的輸出端，將修調(diào)之后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出至圖騰柱中，補(bǔ)償 線圈由圖騰柱的輸出端引出并繞磁環(huán)N。應(yīng)，補(bǔ)償線圈中電流Ic通過在外部增加測量電阻進(jìn) 行測量，則導(dǎo)線中電流 .〇
[0015] 進(jìn)一步地，微處理器中對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修調(diào)，修調(diào)后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)電壓為：
[0016]
[0017] Offset為預(yù)設(shè)的零點(diǎn)參數(shù)，GainAdj為預(yù)設(shè)的增益修調(diào)參數(shù)，TcLinear為預(yù)設(shè)的溫 度一次修正系數(shù)，TcSqr為溫度二次修正系數(shù);Dout為微處理器輸出的修調(diào)之后的電壓值， Vout為修調(diào)前的電壓值，T為由溫度傳感器采集到的溫度值。
[0018] 進(jìn)一步地，增益修調(diào)參數(shù)GainAdj有效數(shù)值范圍為[16384,65535]，對應(yīng)增益調(diào)整 范圍為[0.5，2];設(shè)置的零點(diǎn)修調(diào)參數(shù)Offset有效數(shù)值范圍為[0,65535]，對應(yīng)零點(diǎn)調(diào)節(jié)范 圍為[-2048，2047 ];溫度一次修正系數(shù)TcLinear有效數(shù)值范圍為[-1953，1953 ] ppm/K;溫度 二次修正系數(shù)TcSqr有效數(shù)值范圍為[-122，122 ] ppm/K。
[0019] 進(jìn)一步地，磁敏傳感器為磁敏元件陣列，陣列中每個磁敏元件均連接至MUX中的一 路通道。
[0020] 進(jìn)一步地，磁敏元件陣列中包括4個磁敏元件，排布方式為4個磁敏元件的方向首 尾相連。
[0021 ] 進(jìn)一步地，還具有控制寄存器，包括MUX選址寄存器、PGA增益寄存器、ADC量程設(shè)置 寄存器，其中MUX選址寄存器內(nèi)存儲MUX的設(shè)置參數(shù)，用于控制MUX對每一路通道的分時切 換;PGA增益寄存器存儲PGA的增益參數(shù)，用于對PGA進(jìn)行增益參數(shù)設(shè)置;ADC量程設(shè)置寄存器 存儲ADC的輸入范圍，用于控制ADC的輸入?yún)?shù)范圍。
[0022] 有益效果：
[0023] 1、本發(fā)明設(shè)及一種電流傳感器，由于增加了補(bǔ)償電路模塊，能夠依據(jù)磁敏傳感器 和溫度傳感器的測量值，對最終的輸出結(jié)果進(jìn)行修調(diào)，有效地解決了閉環(huán)電流傳感器參數(shù) 調(diào)整的問題。
[0024] 2、該電流傳感器利用寄存器對各器件的參數(shù)進(jìn)行存儲，從而能夠方便地對個器件 的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，并且具有較好的線性度和綜合精度。
[0025] 3、該電流傳感器給出了不同的測量模塊的實現(xiàn)方式，既可W通過計算獲得導(dǎo)線電 流，又可W通過實際測量獲得導(dǎo)線電流，測量方便，便于實際應(yīng)用。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本電流傳感器整體結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖2為電流傳感器的磁路結(jié)構(gòu)，包括圖2 (a)圓形磁忍、圖2 (b)方形磁忍、圖2 (C)跑 道形磁忍、圖2 (d)楠圓形磁忍結(jié)構(gòu)；
[00%]圖3為圓形磁忍的機(jī)械參數(shù)及磁性能參數(shù)；
[0029] 圖4為無氣隙及增加氣隙后等效磁滯回線；
[0030] 圖5為集成忍片主要電路框圖；
[0031 ]圖6為忍片內(nèi)主要控制寄存器、參數(shù)設(shè)置等；
[0032] 圖7為磁敏傳感器W差分對形式組成的磁敏傳感器陣列；
[0033] 圖8為本發(fā)明中電流傳感器零點(diǎn)修正與增益修正，修正后較好地提高了傳感器精 度。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0035] 實施例1、本發(fā)明所提供的一種閉環(huán)電流傳感器，如圖1所示，包括磁路結(jié)構(gòu)和電路 結(jié)構(gòu)，磁路結(jié)構(gòu)包括一個具備開口的磁環(huán)。電路結(jié)構(gòu)中包括磁敏傳感器和補(bǔ)償電路；電路結(jié) 構(gòu)集成為一個忍片，并將該忍片設(shè)置于磁環(huán)的開口中；將導(dǎo)線放入磁環(huán)中央，通過測量獲得 電路結(jié)構(gòu)的輸出，對導(dǎo)線進(jìn)行電流測量。圖1中為了清楚地描述本發(fā)明中的補(bǔ)償電路，將補(bǔ) 償電路進(jìn)行了放大。
[0036] 本實施例中的磁路結(jié)構(gòu)中采用C型開口磁忍方案，如圖1所示，待測導(dǎo)線1穿過C形 開口磁忍3(形狀不固定），磁敏傳感器2放置于磁忍開口內(nèi)（氣隙內(nèi)），磁忍可采用圖2中a、b、 c、d等方式均可實現(xiàn)本發(fā)明。如圖3所示，W磁忍3為例分析其磁路結(jié)構(gòu)，假設(shè)其相對磁導(dǎo)率 為μ。真空磁導(dǎo)率為μ〇,磁忍外徑為dl，磁忍內(nèi)徑為d2,氣隙高度為δ，計算如下；
[0037] 不考慮氣隙時有效鐵計算le為有效石纖長度，Ae為磁環(huán)的欄面積
[003引其中
dl為內(nèi)徑，d2為外徑；he為磁 環(huán)寬度。
[0039] 考慮氣隙 δ時，lc= le-δ;
[0040] 則有氣隙時等效磁勢計算如為：
[0041]
[0042] 也為磁場強(qiáng)度，B。為磁環(huán)內(nèi)磁通密度，Bs為開口內(nèi)磁通密度，N穿過導(dǎo)線應(yīng)數(shù)，I為電 流。
[0043] 由此計算開氣隙后磁路等效磁導(dǎo)率
[0044] 假設(shè)其相對磁導(dǎo)率為山=3000,磁忍內(nèi)徑為di = 0.017m，磁忍外徑為d2 = 0.021m， 氣隙高度為s = 0.0016m，計算等效磁導(dǎo)率約為25.5。由此可見，氣隙的引入降低了磁忍的等 效磁導(dǎo)率，增大了飽和磁場強(qiáng)度，增大了電流測量范圍。其等效磁滯回線變化如圖4所示。圖 中左圖為未加氣隙時等效磁滯回線，右圖為增加氣隙后磁滯回線變化，由圖中示意了增加 氣隙后等效磁導(dǎo)率變低，飽和磁感對應(yīng)強(qiáng)度時對應(yīng)的磁場強(qiáng)度增大，進(jìn)而增大了電流測量 范圍。
[0045] 本實施例中通過補(bǔ)償電路進(jìn)行放大處理，通過增益微調(diào)補(bǔ)償磁忍等效磁導(dǎo)率不一 致引起的誤差。
[0046] 補(bǔ)償電路如圖5所示，包括多路復(fù)用器MUX、溫度傳感器TMP、線型穩(wěn)壓器LD0、可編 程增益放大器PGA、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC和微處理器。
[0047] 溫度傳感器TMP采用PN結(jié)敏二極管，典型如選用SiC二極管，便于CMOS電路設(shè)計，