周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路的制作方法

周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电流采样技术领域，具体涉及一种周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路，适用于直流永磁无刷电机。
【背景技术】
[0002]随着电子测量设备的快速发展，电流采样电路中霍尔电流采样器件得到广泛的应用，以Allegro公司的霍尔电流采样器件为例，该类器件主要由靠近芯片表面的铜制的电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成，被测电流流经的通路(引脚I和2，3和4之间的电路)的内电阻通常是1.2πιΩ，具有较低的功耗。被测电流通路与传感器引脚(引脚5?8)的绝缘电压>2.lkVRMS，几乎是绝缘的，如图1所示，流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC感应并将其转化为成比例的电压，如图2所示，通过将磁性信号尽量靠近霍尔传感器来实现器件精确度的最优化，此类霍尔电流采样器件具有低噪声，响应时间快(对应步进输入电流，输出上升时间为5S)，50千赫带宽，总输出误差最大为4%，高输出灵敏度(66mV/A?185mV/A)，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点，主要应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护等，特别是那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘。
[0003]但是霍尔电流采样器件易受外界磁场干扰，当在霍尔芯片周围有变化的磁场干扰情况下，其输出电压信号上往往叠加干扰信号，不能准确输出与被测电流成比例的电压信号，当霍尔电流采样芯片用在直流永磁无刷电机内部测试电机电流时，由于电机内部磁场是随其转角不同跳变的所以无法准确输出反应电机电流变化的信号，因而无法得出准确的电流采样值。
[0004]目前在霍尔电路抗磁干扰方面已有有些研宄和专利，如已有公布为CN 101915867A的专利，其采用的解决方法和电路如图3所示，是将两个霍尔元件并排放置，相互平行且法向相反，两个霍尔元件通过相同的被测电流，再利用运算放大器电路对两路霍尔输出信号进行运算，将外部磁场产生的干扰信号抵消，这种方法的特征如其在专利中描述的是基于磁场在整个空间分布是缓变的，两霍尔元件在磁场中近似视为一个点，因此，将两霍尔元件输出信号中的磁场干扰信号视为幅值相同，且可以通过运算抵消。但是，这种方法显然不适用于永磁直流无刷电机这类场合，在直流电机内磁场是根据转角不同而跳变的如图4所示，图4(a)为以O度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4(b)为以60度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4(0)为以120度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4(d)为以180度转角为例的电机内部磁场变化示图。
[0005]图4(a)为以O度转角为例的电机内部磁场变化示图；g|4(b)为以60度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4(c)为以120度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4((1)为以180度转角为例的电机内部磁场变化示图；两个霍尔元件在磁场空间中不可视为同一点，器件间的距离会导致外部磁场在两霍尔元件上产生的干扰信号是不同的，所以无法通过其专利中描述的电路和运算抵消磁场产生的干扰信号，因此，要找到新的方法和电路去解决，直流永磁无刷电机内部准确的电流采样的问题。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型所解决的技术问题是克服现有的在周期性强变化磁场环境下，霍尔电流采样器件电流采样不准确，尤其针对直流永磁无刷电机内部利用霍尔电流采样器件的问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:
[0008]一种周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路，其特征在于:设置在直流永磁无刷电机的内部，包括角度传感器、霍尔电流采样电路、微型继电器切换电路和MCU处理电路，
[0009]所述角度传感器用于测量直流永磁无刷电机的转角，并将角度信号传输到MCU处理电路；
[0010]所述霍尔电流采样电路用于将流经霍尔电流器件的电流转换成相应的电压信号，传输到MCU处理电路；
[0011]所述微型继电器切换电路用于在基准电流源和被测电流间的切换，使切换后的电流流向霍尔电流器件进行检测；
[0012]所述MCU处理电路用于将霍尔电流器件传输的电压信号经MCU内部AD转换采样，并根据角度传感器传输的角度信号进行运算，得出直流永磁无刷电机的电流值；
[0013]所述角度传感器与MCU处理电路相连接，所述霍尔电流采样电路通过微型继电器切换电路与MCU处理电路相连接。
[0014]本实用新型的有益效果是:本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路，利用切换和运算消除了直流永磁无刷电机内磁场对霍尔电流采样的干扰，解决了霍尔电流采样电路在强变化磁场干扰下无法精确测量被测电流值的问题，为直流永磁无刷电机内精确测量电机电流提供了可行方法，此实用新型还可应用于其他周期性强变化磁场环境下的霍尔电流采样，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0015]图1是霍尔电流采样芯片内部结构。
[0016]图2是霍尔电流采样芯片输出电压信号与被测电流信号关系图。
[0017]图3为专利CN 101915867 A所采用的电路图。
[0018]图4为以O?180度转角为例的电机内部磁场变化示图，图4(a)为以O度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4(13)为以60度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4(c)为以120度转角为例的电机内部磁场变化示图；图4((1)为以180度转角为例的电机内部磁场变化示图。
[0019]图5是本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路的系统框图。
[0020]图6是本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样方法的验证测试曲线，图6(a)是本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的采样电机电流时的输出电压信号示意图；图6(13)是本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的采样基准电流时的输出电压信号示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合说明书附图，对本实用新型作进一步的说明。
[0022]如图5所示，本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路，设置在直流永磁无刷电机的内部(还可应用于其他周期性强变化磁场环境下的霍尔电流采样)，包括角度传感器、霍尔电流采样电路、微型继电器切换电路和MCU处理电路，在直流永磁无刷电机内首先采样并运算出基准电流上叠加的外界磁场变化产生的干扰信号规律，再采样被测电流， 计算出干扰信号规律滤除附加在电流采样信号上的干扰，并利用切换和运算消除了直流永磁无刷电机内外界强变化磁场对霍尔电流采样的干扰，是直流永磁无刷电机内精确测量电机电流的可行方法，此实用新型还可应用于周期性强变化磁场环境下的霍尔电流米样，其中，
[0023]所述角度传感器用于测量直流永磁无刷电机的转角，并将角度信号传输到MCU处理电路；
[0024]所述霍尔电流采样电路用于将流经霍尔电流器件的电流转换成相应的电压信号，传输到到MCU处理电路；
[0025]所述微型继电器切换电路用于在基准电流源和被测电流间的切换，使切换后的电流流向霍尔电流器件进行检测；
[0026]所述MCU处理电路用于将霍尔电流器件传输的电压信号经MCU内部AD转换采样，并根据角度传感器传输的角度信号进行运算，得出直流永磁无刷电机的电流值；所述角度传感器与MCU处理电路相连接，所述霍尔电流采样电路通过微型继电器切换电路与MCU处理电路相连接。
[0027]基于上述的周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路的采样方法，其特征在于:包括以下步骤，
[0028]步骤(I)，直流永磁无刷电机在开始旋转时的10个周期内，微型继电器切换电路使基准电流流经霍尔采样器件；
[0029]步骤(2)，通过角度传感器将转子在直流永磁无刷电机内旋转的360°等分成若干固定转角，并在基准电流下每个固定转角进行电流采样，等分成六个固定转角，每个固定转角的角度为60°，即I个周期采样6次。
[0030]步骤(3)，计算每个固定转角时，霍尔器件输出的基准电压信号Vn，
[0031]Vn= K*I 基准+V/ (I)
[0032]其中，V/为基准电流下磁场变化产生的干扰信号，Isffi为基准电流，K为霍尔器件输出电压与被测电流比例值，单位mV/A，该值由霍尔器件的特性决定，霍尔器件的型号决定该系数的数值；
[0033]步骤(4)，MCU处理电路计算在开始旋转10个周期内，进行每个固定转角进行电流采样，并计算得出基准电流下霍尔器件输出的电压信号V11的均方根值Vn’ ；
[0034]步骤(5)，直流永磁无刷电机在开始旋转时的10个周期后，微型继电器切换电路使被测直流永磁无刷电机电流流经霍尔采样器件；
[0035]步骤￠)，并在与基准电流采样的每个固定转角处进行电流采样；
[0036]步骤(7)，计算每个固定转角时，霍尔器件输出的被测电压信号N12’
[0037]Vl2=K*I 被测+V (2)
[0038]其中，V2’为被测直流永磁无刷电机电流下磁场变化产生的干扰信号，Issj为被测直流永磁无刷电机电流，K为霍尔器件输出电压与被测电流比例值，单位mV/A，该值由霍尔器件的特性决定，霍尔器件的型号决定该系数的数值。
[0039]步骤(8)，MCU处理电路计算在10-20周期内，进行每个固定转角进行电流采样，并计算得出被测直流永磁无刷电机电流下霍尔器件输出的电压信号V12的均方根值V 12’ ；
[0040]步骤(9)，将被测直流永磁无刷电机电流下霍尔器件输出的电压信号均方根值V12’和基准电流下霍尔器件输出的电压信号均方根值vn’相减，滤除干扰信号，
[0041]V12，-V11，= K*I被测-κ*1 基准 +V2，- VI’ (3)
[0042]其中，干扰信号VI’、V2’在同一固定转角时是相同的，即，
[0043]V1/ -V1/ =Κ*Ι被测-Κ*Ι基准 (4)
[0044]步骤(10)，根据公式(5)，被测直流永磁无刷电机电流值，
[0045]I被测=(V12，_Vii，/Κ)+I基准 (5)0
[0046]本实用新型的方法设置在直流永磁无刷电机内霍尔电流采样时，抗磁场干扰的电路和方法，此方法和电路在实际电机参数采集一体化系统内得到应用和验证，验证测试曲线，如图6所示。其中图6(a)是本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的采样电机电流时的输出电压信号示意图；图6(13)是本实用新型的周期性强变化磁场下霍尔器件的采样基准电流时的输出电压信号示意图。
[0047]以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路，其特征在于:设置在直流永磁无刷电机的内部，包括角度传感器、霍尔电流采样电路、微型继电器切换电路和MCU处理电路， 所述角度传感器用于测量直流永磁无刷电机的转角，并将角度信号传输到MCU处理电路； 所述霍尔电流采样电路用于将流经霍尔电流器件的电流转换成相应的电压信号，传输到MCU处理电路； 所述微型继电器切换电路用于在基准电流源和被测电流间的切换，使切换后的电流流向霍尔电流器件进行检测； 所述MCU处理电路用于将霍尔电流器件传输的电压信号经MCU内部AD转换采样，并根据角度传感器传输的角度信号进行运算，得出直流永磁无刷电机的电流值； 所述角度传感器与MCU处理电路相连接，所述霍尔电流采样电路通过微型继电器切换电路与MCU处理电路相连接。
【专利摘要】本实用新型公开了一种周期性强变化磁场下霍尔器件的电流采样电路，其电路包括角度传感器、霍尔电流采样电路、微型继电器切换电路和MCU处理电路，在直流永磁无刷电机内首先采样并运算出基准电流上叠加的外界磁场变化产生的干扰信号规律，再采样被测电流，计算出干扰信号规律滤除附加在电流采样信号上的干扰，利用切换和运算消除了直流永磁无刷电机内外界强变化磁场对霍尔电流采样的干扰，是直流永磁无刷电机内精确测量电机电流的可行方法，此实用新型还可应用于周期性强变化磁场环境下的霍尔电流采样，具有良好的应用前景。
【IPC分类】G01R19-00
【公开号】CN204613287
【申请号】CN201520221597
【发明人】后晓鹏, 许志兴, 张伟, 徐庆
【申请人】南京康尼机电股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月13日