淺談地鐵電氣系統(tǒng)霍爾效應(yīng)電流傳感器改進(jìn)方法

摘 要：我們要研究能測(cè)量中、高頻、高di/dt的傳感器。本文研究的一種霍爾電流傳感器可以達(dá)到，通過(guò)比較分析霍爾原理后提出使用閉環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器，分析了閉環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器的工況及其在車輛上的應(yīng)用。然后對(duì)傳感器進(jìn)行了改進(jìn)。閉環(huán)霍爾傳感器在車輛中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛主電路的分離檢測(cè)，通過(guò)調(diào)整和整定輸出變量，直接檢測(cè)出主電源的輸出變量，保護(hù)主電路不受負(fù)載端所影響。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)；霍爾效應(yīng)；傳感器；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）33-0206-02

前 言

霍爾效應(yīng)傳感器是測(cè)量?jī)x器與檢測(cè)物存在緊密關(guān)系的部位，其用途是感知被檢測(cè)物的變量，從而向其中采取檢測(cè)的情況，進(jìn)一步變換出需要的輸出信號(hào)量。

非電量的采集一般有電測(cè)法，首先將各種非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，然后?jīng)過(guò)一系列的處理，將非電量信號(hào)顯現(xiàn)給下級(jí)，其原理圖如圖1。

1 地鐵電氣系統(tǒng)中傳感器概述

1.1 地鐵電氣系統(tǒng)中傳感器的概況

地鐵傳感器大量應(yīng)用模擬電壓信號(hào)，對(duì)電流、電壓等信號(hào)，放大、整形、線性化到相對(duì)的值，再用儀表檢測(cè)數(shù)值。計(jì)算機(jī)技術(shù)崛起后，產(chǎn)生“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”，把這些模擬電壓值再轉(zhuǎn)變成數(shù)字。我國(guó)傳感器技術(shù)目前還不夠先進(jìn)，傳感器應(yīng)該模擬電壓時(shí)代直接進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。目前中國(guó)是世界傳感器技術(shù)的發(fā)展中國(guó)家，隨著研發(fā)的深入，很快就會(huì)趕上發(fā)達(dá)國(guó)家水平。

在歐美國(guó)家，信號(hào)源轉(zhuǎn)換成電壓，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字。中國(guó)的傳感器可直接把被檢測(cè)信號(hào)源轉(zhuǎn)換成數(shù)字。如Z、W系列傳感器、分段電容傳感器等可以直接饋出數(shù)字信號(hào)。主要性能是簡(jiǎn)易、造價(jià)低、誤差小、防擾度高。近年新功能的傳感器種類研發(fā)出越來(lái)越多，體積越來(lái)越小，性能越先進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）傳感器誤差越來(lái)越小、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高等。

（2）檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越廣。

（3）微型度、智能度高。

地鐵電氣系統(tǒng)中傳感器的發(fā)展迎合了微機(jī)普及時(shí)代，將會(huì)有更大的進(jìn)步。

1.2 地鐵電氣系統(tǒng)中霍爾效應(yīng)傳感器的現(xiàn)狀分析

車輛主電路的測(cè)量及控制能決定牽引車輛的穩(wěn)定性，主電路會(huì)因過(guò)載而發(fā)生電源跳閘或燒毀。所以，對(duì)地鐵主電路進(jìn)行控制是必須的。

早期的機(jī)車如SS1型、SS3型采用了直流互感器來(lái)反饋電流和電壓信號(hào)。直流互感器體型大反應(yīng)慢，線性度差，易受外磁場(chǎng)的影響，而且要使用交流電，極為不便。

需要研究能測(cè)量中、高頻、高di/dt的傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅鲗㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)最后轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)，其可靠性、靈敏度得到廣泛的應(yīng)用。檢測(cè)電流電壓時(shí)，霍爾元件比其它傳感器具有更好的性能；不受灰塵的影響，無(wú)觸點(diǎn)抖動(dòng)，自身固有滯環(huán)；和伴隨的磁鐵不會(huì)隨時(shí)間和溫度改變；可工作在-40～+150℃的溫度下；工作電壓從4.5～24V，可做成線性元件和數(shù)字元件，數(shù)字元件的開(kāi)關(guān)次數(shù)不受限制，其和電子控制線路的接口可以是一個(gè)上拉電阻。可在惡劣環(huán)境中工作。

1.3 本文研究的主要內(nèi)容

本文主要是采用閉環(huán)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛主電路監(jiān)測(cè)和控制，其主要內(nèi)容如下：

（1）地鐵電氣系統(tǒng)中傳感器概述

介紹地鐵電氣系統(tǒng)中傳感器發(fā)展概況，并指出閉環(huán)霍爾電流傳感器的發(fā)展前景。

（2）地鐵電氣系統(tǒng)中霍爾電流傳感器應(yīng)用分析

分析霍爾電流傳感器的工作原理，比較開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾電路的優(yōu)缺點(diǎn)，研究采用閉環(huán)霍爾電流傳感器并介紹其在地鐵主電路輸出電流的隔離測(cè)量和控制。

（3）閉環(huán)霍爾電流傳感器的改進(jìn)

針對(duì)地鐵電氣系統(tǒng)中傳感器的使用情況，依據(jù)閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理，對(duì)傳感器主電路進(jìn)行改進(jìn)。

2 地鐵電氣系統(tǒng)中霍爾電流傳感器的應(yīng)用分析

用一根導(dǎo)線做個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大?。?/p>

I∝B∝UH

式中，I為通過(guò)導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；UH為霍爾器件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電壓。選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可表示為等式。

對(duì)于霍爾輸出電壓UH的處理，可分為兩類：①開(kāi)環(huán)（或稱直測(cè)式、直檢式）霍爾電流傳感器；②閉環(huán)（或稱零磁通式、磁平衡式）霍爾電流傳感器。

2.1 開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器（又稱直檢式）

霍爾傳感器電路最簡(jiǎn)單是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接放大，得到所需要的電壓信號(hào)，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。

霍爾器件的饋出給顯示屏或萬(wàn)用表等，可由電壓數(shù)值按比例得出電流值。對(duì)直流、交流和各種波形的電流可以監(jiān)測(cè)。

2.2 閉環(huán)霍爾電流傳感器（又稱磁平衡式）

為開(kāi)環(huán)傳感器的改進(jìn)產(chǎn)品，其中地鐵電氣系統(tǒng)中也普遍使用這種閉環(huán)霍爾電流傳感器。

磁平衡式的工作原理如圖2所示，即原邊IN磁場(chǎng)圈流經(jīng)副邊IM生成的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)：

N×IN=n×IM

IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。

當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算原邊電流的隔離測(cè)量。

閉環(huán)霍爾電流傳感器在地鐵主電路中的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)輸出電流的分離檢測(cè)，傳感器與主電路的信號(hào)之間絕對(duì)分離開(kāi)來(lái)的，方便對(duì)傳感器獲取的信號(hào)的進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)整和整定，達(dá)到整定值的電流時(shí)，電流保持恒定，提供更穩(wěn)定可靠的電源。

2.3 閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能

閉環(huán)霍爾電流傳感器測(cè)量與計(jì)算方法比較先進(jìn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：

（1）可同一時(shí)間測(cè)量不同形式的電量；

（2）絕緣電壓一般為2～12kV；

（3）線性度優(yōu)于0.1%IN；

（4）頻率響應(yīng)范圍為0～100kHz。

2.4 在地鐵車輛牽引逆變器中的應(yīng)用

閉環(huán)霍爾電流傳感器已大量應(yīng)用于地鐵車輛牽引逆變器中電氣隔離電流監(jiān)測(cè)，如圖3，三相逆變電路由3組帶無(wú)功反饋的二極管的IGBT組成，電路工作時(shí)開(kāi)關(guān)管得到適合的電壓調(diào)壓信號(hào)，牽引逆變器包括三個(gè)相模塊，每個(gè)模塊代表牽引逆變器的一個(gè)相支路，LH13、LH13電流傳感器典型的應(yīng)用在牽引逆變器上，型號(hào)是LF2000-S/SP3，用于檢測(cè)電機(jī)相線電流，通過(guò)設(shè)置LH13、LH13的輸出信號(hào)，對(duì)牽引電機(jī)1M01、1M02的輸入電流加以限制，避免U、V相線的輸出功率過(guò)高導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)發(fā)生故障或損壞，保證牽引電機(jī)的正常工作。由于高的精度和dv/dt抑制力。其優(yōu)勢(shì)在于：高線性度，非常適合電機(jī)電流測(cè)量；又具短路保護(hù)的快速響應(yīng)性，能保護(hù)短路和漏電；而良好的溫度穩(wěn)定性，適合精確的可重復(fù)的測(cè)量以及對(duì)于長(zhǎng)距離電機(jī)接線的強(qiáng)電容電流變化的抑制能力。

3 霍爾電流傳感器改進(jìn)方法

3.1 改進(jìn)思維

開(kāi)環(huán)式霍爾傳感器準(zhǔn)確度不高，主要是因?yàn)橛绊懟魻栯妱?shì)的因素很多，如控制電流的波動(dòng)，溫度的變化，外磁場(chǎng)的干擾以及霍爾元件與被載流導(dǎo)體之間的位置的微小變化等等都可以影響霍爾元件的輸出電勢(shì)，穩(wěn)定性不夠好，而閉環(huán)霍爾傳感器則克服了這些缺點(diǎn)。因此，針對(duì)當(dāng)前地鐵用車緊張，負(fù)荷大、幅度大導(dǎo)致電流不斷變化的情況，本次我們?cè)O(shè)計(jì)閉環(huán)霍爾電流傳感器，采用霍爾磁平衡原理，即將二次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與一次電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，使得霍爾元件感應(yīng)到的磁場(chǎng)為零；若不為零，霍爾元件則輸出電壓信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)閉環(huán)電路反饋電流對(duì)二次電流進(jìn)行補(bǔ)償，使磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)高靈敏度，可以分離測(cè)量任意波形電流，響應(yīng)速度快，如圖4。

3.2 工作原理

傳感器的主電路為？準(zhǔn)85的空心圓孔母排穿插而過(guò)，母排中可流過(guò)大電流，并在母排周圍形成強(qiáng)磁場(chǎng)HP，磁場(chǎng)聚集并影響霍爾元件，觸發(fā)信號(hào)。信號(hào)經(jīng)放大器、晶體管放大，觸發(fā)功率管導(dǎo)通，形成電流IS，IS經(jīng)過(guò)感應(yīng)線圈NS，形成方向與主電路磁場(chǎng)HP反向磁場(chǎng)HS，二磁場(chǎng)中和，最后HP和HS達(dá)到磁場(chǎng)平衡，IS不變，電路放大一定值，敏感元件B達(dá)到零磁通。形成動(dòng)態(tài)平衡，主電路變化時(shí)，敏感元件B形成輸出，對(duì)應(yīng)的信號(hào)對(duì)二次電路補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)傳感器的閉環(huán)控制。因此二次側(cè)電流的安匝數(shù)與一次側(cè)電流的安匝數(shù)相等：

NPIP=NSIS

由于傳感器一次側(cè)的線圈為1匝（即穿心母線），二次側(cè)匝數(shù)為4000匝：

IP=NSIS/NP=NSIS

3.3 本改進(jìn)措施達(dá)到的效果

本改進(jìn)具備閉環(huán)霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)，即頻帶寬，測(cè)試精度高，響應(yīng)時(shí)間短，電流測(cè)量范圍寬，一次二次電路分離，安全性高，完成采集任意波形電流。

此外，在電路上做了性能的改進(jìn)，采用了對(duì)稱電源電路，這與目前在干線機(jī)車上大量使用的TQG4A電流傳感器相反。

倘若采用不對(duì)稱電源電路，則放大器N1需要另外的電源供電，將使得外部接線變得復(fù)雜，如圖5。

4 結(jié)束語(yǔ)

閉環(huán)霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)了一次二次電流的隔離測(cè)量，可靠性靈敏度高，在地鐵車輛主電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文通過(guò)比較開(kāi)閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理，發(fā)現(xiàn)開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器盡管造價(jià)低，但靈敏度，溫漂大，響應(yīng)速度慢，這些缺點(diǎn)限制了它的使用范圍；而閉環(huán)霍爾電流傳感器在開(kāi)環(huán)電路的基礎(chǔ)上加了一個(gè)閉環(huán)反饋控制，采用磁平衡工作原理，利用二次線圈的補(bǔ)償電流來(lái)維持磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)平衡，提升了傳感器的性能。之后本文還介紹了閉環(huán)霍爾電流傳感器如何實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛牽引逆變器中電氣隔離電流監(jiān)測(cè)和控制。

文中對(duì)閉環(huán)霍爾傳感器的主電路進(jìn)行了改進(jìn)，在改進(jìn)中采用了對(duì)稱電源電路，利用對(duì)稱電源電路與傳感器的供電電壓可以維持內(nèi)部放大器兩端的電壓不變，簡(jiǎn)化了外部接線，方便在實(shí)際中的使用。

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收稿日期：2018-10-2

作者簡(jiǎn)介：龔遠(yuǎn)發(fā)（1984-），男，漢族，廣東珠海人，工程師，本科，主要從事城市軌道交通車輛設(shè)備及供電動(dòng)照設(shè)備的采購(gòu)評(píng)標(biāo)專家組及技術(shù)管理工作。