霍爾傳感器調(diào)理電路：閉環(huán)霍爾電流傳感器該如何選擇及硬件電路設(shè)計(jì)與選型
孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘要：傳統(tǒng)霍爾電流傳感器測(cè)量范圍小、準(zhǔn)確度等級(jí)低、頻率范圍窄、響應(yīng)速度慢已不能滿(mǎn)足實(shí)際工程的需求。為了滿(mǎn)足核聚變領(lǐng)域的需求，設(shè)計(jì)了一種零磁通霍爾電流傳感器。基于零磁通的原理和特性，為其設(shè)計(jì)了一種以脈寬調(diào)制(PWM)為核心的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)霍爾元件感應(yīng)磁場(chǎng)，形成霍爾電壓，經(jīng)過(guò)放大電路、積分調(diào)節(jié)電路、PWM產(chǎn)生電路、功率放大電路、反饋電路，終形成二次側(cè)的補(bǔ)償電流，從而保證霍爾元件處于零磁通狀態(tài)。測(cè)試表明:設(shè)計(jì)的傳感器的電流測(cè)量范圍為±30kA，準(zhǔn)確度等級(jí)為0．5級(jí)，頻率范圍可以達(dá)到20kHz，響應(yīng)時(shí)間在5μs以?xún)?nèi)。
關(guān)鍵詞：霍爾傳感器;霍爾零磁通電流傳感器;脈沖寬度調(diào)制;積分調(diào)節(jié);功率放大;反饋電路
0引言
作為世界上應(yīng)用廣泛、應(yīng)用數(shù)量多傳感器之一的霍爾電流傳感器，具有靈敏度高、精度高、溫度漂移小、工作壽命長(zhǎng)、可靠性、性高等優(yōu)點(diǎn)［1］。基于霍爾電流傳感器的以上優(yōu)點(diǎn)，考慮到一般大電流傳感器不能交直流兩用，準(zhǔn)確度等級(jí)、頻率范圍、響應(yīng)速度，也很難同時(shí)滿(mǎn)足核聚變領(lǐng)域的需要。本文以閉環(huán)零磁通霍爾電流傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種用于核聚變領(lǐng)域的大電流霍爾傳感器電路，此傳感器可測(cè)交直流電流。測(cè)量范圍高至±30kA，輸出信號(hào)準(zhǔn)確度等級(jí)高、頻率范圍寬、響應(yīng)速度快，同時(shí)解決了在大電流情況下晶體管的大功耗散熱和電壓等級(jí)提高影響的問(wèn)題，很好地滿(mǎn)足了核聚變領(lǐng)域的需要。
1零磁通霍爾電流傳感器工作原理
1.1霍爾效應(yīng)現(xiàn)象
具體產(chǎn)生的過(guò)程為:將通電的半導(dǎo)體材料(一般制成半導(dǎo)體薄片)放入磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向與電流方向夾角成90°(這時(shí)霍爾效應(yīng)好)放置，這時(shí)由于導(dǎo)體中載流子受到洛倫茲力作用會(huì)發(fā)生偏移，在半導(dǎo)體薄片的兩邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，在電場(chǎng)及磁場(chǎng)力的作用下載流子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這一過(guò)程即為霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程，產(chǎn)生的電壓稱(chēng)之為霍爾電勢(shì)，霍爾電勢(shì)Vh為：
（1）
式中I為通過(guò)霍爾元件的電流;B為垂直霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度;Kh為霍爾材料靈敏度系數(shù)。Kh=Rh/d×f(L/b)，Rh為霍爾系數(shù);L，b，d為霍爾元件的長(zhǎng)、寬、高;f(L/b)為修正系數(shù)。
1.2工作原理
如圖1所示為零磁通霍爾電流傳感器的工作原理。一次側(cè)的原邊電流I1在磁芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)B1與二次側(cè)4邊線(xiàn)圈中I2產(chǎn)生的磁場(chǎng)B2相平衡，從而使4個(gè)霍爾元件H始終保持零磁通的工作狀態(tài)。補(bǔ)償電流I2的產(chǎn)生方式:霍爾元件在感應(yīng)到磁場(chǎng)的不平衡后，產(chǎn)生霍爾電壓Vh，經(jīng)過(guò)比例放大和積分調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)(pulsewidthmodulation，PWM)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率放大電路，再由功率放大電路提供相應(yīng)占空比大小的電壓，終形成二次側(cè)的電流I2。在整個(gè)傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，一次側(cè)和二次側(cè)的磁場(chǎng)始終保持平衡，即有N1·I1=N2·I2。
考慮到使用的磁芯為正方形框體形狀，磁芯上不同位置處的磁場(chǎng)強(qiáng)度有所不同。為提高系統(tǒng)整體精度，本傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)在磁芯的互為對(duì)稱(chēng)的框體四邊的中點(diǎn)位置設(shè)置霍爾元件，共計(jì)4個(gè)霍爾元件，分別用來(lái)感受4點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。以這4個(gè)霍爾電壓大小的和來(lái)衡量磁場(chǎng)的不平衡量，作為系統(tǒng)的反饋量。
2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
整個(gè)電流閉環(huán)傳感器系統(tǒng)分為6個(gè)部分:1)霍爾器件供電電路，由恒壓源給霍爾元件提供工作電流;2)感應(yīng)電路，一次側(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)平衡被打破，元件感應(yīng)到磁場(chǎng)不平衡從而產(chǎn)生霍爾電壓Vh;3)放大電路和積分調(diào)節(jié)電路，對(duì)霍爾元件產(chǎn)生的微弱霍爾電壓信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)節(jié);4)PWM波產(chǎn)生電路，放大后的霍爾信號(hào)與載波通過(guò)比較器比較，后產(chǎn)生三電平的PWM信號(hào);5)功率放大電路，PWM波驅(qū)動(dòng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效開(kāi)通，形成一定占空比的電壓信號(hào)，加在補(bǔ)償線(xiàn)圈兩端從而形成反饋電流;6)反饋電路，依據(jù)磁平衡原理，利用二次側(cè)補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)一次側(cè)磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使氣隙處始終處于零磁通狀態(tài)，其工作流程如圖2所示。
2.1霍爾元件
霍爾元件是組成閉環(huán)霍爾電流傳感器的重要組成部分，本設(shè)計(jì)選用銻化銦為元件材料的器件HW-302B，其采用單列直插式封裝形式。輸入采用電壓或電流兩種模式供電，大輸入電流為20mA，輸入、輸出阻抗為240～550Ω，失調(diào)電壓為－7～7mV，溫度系數(shù)為－1．8%/℃，輸出霍爾電壓范圍為122～204mV。由于采用電流源模式供電，引腳1，3為控制輸入端，引腳2，4為霍爾電壓輸出端，霍爾元件置于磁芯氣隙處，能大程度地感應(yīng)垂直穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)，得到穩(wěn)定的霍爾電壓。
2.2放大電路和積分調(diào)節(jié)電路
一次側(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)平衡被打破，元件感應(yīng)到磁場(chǎng)不平衡從而產(chǎn)生微弱霍爾電壓Vh，由于電壓很小，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)節(jié)，采用OPA2277高精度運(yùn)算放大器。通過(guò)改變電阻值來(lái)改變放大倍數(shù)，OPA2277的1，2引腳之間跨接電阻器組成比例放大電路，6，7引腳之間跨接電阻器和電容器組成積分調(diào)節(jié)電路。本設(shè)計(jì)電路通過(guò)調(diào)節(jié)與電容器相連的可調(diào)電阻器來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)，電路如圖3所示。
圖3放大電路和積分調(diào)節(jié)電路
2.3PWM波產(chǎn)生電路
設(shè)計(jì)的PWM波產(chǎn)生方式是用霍爾輸出放大信號(hào)與載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一定占空比的三電平信號(hào)。如圖4所示，為載波調(diào)節(jié)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)LF347的1，2引腳之間的可調(diào)電阻器RP3調(diào)節(jié)載波幅值，調(diào)節(jié)與6引腳相連的RP2改變載波的偏移量，引腳7輸出負(fù)載波(TRI－)，引腳8輸出正載波(TRI+)。
如圖5所示，VERR與TRI+通過(guò)比較器LM393比較，比較后的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生PWM1和PWM3;VERR與TRI—通過(guò)比較器LM393比較，比較后的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生PWM2和PWM4。
圖5PWM波產(chǎn)生電路
2.4功率放大電路
如圖6所示為功率放大電路原理。該電路的供電電壓為正負(fù)直流電壓，其中VDC+，VDC－值相等，0V為0電位，功率放大電路采用正負(fù)向?qū)ΨQ(chēng)的設(shè)計(jì)。為了在引出位置(即二次側(cè)線(xiàn)圈串聯(lián)采樣電阻)輸出正向或反向的電壓;4路PWM波驅(qū)動(dòng)T1～T4，通過(guò)控制4個(gè)MOSFET的通斷來(lái)控制引出位置的電壓。具體工作原理以正向?yàn)槔齺?lái)說(shuō)明:在需要產(chǎn)生正向電壓時(shí)，PWM2為高電平，MOSFET管T2一直開(kāi)通，對(duì)應(yīng)的PWM4為低電平，MOSFET管T4一直關(guān)斷。PMW1為設(shè)置好占空比的PWM波，用于控制MOSFET管T1，PMW3與PMW1為邏輯運(yùn)算與非關(guān)系，此時(shí)的MOS-FET管T3的狀態(tài)對(duì)電路無(wú)影響。T1開(kāi)通時(shí)，電流方向:VDC+→T1→T2→引出位置→0;T1關(guān)斷時(shí)，電流方向:引出位置→D1→T2→引出位置，形成續(xù)流回路;引出位置接二次側(cè)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈電感很大，通過(guò)控制PMW1的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)控制二次側(cè)線(xiàn)圈上的補(bǔ)償電流。
2.5反饋電路
閉環(huán)零磁通霍爾電流傳感器采用磁平衡原理，被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)需要通過(guò)二次側(cè)線(xiàn)圈電流進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件在氣隙處始終處于零磁通工作狀態(tài)。當(dāng)I1剛建立磁場(chǎng)，I2尚未形成時(shí)，霍爾元件檢測(cè)出N1I1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大電路和積分調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換為PWM波信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)功率放大電路，終形成對(duì)應(yīng)占空比大小的電壓［4］。由于補(bǔ)償回路是個(gè)線(xiàn)圈，通過(guò)線(xiàn)圈電流不會(huì)突變，因此I2逐漸上升，N2I2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償了N1I1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因此霍爾元件輸出減小，I2上升減慢。當(dāng)N2I2=N1I1時(shí)，磁場(chǎng)達(dá)到平衡，霍爾元件輸出為零，但由于線(xiàn)圈的影響，I2會(huì)繼續(xù)上升，平衡打破(N2I2＞N1I1)，形成過(guò)補(bǔ)償，霍爾元件輸出信號(hào)會(huì)變號(hào)，輸出功率放大電路使I2減小，在這種往復(fù)的過(guò)程中，氣隙處的霍爾元件會(huì)處于平衡點(diǎn)附近振蕩。
2.6霍爾元件補(bǔ)償
由于半導(dǎo)體特性和制造工藝等原因，霍爾電流傳感器在對(duì)電流測(cè)量時(shí)總是存在一定的誤差。為進(jìn)一步提高霍爾元件的測(cè)量精度和靈敏度，往往需要對(duì)霍爾元件進(jìn)行誤差補(bǔ)償，其主要包括溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償。
2.6.1溫度補(bǔ)償
由于霍爾元件是有半導(dǎo)體元件制成，半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率、載流子的濃度都會(huì)隨溫度的變化而變化，造成測(cè)量誤差，因此需要溫度補(bǔ)償。針對(duì)溫度變化導(dǎo)致的內(nèi)阻變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻值進(jìn)行補(bǔ)償。
2.6.1.1輸入回路補(bǔ)償法
如圖7所示，采用恒流源供電，并聯(lián)分流電阻器R，設(shè)初始溫度為T(mén)0，霍爾元件的輸入電阻值為R0，霍爾電流為I0，霍爾元件靈敏度為K0，當(dāng)溫度上升到T時(shí)，霍爾元件的輸入電阻值為R1，霍爾電流為I1，霍爾元件靈敏度為K1。則溫度在T0和T時(shí)有下式：
(3)
式中下標(biāo)0，1分別為溫度為T(mén)0和T的有關(guān)值，α為霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)，β為霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)。當(dāng)溫度影響帶來(lái)的測(cè)量誤差完全補(bǔ)償時(shí)，不同溫度下輸出的霍爾電壓相等。
圖7輸入回路補(bǔ)償電路
2.6.1.2輸出回路補(bǔ)償法
輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐罚?dāng)溫度變化時(shí)，用熱敏電阻值Rt的變化來(lái)抵消霍爾電勢(shì)Vh和輸出電阻值R0變化對(duì)輸出電壓的影響，從而保持輸出霍爾電勢(shì)與溫度基本無(wú)關(guān)。
2.6.2不等位電勢(shì)補(bǔ)償
不等位電勢(shì)是霍爾元件在加額定控制電流而外磁場(chǎng)為零時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)，稱(chēng)其為零位電勢(shì)(及零漂)。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋。輸入電1，3和輸出電2，4可看作電橋的電阻連接點(diǎn)，其相互之間分布電阻值R1，R2，R3，R4構(gòu)成4個(gè)橋臂，當(dāng)B=0時(shí)，理想情況下Vh=0，即4個(gè)電阻值相等。如果通入額定電流，而Vh不等于0，說(shuō)明4個(gè)電阻存在差異，需要添加平衡電橋電路［9］。如圖8所示，通過(guò)對(duì)滑動(dòng)電阻器的調(diào)節(jié)可以達(dá)到霍爾元件的電橋平衡，從而在B=0時(shí)，使輸出電壓Vh=0。
3測(cè)量結(jié)果及處理
3.1測(cè)量方法
1)選用的測(cè)試電源為高精度逆變電源，此電源可以輸出電流為正負(fù)直流、交流，輸出通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)和負(fù)載相連，負(fù)載為一個(gè)大環(huán)形線(xiàn)圈，被測(cè)傳感器套在大環(huán)形線(xiàn)圈臂上(即電源輸出一個(gè)小電流用等效安匝法使電流加倍);另外高精度逆變電源輸出導(dǎo)線(xiàn)上套有標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器。
2)設(shè)計(jì)傳感器電路可以采集交直流信號(hào);板卡控制電選用直流12V，功率放大電路供電電壓為直流±80V。
3)將設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)輸出端與電阻器相連，電阻器另一端接到±80V電源的0V電位上。分別采集電阻兩端電壓信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出電壓信號(hào)。
3.2測(cè)量過(guò)程
實(shí)驗(yàn)在一次側(cè)高精度逆變電源輸出電流為正負(fù)直流條件下測(cè)試。接通電源使傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定0．5h，調(diào)節(jié)高精度逆變電源，使電流輸出從0A開(kāi)始正向增加，每間隔5kA停頓一下，等在該點(diǎn)穩(wěn)定后讀數(shù)一次，依次順序電流達(dá)到30kA，后退到0A;電流從0A開(kāi)始負(fù)向增加，每間隔－5kA停頓一次，等在該點(diǎn)穩(wěn)定后讀數(shù)一次，依次順序電流達(dá)到－30kA，后退到0A。特別需要注意讀數(shù)時(shí)在每個(gè)電流點(diǎn)上保持電流穩(wěn)定后讀取。
3.3測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度等級(jí)(精度)
在室溫下對(duì)設(shè)計(jì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9。實(shí)驗(yàn)中用大環(huán)形線(xiàn)圈等效安匝法模擬了一次側(cè)的大電流，一次側(cè)大環(huán)形線(xiàn)圈繞組匝數(shù)為532，標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器匝比為100，設(shè)計(jì)傳感器匝數(shù)為6000。i1為一次側(cè)單匝導(dǎo)線(xiàn)上標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器測(cè)量值;i2為設(shè)計(jì)傳感器采樣電流;I1為一次側(cè)的換算電流，I1=i1;I2為二次側(cè)的換算電流，I2=6000i2;δ為相對(duì)誤差，
其中，X為設(shè)計(jì)傳感器的示值，XS為標(biāo)準(zhǔn)傳感器示值。表中第7組數(shù)據(jù)為零電流時(shí)各傳感器的輸出值(即零漂值)。
圖9電流測(cè)試數(shù)據(jù)
從圖中可以看出:大電流達(dá)到了±30kA;大相對(duì)誤差為0．44%，出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中電流小的點(diǎn)，且明顯有電流較小時(shí)相對(duì)誤差更大的情況。造成這種情況的原因是，零點(diǎn)漂移得不夠，數(shù)據(jù)較小時(shí)，采集測(cè)量的零點(diǎn)漂移影響了傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)，但整體準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0．5級(jí)(精度為0．5%)。傳統(tǒng)傳感器測(cè)量范圍在±10kA以下，即使范圍能到達(dá)±30kA的準(zhǔn)確度等級(jí)為1．0級(jí)。
3.4頻率范圍
設(shè)計(jì)電流傳感器和標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器輸出接示波器，調(diào)節(jié)高精度逆變電源使電源每次輸出交流電流為值40A(大環(huán)形線(xiàn)圈上產(chǎn)生等效值約為21．3kA的電流)，每次測(cè)試改變頻率。經(jīng)過(guò)測(cè)試，觀察待測(cè)電流傳感器的輸出信號(hào)波形，當(dāng)高精度逆變電源輸出電流頻率為20kHz時(shí)，設(shè)計(jì)電流傳感器采到的輸出頻率為20．08kHz，值為3．52V(探頭衰減10倍，顯示為0．352V)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，輸入輸出電流基本保持相等，說(shuō)明此頻率下輸出信號(hào)的幅頻特性較好。當(dāng)高精度逆變電源輸出電流頻率繼續(xù)增加，設(shè)計(jì)電流傳感器采到的輸出電壓值明顯減小，說(shuō)明傳感器跟蹤失敗，輸出信號(hào)幅頻特性變差;但比傳統(tǒng)同類(lèi)型±30kA大電流傳感器(頻率范圍1kHz)有很大的提高。
3.5響應(yīng)時(shí)間
指一次側(cè)電流為高頻交流或充電機(jī)暫態(tài)放電電流時(shí)，設(shè)計(jì)電流傳感器采到電流的時(shí)刻與標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器采到電流時(shí)刻的時(shí)間差，定義為響應(yīng)時(shí)間。由于本傳感器設(shè)計(jì)的頻率范圍為20kHz，所以把高精度逆變電源輸出波形頻率設(shè)為20kHz條件下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試得出一組時(shí)間差值，計(jì)算平均值得到反應(yīng)時(shí)間小于5μs。
4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
4.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過(guò)載能力強(qiáng)，線(xiàn)性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。
5結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確度等級(jí)高、頻率范圍寬、響應(yīng)快的傳感器。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此電流傳感器測(cè)量范圍達(dá)到±30kA，準(zhǔn)確度等級(jí)到達(dá)0．5級(jí)，頻率范圍到達(dá)20kHz，反響時(shí)間小于5μs，并解決了在大電流情況下，晶體管的大功耗散熱和電壓等級(jí)提高影響的問(wèn)題，此傳感器可以廣泛應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域。
