专利名称：闭环磁通门电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种闭环电流传感器，具体涉及磁通门式闭环电流传感器。
背景技术：
常规的磁通门传感器通常包括高磁导率的软磁材料的磁芯，磁通门的励磁线圈使该磁芯经受交流磁场。励磁线圈的磁场以交替的方式使磁芯饱和。在存在磁场(例如由在初级导体中流动的电流产生的外部磁场)时，软磁磁芯的饱和特性(如从次级侧所见，明显地)变为不对称，并在驱动磁通门线圈的电路中产生对应的信号。所得信号与外部磁场的幅值相关。在闭环传感器中，在反馈回路中使用该信号来驱动被构造为抵消外部磁场效应的磁路上的次级线圈。闭环磁通门传感器的主要优点是它们的测量灵敏性和精确地测量小幅值电流的能力。另一方面，这样的传感器通常不是最适合于测量大幅值电流，并且像其它传感器那样，具有有限的测量范围。然而，某些应用要求测量大范围的电流。要求小幅值电流的精确测量和大测量范围的应用示例是电池监视。为了估计电池的状态(充电、最佳状态)，电池监视可包括测量电池系统的不同参数温度、电压、阻抗和电流[2]。通常，有必要比如在工业UPS、电信系统或电池储能系统处监视由几百个块构成的复杂系统。与电池监视应用相关的困难之一是电流测量，在电流测量中，测量范围(DC)通�？纱覫OmA变为1000A。如今的可用的低成本电流变换器不是非常适于在支持非常大的测量范围的同时以足够的精度为小幅值电流工作， 所述非常大的测量范围可从几毫安培的涓流充电(浮充)电流变为几百安培的电池放电和再充电电流。某些电动机、发电机和其它电驱动器也可要求测量非常大范围的电流，以精确可靠地控制驱动器或发电机。
发明内容
本发明的目的是提供精确地测量小电流的、还具有大测量范围的电流传感器。有利的是，提供制造经济的电流传感器。有利的是，提供制造经济的、用于精确的电池监视的电流传感器。有利的是，提供易于实现的电流传感器。有利的是，提供小型可靠的电流传感器。通过提供根据权利要求6的闭环磁通门传感器和根据权利要求1的电流测量方法来实现本发明的目的。本文公开的是磁通门电流传感器，所述磁通门电流传感器包括用于在下述电流范围内测量在初级导体中流动的初级电流Ip的测量电路和电感器，所述电流范围从最小可测量或指定电流幅值(Imin)到最大可测量或指定电流幅值(Imax)，所述电感器包括可饱和磁芯和次级线圈，所述可饱和磁芯由高磁导率磁材料制成，所述次级线圈用于施加被构造为交替地使磁芯饱和的交流励磁电流i，所述线圈与测量电路连接。测量电路被构造为测量磁芯
4在相对磁场方向上的饱和时间、和t2，并从其为小电流幅值确定初级电流的值，测量电路还被构造用于估计励磁电流i的平均值，并从其为大电流确定初级电流的值。根据本发明的在从最小指定电流幅值到最大指定电流幅值的电流范围内测量在初级导体中流动的电流的方法包括-提供电流传感器，所述电流传感器包括测量电路和电感器，所述电感器包括卷绕在可饱和磁芯上的次级线圈；-将励磁电压施加于被构造为交替地使磁芯饱和的次级线圈；-对在当开启电压源时的阶段期间流过电感器的励磁电流的平均值进行估计，以测量大的初级电流；和-分别测量交流励磁电流的负信号和正信号的磁芯的饱和时间、、t2，并且对于小电流，基于交替饱和时间、、t2的关系确定初级电流。小的初级电流具有从最小指定电流Imin到过渡或中间幅值的第一部分电流范围中的幅值，大的初级电流具有从过渡幅值到最大指定电流幅值Imax的第二部分电流范围中的幅值。在从第一测量方法转变为第二测量方法的情况下，中间幅值的值可根据Imin和Imax的值而变化。根据本发明的基于类型“磁通门”的技术的电流传感器在制造和实现上经济，而且在提供优良精度的同时还具有大的测量范围。传感器使用由在可饱和电感器上作用的初级电流形成的磁场。通过测量达到饱和的间隔和电感器负载电流并使用合适的微控制器，可精确地为高电流电平和低电流电平这二者估计初级电流的值。对于小的初级电流IP，可基于一个方向上的饱和时间除以两个方向上的饱和时间之和的值(Ip与、/(、+、)成比例)来确定初级电流的值。用于小电流的测量方法优选地被用于遵循以下条件的初级电流|^|</；0其中，Ip是初级电流，N是次级线圈的匝数，并且is(1是用于为0的初级电流的饱和励磁电流的值。对于大的初级电流，初级电流的测量可基于励磁电流的平均值的估计。
从权利要求和本发明实施例及附图的以下详细描述，本发明的进一步的目的和有利特征将变得清楚，在附图中图1是指示测量参数的电池监视系统的简化图示；图2是根据本发明实施例的电流传感器的可饱和电感器及其主要参数；图3是电感器的理想化特性B(H)的图解图示；图4是作为在电感器的次级线圈中流动的电流I的函数的磁链的理想化特性 Ψ( )的图解图示；图6是用于大于零的初级电流(将被测量的电流)(Ip > 0)的电感值的偏移的图解图示；图7示出根据本发明的电流传感器的测量电路的实施例的电路图fe和8b是示出电感值的偏移(分别地，正初级电流(Ip > 0)的饱和时间、和 t2)的简化图；图9a和9b是作为电流(分别地，作为用于正初级电流的时间的函数的电流)的函数的电感的图解图示，该函数描绘初级电流与励磁电流之间的关系；图IOa和IOb与图9a、9b类似，但是是用于负初级电流；图11是示出用于为0的初级电流的正励磁电流信号P和负励磁电流信号N的饱和时间的示波器的抓屏；图12是初级电流为1000安培时的电压Um的示波器的抓屏；图13至图15示出根据本发明制作的原型电流传感器的测试结果，其中，图13 示出-1至+1安培范围中的初级电流的以毫安培为单位的测量电流误差，图14示出范围为-15至15安培的初级电流的以百分比表示的传感器误差，并且图15示出范围为-1000 至+1000安培的初级电流的以百分比表示的传感器误差。
具体实施例方式参照图1、2和7，根据本发明的电流传感器的实施例，用于测量在初级导体2中流动的初级电流IP，初级导体2例如与电池1或者其它电气设备或电动机连接，所述初级电流与电池的充电或放电电流或者电动机的驱动电流对应。传感器包括电感器4，电感器4(用电感L表示)与测量电路6连接。电感器包括磁路8和次级线圈(在本文中也称为励磁线圈)12，磁路8包括由高磁导率材料(软磁材料)制成的磁芯10，次级线圈12卷绕在可饱和磁芯10的至少一部分上。次级线圈12与测量电路6连接，测量电路6通过次级线圈馈送励磁电流+i、_i，所述励磁电流被构造为交替地使磁芯在一个方向上饱和、然后使磁芯在相反方向上饱和。在所示的实施例中，磁芯是具有初级导体延伸通过其的中心通道14的环形闭环的形式。初级导体被显示为笔直通过磁芯的中心通道的单个导体，然而，还可具有这样的初级导体，该初级导体具有围绕可饱和铁心的一部分的一匝或多匝(绕组)。初级导体的一部分可与电流传感器集成，并包括用于与将被测量的系统的外部初级导体连接的连接端子。初级导体还可与传感器分离，并插入通过传感器。磁芯可具有除圆形之外的其它形状， 例如，矩形、正方形、多边形或其它形状。而且，导体的磁芯还可形成非闭合电路，例如条杆或者具有气隙的几乎闭合的磁芯的形式。磁芯还可由多于一个部分形成，例如由围绕初级导体组装在一起的两个半部分或者两个部分形成。此外，电流传感器可包括不具有初级导体延伸通过其的中心通道的磁芯，由此初级导体可被定位在磁芯附近或者用一匝或多匝围绕磁芯的一部分卷绕。在这些各种构造中，功能原理基本上保持相同，由此次级线圈中的励磁是使磁芯在交替方向上饱和的交流电，并且其中，初级电流产生影响磁芯的饱和特性的磁场。在本发明中，对于小电流，测量电路测量作为励磁电流的函数的电感特性的偏移， 该偏移基本上与初级电流的幅值成比例。然而，对于大的初级电流，由于在无任何次级(励磁)电流的情况下磁芯已经完全饱和并且关系、/(、+、)的结果不再改变，所以不再利用这个测量原理。对于大电流，测量电路因此利用另一种测量方法，该方法包括在供给励磁电压的时间(即，如此后更详细描述的与初级电流的幅值对应的、或、)期间对次级线圈励磁电流的平均值进行估计。有利的是，单个简单的低成本的传感器可如此被用于测量非常大的电流范围。图1和2示出具有闭环电流传感器的电池监视系统的参数，其中N是次级匝数Ipe是平均磁路长度SFe是磁路截面i是励磁电流Ip是(将被测量的)初级电流，和φ是磁通量。由于电流可在非常大的范围内变化(从几毫安培的涓流充电(浮充)电流到几百安培的电池放电和再充电电流)，所以这种类型的应用的主要困难是电流的测量。在图2中定义了可饱和电感器的主要参数。尽管已知磁芯的特性B(H)以及磁路的几何参数，但是电感值可被定义为励磁电流i的函数。如图3所示，可近似磁路的理想特性B (H)(作为磁场H的函数的磁感应B)。对于在+Hs与-Hs之间变化的磁场值，磁芯不饱和，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·^是空气的磁导系数，并且l·^是电路的磁材料的相对磁导系数。图4示出作为电流的函数的磁链的理想化特性Ψ (i)。磁路的几何参数以及匝数 N使得可确定磁链Ψ与励磁电流i之间的关系。
权利要求
1.一种电流传感器，所述电流传感器包括用于在下述电流范围内测量在初级导体(2) 中流动的初级电流Ip的测量电路(6)和电感器G)，所述电流范围从最小指定电流幅值到最大指定电流幅值，所述电感器包括可饱和磁芯(10)和次级线圈(12)，所述可饱和磁芯 (10)由高磁导率材料制成，所述次级线圈(12)用于承载被构造为交替地使所述磁芯饱和的交流励磁电流i，所述线圈与所述测量电路连接，其中，所述测量电路被构造为将正电压或负电压供给所述电感器，以当达到条件信令饱和时断开所述电压，以测量所述磁芯的一个方向上的饱和时间、和所述磁芯的另一个方向上的饱和时间t2，并从其为具有从最小指定电流到过渡幅值的第一部分电流范围中的幅值的初级电流确定初级电流的值，所述测量电路还被构造用于对当电压被供给所述电感器时且在达到饱和条件之前的阶段期间的励磁电流i的平均值进行估计，并从其为具有从所述过渡幅值到最大指定电流幅值的第二部分电流范围中的幅值的初级电流确定初级电流的值。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其中，所述测量电路包括DC电压源\和由所述 DC电压源供电的H桥电路，所述H桥电路被构造为交替地用正电压和负电压激励所述次级线圈。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其中，所述H桥的开关包括M0SFET。
4.根据权利要求1、2或3所述的电流传感器，其中，所述测量电路包括测量所述励磁电流的电阻Rm。
5.根据前面的权利要求中的任何一个所述的电流传感器，其中，所述可饱和磁芯是环形闭合的。
6.根据前面的权利要求中的任何一个所述的电流传感器，还包括与所述测量电路连接的微控制器，所述微控制器包括用于测量饱和时间、、t2的计时器。
7.一种用于在从最小指定电流幅值到最大指定电流幅值的电流范围内测量在初级导体中流动的电流的方法，包括-提供电流传感器，所述电流传感器包括测量电路和电感器，所述电感器包括卷绕在可饱和磁芯上的次级线圈；-将励磁电压施加于所述次级线圈，以交替地使所述磁芯饱和；-对在施加所述励磁电压的阶段期间的励磁电流的平均值进行估计，以测量大的初级电流；和-分别测量交流励磁电流的负信号和正信号的磁芯的饱和时间、、t2，并且对于小电流，基于交替饱和时间、、t2的关系确定初级电流，其中，小的初级电流具有从最小指定电流Imin到过渡或中间幅值的第一部分电流范围中的幅值，并且大的初级电流具有从所述过渡幅值到最大指定电流幅值Imax的第二部分电流范围中的幅值。
8.根据前面的权利要求所述的方法，其中，对于小的初级电流IP，所述初级电流基于一个方向上的饱和时间除以两个方向上的饱和时间之和的值。
9.根据权利要求7或8所述的测量方法，其中，用于小电流的测量方法被用于遵循以下条件的初级电流其中，Ip是初级电流，N是所述次级线圈的匝数，并且is(l是为零的初级电流的饱和励磁电流的值。
10.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，对于大初级电流，所述初级电流的测量基于当供给励磁电压时的阶段期间的励磁电流的平均值的估计。
11.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，其中，所述测量电路包括DC电压源V。和具有由DC电压源供电的晶体管开关的H桥电路，所述H桥电路被构造为交替地用正(P)电压和负(N)电压激励所述次级线圈，所述方法包括以下步骤-接通被构造为将正电压供给所述励磁线圈的晶体管，从而用正电流+i对电感器(4) 进行充电，直到达到所述磁芯的饱和为止，断开所述晶体管；-测量达到饱和的时间t1;-使电感放电；-接通被构造为将负电压供给所述励磁线圈的晶体管，从而用负电流_i对电感器(4) 进行充电，并且一旦达到所述磁芯的饱和，就断开所述晶体管；-测量达到饱和的时间t2;-使电感放电。
12.根据前面的权利要求所述的方法，其中，通过比较器确定达到通过测量电阻Rm的励磁电流i的某个阈值来检测所述磁芯的饱和。
13.根据前面的权利要求所述的方法，其中，在所述开关的闭合与饱和的检测之间确定饱和时间、、t2。
14.根据前面的权利要求所述的方法，其中，通过与所述测量电路连接的微控制器利用所述微控制器的计时器单元来计算所述饱和时间的值。
全文摘要
电流传感器包括用于测量在初级导体(2)中流动的初级电流IP的测量电路(6)和电感器(4)，电感器包括由高磁导率材料制成的可饱和磁芯(10)和次级线圈(12)，所述次级线圈(12)用于承载被构造为交替地使所述磁芯饱和的交流励磁电流i，所述线圈与测量电路连接。测量电路被构造为将正电压或负电压供给所述电感器，以当达到条件信令饱和时断开所述电压，以测量磁芯的一个方向上的饱和时间t1和磁芯的另一个方向上的饱和时间t2，并从其为小电流幅值确定初级电流的值，测量电路还被构造用于对励磁电流i的平均值进行估计，并从其为大电流确定初级电流的值。
文档编号G01R33/00GK102422174SQ201080020584
公开日2012年4月18日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月11日
发明者D·阿左尼, W·特潘 申请人:机电联合股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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