一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法技术

一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法，涉及全数字高精度电流传感器领域。本发明专利技术是为了解决磁通门型电流传感器的激磁单元无法实现零磁通，并且电流传感器的噪声以及固有温漂无法精确抑制的问题。本发明专利技术既可以实现电流传感器的高精度、高线性度，增加了电流传感器的鲁棒性，同时还通过全数字控制的方法加以实现，降低了模拟器件固有的偏差。

【技术实现步骤摘要】
一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法
本专利技术属于全数字高精度电流传感器领域，尤其涉及传感器的绕组结构。
技术介绍
电流传感器作为检测电流的装置在电机驱动控制、逆变装置、开关电源、信号测量、科学仪器、光刻机、航空航天等领域都具有广泛的应用。在电流传感器实现的各种原理中，利用磁通门技术实现的电流传感器可以将大的电流信号转化成为精密准确的小电流信号，具有线性度好、精度高的优点。但是，磁通门型电流传感器的激磁单元由于受到干扰电磁场以及生产工艺偏差的影响，无法完全实现零磁通。此外，电流传感器大多采用模拟器件或者无源器件加以实现，因此对电流传感器的噪声以及固有温漂无法精确抑制。
技术实现思路
本专利技术是为了解决磁通门型电流传感器的激磁单元无法实现零磁通，并且电流传感器的噪声以及固有温漂无法精确抑制的问题，现提供一种全数字磁通门型电流传感器及其噪声抑制方法。一种全数字磁通门型电流传感器，包括：绕组结构和处理电路，绕组结构包括：位于磁芯原边的直流绕组和反馈绕组，以及位于磁芯副边的两个激磁绕组、两个补偿绕组和交流绕组，两个激磁绕组的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组串联有采样电阻；处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组产生激磁磁场，相敏解调单元用于采集两个激磁绕组和交流绕组的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组上，电流补偿单元用于分别对两个补偿绕组进行高频噪声补偿和低频噪声补偿。进一步的，上述激磁单元包括开关功率放大模块和数字芯片内部的激磁模块，激磁模块包括方波发生器和PWM输出子模块，方波发生器的高频方波信号输出端连接PWM输出子模块的高频方波信号输入端，PWM输出子模块的脉宽调制信号输出端连接开关功率放大模块的脉宽调制信号输入端，开关功率放大模块的放大信号输出至两个激磁绕组，使得两个激磁绕组产生激磁磁场。进一步的，上述相敏解调单元包括：两个模数转换模块、数模转换模块、线性功率放大模块、以及数字芯片内的低通滤波模块、二次谐波提取模块和补偿模块，一个模数转换模块用于将两个激磁绕组的直流电压模拟量转换为数字的直流电压值、并发送给低通滤波模块，二次谐波提取模块提取滤波后的直流电压值的谐波分量并发送给补偿模块；另一个模数转换模块用于将交流绕组的交流电压模拟量转换为数字的交流电压值、并发送给补偿模块；补偿模块根据下式对采集到的两种电压值进行积分，获得反馈电压值utotal：utotal＝∫(uac+udc)dtuac为交流电压值的谐波分量，udc为直流电压值；数模转换模块用于将反馈电压值转换为模拟量并发送至线性功率放大模块，线性功率放大模块的放大信号输出至反馈绕组上。进一步的，上述电流补偿单元包括：两个功率放大模块以及数字芯片内的偏差消磁模块、低频噪声补偿模块和高频噪声补偿模块，偏差消磁模块用于消除磁芯的固有偏差；低频噪声补偿模块根据外部环境磁干扰获得低频噪声补偿电压值、并转换为低频噪声补偿电压模拟信号，再通过一个功率放大模块将低频噪声补偿电压模拟信号输出至一个补偿绕组上；高频噪声补偿模块根据反馈电压值获得高频噪声补偿电压值、并转换为高频噪声补偿电压模拟信号，再通过另一个功率放大模块将高频噪声补偿电压模拟信号输出至另一个补偿绕组上。进一步的，利用下式根据外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL：其中，ΔB为外部扰动磁场，ωl为扰动的角频率，t为时间，kL为补偿的比例系数。进一步的，利用下式根据反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH：其中，kH为折算系数，u2nd为utotal的二次谐波分量，s为拉普拉斯算子，ωc为截止频率，uconst为空间高频干扰。一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，所述电流传感器包括：位于磁芯原边的直流绕组和反馈绕组，以及位于磁芯副边的两个激磁绕组、两个补偿绕组和交流绕组，两个激磁绕组的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组串联有采样电阻；所述方法包括以下步骤：步骤一：利用高频方波信号驱动两个激磁绕组产生激磁磁场；步骤二：分别采集两个激磁绕组和交流绕组的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值utotal，并将该反馈电压值utotal施加到反馈绕组上；步骤三：利用外部环境磁干扰Bm获得低频噪声补偿电压值ΔUL，利用反馈电压值utotal获得高频噪声补偿电压值ΔUH，分别将ΔUL和ΔUH施加到两个补偿绕组上，完成噪声抑制。本专利技术所述的一种全数字磁通门型电流传感器，既可以实现电流传感器的高精度、高线性度，增加了电流传感器的鲁棒性，同时还通过全数字控制的方法加以实现，降低了模拟器件固有的偏差。同时，本专利技术所述的一种全数字磁通门型电流传感器的噪声抑制方法，对电流传感器受到的外部干扰、内部偏差以及电路噪声都具有很强的抑制能力。附图说明图1为绕组结构示意图；图2为一种全数字磁通门型电流传感器原理框图；图3为一种全数字磁通门型电流传感器电路结构框图；图4为激磁绕组激磁原理示意图。具体实施方式具体实施方式一：参照图1、2、3和4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种全数字磁通门型电流传感器，包括：绕组结构和处理电路，具体结构如下：如图1所示，绕组结构包括：位于磁芯16原边的直流绕组11和反馈绕组15，以及位于磁芯16副边的两个激磁绕组12、两个补偿绕组13和交流绕组14，两个激磁绕组12的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组15串联有采样电阻17。处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，具体结构如下：激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组12产生大小相等、方向相反的激磁磁场。进一步的，激磁单元包括开关功率放大模块和数字芯片内部的激磁模块，激磁模块包括方波发生器和PWM输出子模块，方波发生器的高频方波信号输出端连接PWM输出子模块的高频方波信号输入端，PWM输出子模块的脉宽调制信号输出端连接开关功率放大模块的脉宽调制信号输入端，开关功率放大模块的放大信号输出至两个激磁绕组12，使得两个激磁绕组12产生激磁磁场。数字芯片保证了足够的电流来驱动两个激磁绕组12，从而保证激磁磁场的稳定性。相敏解调单元用于采集两个激磁绕组12和交流绕组14的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组15上。进一步的，相敏解调单元包括：两个模数转换模块、数模转换模块、线性功率放大模块、以及数字芯片内的低通滤波模块、二次谐波提取模块和补偿模块。一个模数转换模块用于将两个激磁绕组12的直流电压模拟量转换为数字的直流电压值、并发送给低通滤波模块，二次谐波提取模块提取滤波后的直流电压值的谐波分量并发送给补偿模块；另一个模数转换模块用于将交流绕组14的交流电压模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，包括：绕组结构和处理电路，/n绕组结构包括：位于磁芯(16)原边的直流绕组(11)和反馈绕组(15)，以及位于磁芯(16)副边的两个激磁绕组(12)、两个补偿绕组(13)和交流绕组(14)，两个激磁绕组(12)的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组(15)串联有采样电阻(17)；/n处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，/n激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组(12)产生激磁磁场，/n相敏解调单元用于采集两个激磁绕组(12)和交流绕组(14)的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组(15)上，/n电流补偿单元用于分别对两个补偿绕组(13)进行高频噪声补偿和低频噪声补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，包括：绕组结构和处理电路，
绕组结构包括：位于磁芯(16)原边的直流绕组(11)和反馈绕组(15)，以及位于磁芯(16)副边的两个激磁绕组(12)、两个补偿绕组(13)和交流绕组(14)，两个激磁绕组(12)的匝数相等、且绕制方向相反，反馈绕组(15)串联有采样电阻(17)；
处理电路包括：激磁单元、相敏解调单元和电流补偿单元，
激磁单元用于产生高频方波信号、进而驱动两个激磁绕组(12)产生激磁磁场，
相敏解调单元用于采集两个激磁绕组(12)和交流绕组(14)的电压值，然后对采集到的电压值进行积分获得反馈电压值，并将该反馈电压值转换为模拟量加载到反馈绕组(15)上，
电流补偿单元用于分别对两个补偿绕组(13)进行高频噪声补偿和低频噪声补偿。


2.根据权利要求1所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，激磁单元包括开关功率放大模块和数字芯片内部的激磁模块，激磁模块包括方波发生器和PWM输出子模块，
方波发生器的高频方波信号输出端连接PWM输出子模块的高频方波信号输入端，PWM输出子模块的脉宽调制信号输出端连接开关功率放大模块的脉宽调制信号输入端，开关功率放大模块的放大信号输出至两个激磁绕组(12)，使得两个激磁绕组(12)产生激磁磁场。


3.根据权利要求1所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，相敏解调单元包括：两个模数转换模块、数模转换模块、线性功率放大模块、以及数字芯片内的低通滤波模块、二次谐波提取模块和补偿模块，
一个模数转换模块用于将两个激磁绕组(12)的直流电压模拟量转换为数字的直流电压值、并发送给低通滤波模块，二次谐波提取模块提取滤波后的直流电压值的谐波分量并发送给补偿模块；
另一个模数转换模块用于将交流绕组(14)的交流电压模拟量转换为数字的交流电压值、并发送给补偿模块；
补偿模块根据下式对采集到的两种电压值进行积分，获得反馈电压值utotal：
utotal＝∫(uac+udc)dt
uac为交流电压值的谐波分量，udc为直流电压值；
数模转换模块用于将反馈电压值转换为模拟量并发送至线性功率放大模块，线性功率放大模块的放大信号输出至反馈绕组(15)上。


4.根据权利要求3所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，模数转换模块和数模转换模块均为精度在16位以上的转换器。


5.根据权利要求3所述的一种全数字磁通门型电流传感器，其特征在于，其特征在于，电流补偿单元包括：两个功率放大模块以及数字芯片内的偏差消磁模块、低频噪声补偿模块和高频噪声补偿模块，
偏差消磁模块用于消除磁芯(16)的固有偏差；
低频噪声补偿模块根据外部环境磁干扰获得低频噪声补偿电压值、并转换为低频噪声补...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘家曦，李立毅，陈启明，曹继伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23