磁通门电流传感器的多闭环控制电路的制作方法

本实用新型涉及电流检测的技术领域，尤其涉及一种磁通门电流传感器的多闭环控制电路。

背景技术：

磁通门电流传感器是一种能感知待测电流，将大电流或微电流转换成易于测量的小电流、电压信号并隔离输出模拟信号或数字信号的传感器。

现有的磁调制式磁通门电流传感器通常都包括激磁模块和直流磁通闭环控制模块。激磁模块用于产生目标激励磁场，以对穿过磁通门电流传感器的待测电流产生的直流磁场进行检测，并输出与直流磁场对应的直流偏磁信号；直流磁通闭环控制模块根据直流偏磁信号产生直流多磁通补偿磁场，对待测电流产生的直流磁场进行补偿，进而实现对直流电流的检测。

然而，由于激磁模块整体对外不是零磁通状态，即激磁模块对外存在激磁干扰磁场，因此会对直流磁通检测及直流磁通闭环控制模块产生的直流磁通补偿磁场产生干扰，导致传感器的测量精度降低，甚至导致传感器无法正常工作。现有技术通过在传感器中增加磁屏蔽器来隔离激磁模块和直流磁通闭环控制模块的联系，但磁屏蔽器设计复杂，价格昂贵，使传感器的生产、组装变得非常复杂，成本增高，且也没有从根本上消除激磁模块磁通不平衡带来的影响。同时，现有的磁通门电流传感器仅能检测直流电流，无法对直流电流中存在的高频纹波分量或交流电流进行检测，导致传感器的检测精度降低，且无法实现较宽频带的电流检测。

综上可知，现有的磁通门电流传感器存在结构复杂，成本较高，且无法实现宽频带电流检测的问题。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种结构简单、成本低且可实现宽频带电流检测的磁通门电流传感器的多闭环控制电路。

为了达到上述目的，本实用新型一种磁通门电流传感器的多闭环控制电路，包括闭环控制系统以及激磁模块，所述闭环控制系统包括激励磁通闭环控制模块以及多磁通闭环控制模块，所述激磁模块包括激磁振荡器、目标激磁单元以及直流偏磁检测单元，所述目标激磁单元的输入端与激磁振荡器的的输出端相连，所述目标激磁单元的输出端与直流偏磁检测单元的输入端相连，所述多磁通闭环控制模块与直流偏磁检测单元相连。

其中，所述目标激磁单元包括目标激磁绕组以及目标激磁铁芯，所述目标激磁绕组缠绕在目标激磁铁芯上，所述直流偏磁检测单元为直流偏磁检测电阻，所述目标激磁绕组的异名端与激磁振荡器相连，所述目标激磁绕组的同名端与直流偏磁检测电阻的输出端相连，所述直流偏磁检测电阻的输入端接地。

其中，所述激励磁通闭环控制模块包括激磁检测绕组、激磁检测信号处理单元、激磁补偿绕组以及激磁补偿铁芯，所述激磁检测绕组的异名端接地，所述激磁检测绕组的同名端与激磁检测信号处理单元的输入端相连，所述激磁补偿绕组的异名端接地，且所述激磁补偿绕组的同名端与激磁检测信号处理单元的输出端相连，所述激磁补偿绕组缠绕在激磁补偿铁芯上，所述激磁检测绕组同时缠绕在激磁补偿铁芯以及目标激磁铁芯上。

其中，所述激磁检测信号处理单元包括第一电压处理组件和第一信号放大组件，所述第一电压处理组件的输入端与激磁检测绕组的同名端相连，所述第一电压处理组件的输出端与第一信号放大组件的输入端相连，所述第一信号放大组件的输出端与激磁补偿绕组的同名端相连。

其中，所述多磁通闭环控制模块包括直流偏磁信号处理单元、交流及高频磁通检测单元、多磁通补偿单元及电流检测单元，所述直流偏磁信号处理单元的输入端与直流偏磁检测电阻的输出端相连，所述直流偏磁信号处理单元的输出端与多磁通补偿单元的第一输入端相连，所述交流及高频磁通检测单元的输出端与多磁通补偿单元的第二输入端相连，所述多磁通补偿单元的输出端与电流检测单元相连。

其中，所述交流及高频磁通检测单元包括交流及高频磁通检测绕组、交流及高频磁通检测铁芯、第二电压处理组件以及第二信号放大组件，所述交流及高频磁通检测绕组缠绕在交流及高频磁通检测铁芯上，所述交流及高频磁通检测绕组的异名端接地，所述交流及高频磁通检测绕组的同名端与第二电压处理组件的输入端相连，所述第二电压处理组件的输出端与第二信号放大组件的输入端相连。

其中，所述直流偏磁信号处理单元包括第三电压处理组件以及第三信号放大组件，所述第三电压处理组件的输入端与直流偏磁检测电阻的输出端相连，所述第三电压处理组件的输出端与第三信号放大组件的输入端相连。

其中，所述多磁通补偿单元包括功率放大组件以及比例补偿绕组，所述功率放大组件的输入端分别与第二信号放大组件以及第三信号放大组件相连，所述功率发达组件的输出端与比例补偿绕组的同名端相连，所述比例补偿绕组的异名端接地，所述比例补偿绕组同时缠绕在目标激磁绕组、激磁补偿绕组以及交流及高频磁通检测绕组上。

其中，所述第一电压处理单元、第二电压处理单元以及第三电压处理组件均为整流滤波电路；所述第一信号放大组件、第二信号放大组件以及第三信号放大组件均为比例积分放大器；所述电流检测单元为电流检测电阻，所述电流检测电阻的一端与功率放大组件相连，所述电流检测电阻的另一端接地。

本实用新型的有益效果是：

与现有技术相比，本实用新型通过在磁通门电流传感器中采用包括激励磁通闭环控制模块和多磁通闭环控制模块的多闭环控制系统，由激励磁通闭环控制模块对激磁单元产生的目标激励磁场进行检测，并根据检测到的激磁检测信号生成激磁补偿信号，且根据激磁补偿信号在目标激励磁场的周围产生激磁补偿磁场，激磁补偿磁场与目标激励磁场相互叠加，叠加后的激磁叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零；多磁通闭环控制模块对待测电流产生的交流磁场以及高频磁场进行检测，并根据检测到的交流及高频磁通信号生成交流及高频磁通补偿信号；多磁通闭环控制模块还根据直流偏磁信号生成直流偏磁补偿信号，并根据交流及高频磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号生成目标多磁通补偿信号，且根据目标多磁通补偿信号在待测电路的周围产生多磁通补偿磁场，多磁通补偿磁场与直流磁场和交流磁场相互叠加，叠加后的多磁通叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零，从而消除了激磁模块产生的磁场干扰，且实现了对交流电流和直流电流的检测，提高了传感器的电流检测精度，降低了传感器的生产成本。

附图说明

图1为本实用新型磁通门电流传感器的多闭环控制电路的模块结构示意图；

图2为本实用新型磁通门电流传感器的多闭环控制电路的单元结构示意图；

图3为本实用新型磁通门电流传感器的多闭环控制电路的组件结构示意图。

主要元件符号说明如下：

1、多闭环控制系统 2、激磁模块

11、激励磁通闭环控制模块 12、多磁通闭环控制模块

110、激磁检测信号处理单元

1101、第一电压处理组件 1102、第一信号放大组件

120、直流偏磁信号处理单元 121、交流及高频磁通检测单元

122、多磁通补偿单元 123、电流检测单元

1201、第三电压处理组件 1202、第三信号放大组件

1211、第二电压处理组件 1212、第二信号放大组件

1221、功率放大组件

21、激磁振荡器 22、目标激磁单元

23、直流偏磁检测单元

N1、目标激磁绕组 T1、目标激磁铁芯

N2、激磁补偿绕组 T2、激磁补偿铁芯

N3、交流及高频磁通检测绕组 T3、交流及高频磁通检测铁芯

N4、激磁检测绕组 N5、比例补偿绕组

R1、直流偏磁检测电阻 RL、电流检测电阻

Nd、待测电流的导线对应绕组 Id、待测电流。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

参阅图1，本实用新型一种磁通门电流传感器的多闭环控制电路，包括闭环控制系统以及激磁模块2，闭环控制系统包括激励磁通闭环控制模块11以及多磁通闭环控制模块12，激磁模块2包括激磁振荡器21、目标激磁单元22 以及直流偏磁检测单元23，目标激磁单元22的输入端与激磁振荡器21的输出端相连，目标激磁单元22的输出端与直流偏磁检测单元23的输入端相连，多磁通闭环控制模块12与直流偏磁检测单元23相连；

待测电路中的待测电流Id产生直流磁场、交流磁场以及高频磁场，激磁振荡器21向目标激磁单元22输出预设频率的交变电压信号以激励目标激磁单元22产生目标激励磁场，目标激励磁场对待测电流Id产生的直流磁场进行检测，并通过直流偏磁检测单元23输出与直流磁场对应的直流偏磁信号；

激励磁通闭环控制模块11对目标激磁单元22产生的目标激励磁场进行检测，并根据检测到的激励检测信号生成激磁补偿信号，激磁补偿信号在激磁模块2周围产生激磁补偿磁场，激磁补偿磁场与目标激励磁场相互叠加，叠加后的激磁叠加磁场穿过与其磁感线垂直平面的磁通量为零；

多磁通闭环控制模块12分别对待测电流Id产生的交流磁场、待测电流 Id产生的高频磁场以及直流偏磁检测单元23输出的直流偏磁信号进行检测，生成交流磁通补偿信号、高频磁通补偿信号以及直流偏磁补偿信号，交流磁通补偿信号、高频磁通补偿信号以及直流偏磁补偿信号叠加成多磁通补偿信号，并在待测电路周围产生多磁通补偿磁场，多磁通补偿磁场与待测电路的直流磁场、交流磁场以及高频磁场相互叠加，叠加后的多磁通叠加磁场穿过与其磁感线垂直平面的磁通量为零。

Nd用于示意承载待测电流Id的导线对应的绕组，待测电流Id流经导线时，在导线上所产生的磁动势为Id×Wd。其中，Wd为导线对应的绕组的匝数，通常取Wd为1匝。

直流偏磁检测单元23可以为直流偏磁检测电阻R1，直流偏磁检测电阻 R1的第一端与目标激磁绕组N1的同名端连接，直流偏磁检测电阻R1的第二端接地，直流偏磁检测电1通过其第一端输出直流偏磁信号。目标激磁铁芯 T1为软磁铁芯，当通过激磁振荡器21向目标激磁绕组N1输出预设频率的交变电压信号使软磁铁芯进入饱和状态时，软磁铁芯的交变磁通产生了高次谐波。当待测电流Id为零时，在交变电压信号的一个周期内，直流偏磁检测电阻R1上的平均电压为零；当待测电流Id不为零时，目标激磁绕组N1会对待测电流Id产生的直流磁场进行检测，进而使得在交变电压信号的一个周期内，直流偏磁检测电阻R1的平均电压不为零，直流偏磁检测电阻R1上所检测到的直流偏磁信号(电压信号)的大小和方向反映了待测电流Id产生的直流磁场的大小和方向，进而反应了待测电流Id的大小和方向。

相较于现有技术，本实用新型通过在磁通门电流传感器中采用包括激励磁通闭环控制模块11和多磁通闭环控制模块12的多闭环控制系统1，由激励磁通闭环控制模块11对激磁单元产生的目标激励磁场进行检测，并根据检测到的激磁检测信号生成激磁补偿信号，且根据激磁补偿信号在目标激励磁场的周围产生激磁补偿磁场，激磁补偿磁场与目标激励磁场相互叠加，叠加后的激磁叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零；多磁通闭环控制模块12对待测电流Id产生的交流磁场以及高频磁场进行检测，并根据检测到的交流及高频磁通信号生成交流及高频磁通补偿信号；多磁通闭环控制模块 12还根据直流偏磁信号生成直流偏磁补偿信号，并根据交流及高频磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号生成目标多磁通补偿信号，且根据目标多磁通补偿信号在待测电路的周围产生多磁通补偿磁场，多磁通补偿磁场与直流磁场和交流磁场相互叠加，叠加后的多磁通叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零，从而消除了激磁模块2产生的磁场干扰，且实现了对交流电流和直流电流的检测，提高了传感器的电流检测精度，降低了传感器的生产成本。

在本实施例中，目标激磁单元22包括目标激磁绕组N1以及目标激磁铁芯T1，目标激磁绕组N1缠绕在目标激磁铁芯T1上，直流偏磁检测单元23 为直流偏磁检测电阻R1，目标激磁绕组N1的异名端与激磁振荡器21相连，目标激磁绕组N1的同名端与直流偏磁检测电阻R1的输出端相连，直流偏磁检测电阻R1的输入端接地；目标激磁绕组N1在激磁振荡器21输出的交变电压信号激励下，产生目标激励磁场，直流偏磁检测电阻R1上直流偏磁信号的大小与方向反映待测电流Id产生的直流磁场的大小与方向。

进一步参阅图2，在本实施例中，激励磁通闭环控制模块11包括激磁检测绕组N4、激磁检测信号处理单元110、激磁补偿绕组N2以及激磁补偿铁芯 T2，激磁检测绕组N4的异名端接地，激磁检测绕组N4的同名端与激磁检测信号处理单元110的输入端相连，激磁补偿绕组N2的异名端接地，且激磁补偿绕组N2的同名端与激磁检测信号处理单元110的输出端相连，激磁补偿绕组N2缠绕在激磁补偿铁芯T2上，激磁检测绕组N4同时缠绕在激磁补偿铁芯T2以及目标激磁铁芯T1上；

激磁检测绕组N4对目标激磁单元22产生的激磁磁场进行检测，并输出激磁检测信号；激磁检测信号处理单元110对激磁检测信号进行处理并输出激磁补偿信号；激磁补偿绕组N2在激磁补偿信号的激励下产生激磁补偿磁场，激磁补偿磁场与目标激励磁场相互叠加，叠加后的激磁叠加磁场穿过与其磁感线垂直平面的磁通量为零。即激磁补偿绕组N2所产生的激磁补偿磁场对应的磁动势I3×W3与目标激磁单元22产生的激磁磁场对应的磁动势(I1× W1)的大小相等，方向相反，即-I3×W3＝I1×W1，整个激磁模块2和激励磁通闭环控制模块11构成的激磁系统对外呈现零磁通，从而避免了目标激磁单元 22对激磁检测绕组N4和多磁通闭环控制模块12产生的磁场干扰，提高了传感器的电流检测精度。I1及I3分别为目标激磁绕组N1及激磁补偿绕组N2上的电流，W1及W3分别为目标激磁绕组N1及激磁补偿绕组N2的匝数。

进一步参阅图3，在本实施例中，激磁检测信号处理单元110包括第一电压处理组件1101和第一信号放大组件1102，第一电压处理组件1101的输入端与激磁检测绕组N4的同名端相连，第一电压处理组件1101的输出端与第一信号放大组件1102的输入端相连，第一信号放大组件1102的输出端与激磁补偿绕组N2的同名端相连；第一电压处理组件1101对激磁检测绕组N4 检测道德激磁检测信号进行整流滤波处理得到第一电压信号，第一信号放大组件1102对第一电压信号放大处理得到激磁补偿信号。

在本实施例中，多磁通闭环控制模块12包括直流偏磁信号处理单元120、交流及高频磁通检测单元121、多磁通补偿单元122及电流检测单元123，直流偏磁信号处理单元120的输入端与直流偏磁检测电阻R1的输出端相连，直流偏磁信号处理单元120的输出端与多磁通补偿单元122的第一输入端相连，交流及高频磁通检测单元121的输出端与多磁通补偿单元122的第二输入端相连，多磁通补偿单元122的输出端与电流检测单元123相连；

直流偏磁信号处理单元120对直流偏磁检测单元23输出的直流偏磁信号进行处理，并输出直流偏磁补偿信号；交流及高频检测单元对待测电流Id产生的交流磁场以及高频磁场进行检测，并根据检测到的交流及高频磁通信号输出交流及高频磁通补偿信号；多磁通补偿单元122根据交流及高频磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号生成目标多磁通补偿信号，且根据目标多磁通补偿信号在待测电路的周围产生多磁通补偿磁场，多磁通补偿磁场与待测电路的直流磁场、交流磁场以及高频磁场相互叠加，叠加后的多磁通叠加磁场穿过与其磁感线垂直平面的磁通量为零。

在本实施例中，交流及高频磁通检测单元121包括交流及高频磁通检测绕组N3、交流及高频磁通检测铁芯T3、第二电压处理组件1211以及第二信号放大组件1212，交流及高频磁通检测绕组N3缠绕在交流及高频磁通检测铁芯T3上，交流及高频磁通检测绕组N3的异名端接地，交流及高频磁通检测绕组N3的同名端与第二电压处理组件1211的输入端相连，第二电压处理组件1211的输出端与第二信号放大组件1212的输入端相连；

第二电压处理组件1211对交流及高频磁通检测绕组N3检测到的交流及高频磁通信号进行整流滤波处理并输出第二电压信号，第二信号放大组件 1212对第二电压信号进行放大处理并输出交流及高频磁通补偿信号至多磁通补偿单元122。

在本实施例中，直流偏磁信号处理单元120包括第三电压处理组件1201 以及第三信号放大组件1202，第三电压处理组件1201的输入端与直流偏磁检测电阻R1的输出端相连，第三电压处理组件1201的输出端与第三信号放大组件1202的输入端相连；

第三电压处理组件1201对直流偏磁检测电阻R1输出的直流偏磁信号进行整流滤波等处理并输出第三电压信号，第三信号放大组件1202对第三电压信号进行放大处理并输出直流偏磁补偿信号至多磁通补偿单元122。

在本实施例中，多磁通补偿单元122包括功率放大组件1221以及比例补偿绕组N5，功率放大组件1221的输入端分别与第二信号放大组件1212以及第三信号放大组件1202相连，功率发达组件的输出端与比例补偿绕组N5的同名端相连，比例补偿绕组N5的异名端接地，比例补偿绕组N5同时缠绕在目标激磁绕组N1、激磁补偿绕组N2以及交流及高频磁通检测绕组N3上；

功率放大组件1221对接收到的交流及高频磁通补偿信号和直流偏磁补偿信号进行叠加，并生成目标多磁通补偿信号；比例补偿绕组N5在目标多磁通补偿信号的激励下产生多磁通补偿磁场，多磁通补偿磁场与直流磁场和交流磁场相互叠加，叠加后的多磁通叠加磁场穿过与其磁感线垂直的平面的磁通量为零。即流经比例补偿绕组N5的电流在比例补偿绕组N5上产生的磁动势 I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组上产生的磁动势Id×Wd 大小相等，方向相反，即-I6×W6＝Id×Wd。其中，W6和Wd分别为比例补偿绕组N5和导线对应的绕组的匝数。由于导线对应的绕组的匝数为1，比例补偿绕组N5为已知的，通过测量电流检测电阻RL两端的电压，即可获知流经比例补偿绕组N5的电流，进而可以根据公式-I6×W6＝Id×Wd计算得到待测电流Id的大小，实现了对待测电流Id的高精度检测。

当待测电流Id不为零时，直流偏磁检测单元23根据目标激磁绕组N1检测到的直流磁场输出直流偏磁信号，第三电压处理组件1201对直流偏磁信号进行处理后输出第三电压信号，第三信号放大组件1202对第三电压信号进行放大处理并输出直流偏磁补偿信号至功率放大组件1221，功率放大组件1221 根据直流偏磁补偿信号输出目标补偿电流I6，从而使流经比例补偿绕组N5 的电流I6在比例补偿绕组N5上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流 Id在导线对应的绕组上产生的磁动势Id×Wd完全平衡。待测电流Id越大，功率放大组件1221输出的目标补偿电流I6就越大，待测电流Id越小，功率放大组件1221输出的目标补偿电流I6就越小。实际上，由于功率放大组件 1221的增益有限，且存在零点漂移，因此，流经比例补偿绕组N5的电流I6 在比例补偿绕组N5上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组上产生的磁动势Id×Wd不可能完全平衡，为了维持两者之间的平衡，需形成一个负反馈系统，而交流磁通补偿电路可以实现该目的，比例补偿绕组N5上的磁动势和导线绕组上的磁动势只要不平衡，便会在交流及高频磁通检测绕组N3上形成检测电压，该检测电压经第二信号处理组件处理后，输入功率放大组件1221，从而使得功率放大组件1221输出的目标补偿电流I6 产生变化，进而使得电流I6在比例补偿绕组N5上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组上产生的磁动势Id×Wd达到平衡状态。当电流I6在比例补偿绕组N5上产生的磁动势I6×W6与流经导线的待测电流Id在导线对应的绕组上产生的磁动势Id×Wd达到平衡状态后，交流及高频磁通检测绕组N3上检测到的交流及高频磁通信号和直流偏磁检测电阻 R1检测到的直流偏磁信号均为零，从而使得传感器对外实现零磁通。

在本实施例中，第一电压处理单元、第二电压处理单元以及第三电压处理组件1201均为整流滤波电路；第一信号放大组件1102、第二信号放大组件 1212以及第三信号放大组件1202均为比例积分放大器；电流检测单元123为电流检测电阻RL，电流检测电阻RL的一端与功率放大组件1221相连，电流检测电阻RL的另一端接地。

在本实施例中，激磁振荡器21向目标激磁单元22输出的交变电压信号为方波信号、正弦波信号或三角波信号。本实用新型优选方波电压信号，激磁振荡器21输出的交变电压信号的频率可以根据实际需求进行设置，此处不做限制。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。