基于霍爾元件的數(shù)字式霍爾電流傳感器設(shè)計

謝志遠,崔文旭,楊 銳

(1.華北電力大學(xué)電子與通信工程系,河北保定 071003;2.河北省互感器技術(shù)創(chuàng)新中心,河北保定 071003)

0 引言

近年來我國直流特高壓輸電技術(shù)得到快速發(fā)展[1-3],電力電子器件在電網(wǎng)中被廣泛使用,電網(wǎng)環(huán)境日趨復(fù)雜,加之風(fēng)能、太陽能等新型清潔能源的并網(wǎng),進一步增加了電網(wǎng)中的高次諧波成分。實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下對電網(wǎng)狀態(tài)的有效監(jiān)測、提高傳感器的可靠性與準確度成為目前傳感器技術(shù)發(fā)展的迫切需求[4-6]。目前常見的電流傳感器主要包括傳統(tǒng)的電流互感器[7-8]、霍爾效應(yīng)電流傳感器[9-10],以及磁阻效應(yīng)電流傳感器[11-12],而不同類型的傳感器基本都是利用電流產(chǎn)生的磁場實現(xiàn)對電流的測量。

電網(wǎng)監(jiān)測的迫切需求推動了以霍爾元件為核心的新型電流傳感器技術(shù)的發(fā)展?；魻栯娏鱾鞲衅饕云渚雀?、響應(yīng)速度快、受環(huán)境影響小、線性度好、抗干擾能力強、可靠性及安全性高、可以實現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點在電網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域逐漸興起[13-14]。目前主要的霍爾電流傳感器主要分為開環(huán)霍爾與閉環(huán)霍爾兩種,開環(huán)結(jié)構(gòu)的霍爾電流傳感器憑借封裝尺寸小、測量范圍廣、質(zhì)量輕、能耗低、高性價比等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)監(jiān)測等領(lǐng)域[15-17]。文獻[18]中以霍爾傳感器的工作原理為出發(fā)點,著重介紹了影響霍爾傳感器測量精度的主要因素,并根據(jù)各影響因素給出了提高測量精確度的方法。文獻[19]利用數(shù)字芯片對開環(huán)霍爾電流傳感器的溫度補償算法進行了研究,將軟件補償方法與恒流源補償方法相結(jié)合,在使用加法器實現(xiàn)的溫度補償方法的基礎(chǔ)上提出利用模擬乘法器簡化計算過程的溫度補償算法,但存在硬件成本過高的問題。文獻[20]利用微處理器和光纖單元等器件設(shè)計了一種數(shù)字式智能電流傳感器,使用以太網(wǎng)實現(xiàn)對外通信并結(jié)合最小二乘算法對傳感器的測量進行校準,解決了電磁式互感器線性度較差的問題,但只能用于測量幾安到幾十安的小電流。

為了進一步提高數(shù)字式電流傳感器的測量量程,實現(xiàn)對大電流的測量,以霍爾元件為基礎(chǔ),結(jié)合數(shù)字芯片,提出了數(shù)字式霍爾電流傳感器系統(tǒng),設(shè)計了實驗樣機。使用有限元軟件對磁芯磁場分布進行仿真,并針對磁芯氣隙中磁場分布不均的問題提出了楔形磁芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。

1 霍爾電流傳感器原理

1.1 霍爾效應(yīng)

霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理制成,霍爾效應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 霍爾效應(yīng)原理

圖1中處于磁場B中的霍爾元件有電流Ic垂直于YZ平面沿X軸正向通過,磁場B垂直于元件的XY平面由下而上穿過,此時霍爾元件中帶有負電荷的電子受到洛倫茲力的作用,將向霍爾元件的XZ平面上偏移,同時在與之相對的后側(cè)平面上會出現(xiàn)數(shù)量相同的正電荷,從而在霍爾元件的前后平面上產(chǎn)生電壓UH,進而在前后平面中形成電場,最終電子受到的電場力與磁場力達到動態(tài)平衡。該現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓,即:

UH=KhIcBcosθ

(1)

式中:Ic為霍爾元件的工作電流,A;B為穿過霍爾元件的磁場,T;θ為磁場方向與霍爾元件所在平面的法線之間的夾角,rad;Bcosθ為環(huán)境磁場在霍爾元件所在平面法線方向上的分量;Kh為霍爾元件的靈敏度系數(shù)。

Kh可以由式(2)確定,即:

(2)

式中:d為霍爾元件的高度,m;Rh為霍爾系數(shù)。

Rh大小與組成霍爾元件的材料內(nèi)部的載流子濃度、材料的電阻率以及電子在材料內(nèi)部的遷移速率有關(guān),即:

(3)

式中:n為材料內(nèi)部載流子濃度,個/m3;q為單個電子所帶的電荷,C;ρ為材料的電阻率,Ω·m;μe為電子在材料內(nèi)部的遷移速率,cm2/(V·s)。

1.2 工作原理

霍爾電流傳感器的工作原理是利用霍爾元件檢測待測電流產(chǎn)生的磁場,再通過安培環(huán)路定律求解出待測電流。如圖2所示,通有恒定電流的導(dǎo)線穿過磁芯,此時導(dǎo)線所感應(yīng)出的磁場B的方向和大小是恒定不變的,磁場的方向在圖2中由箭頭指出?；魻栐胖糜诖判镜臍庀吨?磁場B穿過氣隙后垂直于霍爾元件的表面穿過。此時在霍爾元件的兩端會產(chǎn)生霍爾電壓,通過測量該電壓根據(jù)式(1)即可算出磁場。

圖2 霍爾傳感器原理

待測電流I與其所產(chǎn)生的磁場之間符合安培環(huán)路定律,即:

(4)

式中μ為積分曲線上的磁導(dǎo)率。

假設(shè)選取的閉合曲線為磁芯中間位置的圓形曲線,則式(4)左邊表示磁場在曲線上的線積分,而由于磁芯上留有氣隙,磁芯材料與空氣的磁導(dǎo)率不同,因此需要在磁芯和氣隙兩部分分別積分。傳感器在實際使用時,穿過磁芯的一般是待測電流,因此等號右邊就是待測電流與磁導(dǎo)率的乘積。通過上述分析,可以得到傳感器電流與磁場的關(guān)系,即:

(5)

式中:l1與l2分別為磁芯部分的曲線長度與氣隙長度;μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7T·m/A;μr為磁芯材料的相對磁導(dǎo)率;μrμ0為磁芯的絕對磁導(dǎo)率。

式(5)中,μrμ0大小一般在103量級,磁芯的長度一般是10-2量級,因此式(5)中的第1項可以忽略不計,從而得到簡化后電流與磁場的關(guān)系,即:

(6)

將式(6)代入到式(1)中,得到霍爾電壓與待測電流之間的關(guān)系:

(7)

霍爾元件放置于磁芯的氣隙中,磁場的方向與霍爾元件所在的平面垂直,因此式(7)中θ=0,即cosθ=1。因此霍爾電壓與待測電流之間的關(guān)系為

(8)

對于確定的霍爾元件與磁芯材料,式(8)中的第1項為常數(shù),因此霍爾電壓與待測電流呈線性關(guān)系。

2 磁芯的建模與仿真

2.1 仿真模型的建立與參數(shù)設(shè)定

通過ANSYS Maxwell軟件對磁芯進行建模仿真。以外徑為33 mm、內(nèi)徑為23 mm的圓環(huán)磁芯作為仿真對象,導(dǎo)線作為電流載體放置在磁芯中間,導(dǎo)線的截面半徑設(shè)為20 mm;在磁芯上留有一長度為10 mm、寬度為4 mm的氣隙。建立的仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

2.2 直流電流磁場分布仿真

設(shè)置仿真求解器的類型為靜磁場仿真,激勵電流恒定不變。導(dǎo)線的材料選擇銅,設(shè)置導(dǎo)線中電流為300 A;磁芯的材料選擇硅鋼材料。仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,磁場主要分布在磁芯內(nèi)側(cè),最大為0.2 T。

圖4 直流磁場分布

圖5為氣隙中不同位置磁場的分布圖。從圖5可以看出,在氣隙中3～7 mm的位置,磁場大小為93 mT。

圖5 300 A電流氣隙磁場分布

使用ANSYS軟件的參數(shù)化掃描功能對電流在280～300 A的范圍內(nèi)進行掃描仿真,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出,隨著電流的增大,氣隙處的磁場均勻增大,當(dāng)電流為292 A時,磁場為0.09 T。

圖6 參數(shù)化仿真結(jié)果

圖5中,氣隙距離在5～8 mm的區(qū)域內(nèi),磁場強度存在衰減。為減小由于氣隙中磁場分布不均對測量產(chǎn)生的影響,提出了一種楔形開口氣隙結(jié)構(gòu)使氣隙磁場分布更加均勻。結(jié)構(gòu)如圖7所示,在原有的矩形氣隙的邊緣上添加2塊楔形磁芯,其高度為1 mm,材料與原磁芯材料相同。

圖7 改進后氣隙結(jié)構(gòu)

對上述改進后的模型進行相同條件的仿真,結(jié)果如圖8所示。由圖8看出,在氣隙3～7 mm之間的區(qū)域,氣隙中的磁場分布均勻,大小為125 mT。由仿真結(jié)果可知:楔形結(jié)構(gòu)磁芯的使用可以有效改善磁芯氣隙中磁場分布不均的情況,使磁場分布更加集中。

圖8 改進后氣隙磁場分布

2.3 交流電流磁場分布仿真

設(shè)置仿真求解器的類型為渦流磁場仿真,激勵電流為交流電流。仿真中設(shè)置頻率掃描范圍為50 Hz～1 kHz,電流的幅值固定為300 A。仿真結(jié)果如圖9所示,可以看出,電流幅值不變而頻率升高時,氣隙處的磁場強度逐漸下降。

圖9 交流電流仿真

3 數(shù)字式電流傳感器設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)字式電流傳感器主要由霍爾傳感器模塊、處理器最小系統(tǒng)和電源模塊組成。系統(tǒng)各模塊之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 霍爾元件系統(tǒng)

系統(tǒng)使用型號為AH3503的線性霍爾傳感器,靜態(tài)時輸出電壓為2.5 V,且輸出電壓隨磁場線性增加。線性范圍為-90～90 mT,線性靈敏度為13.5 mV/mT?；魻杺鞲衅麟娐啡鐖D11所示,使用5 V電源為其供電,電容C11和C14作為濾波電容使到達傳感器的電能更加平滑。引腳Hall_Out經(jīng)過分壓電阻與微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳連接,使用分壓電阻可以避免微處理器直接對霍爾元件的輸出電壓進行測量,得到測量電壓后通過分壓電阻的比例關(guān)系即可得到霍爾電壓。

圖11 霍爾傳感器電路

3.2 微處理器最小系統(tǒng)

系統(tǒng)采用GD32系列微處理器作為數(shù)據(jù)處理單元。

3.2.1 時鐘電路

系統(tǒng)通過外接晶體振蕩器產(chǎn)生時鐘信號,電路如圖12所示。系統(tǒng)中設(shè)有2個外部時鐘信號,即外部高速時鐘HXTAL和外部低速時鐘LXTAL,分別使用25 MHz和32.768 kHz晶振提供時鐘信號。圖中的OSC引腳是單片機內(nèi)部時鐘電路的接口,電容為晶體振蕩器提供工作所需的諧振條件。

(a)高速時鐘

3.2.2 復(fù)位電路

復(fù)位電路如圖13所示。其中,nRST接處理器復(fù)位引腳,該引腳為低電平時觸發(fā)復(fù)位異常。系統(tǒng)剛上電時電容C3電壓為0,nRST為低電平狀態(tài),觸發(fā)復(fù)位;而后電源通過電阻R2給電容充電,電容的電壓逐漸升高到3.3 V,此時nRST引腳為高電平,復(fù)位結(jié)束。按鍵K1用于實現(xiàn)手動觸發(fā)復(fù)位。

圖13 復(fù)位電路

3.3 電源模塊

系統(tǒng)中需要使用電源的器件主要包含霍爾傳感器以及微處理器,分別需要5 V電源與3.3 V電源。

3.3.1 霍爾傳感器電源

系統(tǒng)輸入電源為直流12 V,霍爾傳感器的工作電壓為5 V。使用MP1471芯片搭建降壓穩(wěn)壓電路,如圖14所示。其中R6、R7和R8作為反饋電阻,對5 V輸出電壓進行分壓得到反饋電壓。芯片內(nèi)部的比較器通過比較反饋電壓與內(nèi)部0.8 V參考電壓調(diào)整內(nèi)部開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。

電感L1以磁能的形式存儲電能,并按照需求釋放所存儲的電能。電感的參數(shù)值與輸出電壓、輸出電流、開關(guān)頻率、占空比以及電感電流的紋波率有關(guān):

(9)

式中:Vo為輸出電壓,V;Io為輸出電流,A;f為開關(guān)頻率,MP1471芯片的開關(guān)頻率f=500 kHz;r為紋波率;D為占空比。

D表示為輸出電壓與輸入電壓的比值:

(10)

根據(jù)式(10)可以計算得到電路的占空比為42%。將各參量代入式(9)得出電感L為7.2 μH。系統(tǒng)選取標稱值為6.8 μH的功率電感。

3.3.2 微處理器電源

處理器的工作電壓為3.3 V,系統(tǒng)中使用線性穩(wěn)壓器對5 V電源降壓穩(wěn)壓得到3.3 V電源,線性穩(wěn)壓器使用AMS1117芯片,電路如圖15所示。其中C12與C13是濾波電容,降低線路阻抗,減少單片機電源中的雜波。

圖15 3.3 V穩(wěn)壓電路

4 實驗測試

4.1 測試方法

根據(jù)上述理論和設(shè)計方案制作測試樣機,磁芯選擇硅鋼材料。磁芯的內(nèi)徑和外徑分別為33 mm和23 mm,楔形部位高度為1 mm,將其封裝于塑料外殼中,封裝后氣隙為2 mm。在室溫條件下搭建實驗平臺進行測試,通過穩(wěn)壓電源為樣機提供12 V工作電源;使用標準大電流源提供待測電流,通過軟件上位機和RS-232總線控制輸出電流;通過串口總線連接傳感器樣機與上位機,用于輸出測量結(jié)果。

4.2 測試過程

測試時,通過電流源輸出一次側(cè)的待測電流,待測電流經(jīng)導(dǎo)電電纜,使電纜從霍爾電流傳感器樣機中間穿過。首先接通12 V電源,待樣機狀態(tài)穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)電流源輸出從0 A開始以40 A為步長逐漸增大至360 A。待傳感器輸出穩(wěn)定后,通過上位機多次讀取測量的電流值取平均后作為該測試點的測量值。

4.3 測試結(jié)果

在室溫環(huán)境下對傳感器樣機進行測試,測試結(jié)果如表1所示。其中i1為標準電流源輸出的實際電流;U為該測試點霍爾元件輸出的電壓;i2為傳感器樣機測量得到的電流;δ為該測試點的相對誤差,計算方法如式(11)所示。

(11)

4.4 結(jié)果分析

測試結(jié)果表明:小電流情況下測量得出的相對誤差要大于大電流時的誤差,這是因為在待測電流為0 A時受環(huán)境等因素的影響傳感器存在零點漂移現(xiàn)象,此時采集的霍爾元件的輸出電壓不是2.5 V。觀察數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)待測電流從280 A增加到360 A時,相對誤差快速上升,這是因為當(dāng)待測電流在該范圍內(nèi)時其產(chǎn)生的磁場已經(jīng)超過了系統(tǒng)所使用的霍爾元件的線性范圍,此時霍爾電壓的變化已不在隨著磁場的增加而線性增大,此現(xiàn)象與本文的仿真結(jié)果相符。

5 結(jié)束語

本文基于霍爾元件數(shù)字芯片設(shè)計了一種數(shù)字式霍爾電流傳感器,分析了傳感器的基本原理,給出了系統(tǒng)的設(shè)計方案,通過霍爾電壓得出磁場,進一步得到待測電流。搭建實驗環(huán)境對所設(shè)計的傳感器樣機進行測試,實驗結(jié)果表明所設(shè)計的數(shù)字式霍爾電流傳感器可以有效實現(xiàn)對直流電流的測量工作。

本文通過有限元分析軟件ANSYS Maxwell對電流傳感器的磁芯進行仿真,給出了磁芯分別在直流電流和交流電流情況下的磁場的分布及磁場情況,并針對矩形開口氣隙中存在的磁場分布不均的情況提出了楔形氣隙的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的磁芯結(jié)構(gòu)能夠支持電流傳感器的工作。