專利名稱：零磁通霍爾大電流傳感器的pwm三電平數(shù)字控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及零磁通霍爾大電流傳感器的ー個(gè)新型數(shù)字式控制器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
ITER電源的直流測試平臺和未來的ITER電源之PF電源系統(tǒng)需要量程為45KA的大電流雙極性傳感器，而目前國內(nèi)外市場上缺乏此類電流傳感器。新型光纖式電流傳感器可以測量大電流，不過其測量電流信號的頻率響應(yīng)不高，而且價(jià)格昂貴，45KA量程的傳感器的價(jià)格也在45萬人民幣左右，ITER電源裝置需要很多電流傳感器，這個(gè)成本是相當(dāng)高的。市場上的霍爾零磁通霍爾雙向電流傳感器，其控制器基于模擬電路設(shè)計(jì)的，傳感器在測量電流時(shí)，其主輸出的晶體管是工作在放大狀態(tài)，有輸出電阻，通過電流時(shí)晶體管會
產(chǎn)生熱量。電流傳感器，有固定的匝比數(shù)，測量小電流的情況下，付邊的輸出電流值一般較小，不必考慮晶體管的功耗?？墒窃诔^20KA大電流情況下，付邊補(bǔ)償線圈的電流就會很大，達(dá)到安培量級，這時(shí)晶體管的功耗非常大，幾十瓦到百瓦都有可能。這么大的管耗在設(shè)計(jì)散熱的時(shí)候，僅僅靠風(fēng)冷就會非常難。另外大電流情況下為了追求更大的補(bǔ)償電流必須要提高控制器的電壓等級，而電壓等級的提高會影響互補(bǔ)型推挽功率電路的晶體管元件的選型，所以晶體管的大功耗散熱和電壓等級的問題直接限制了模擬量控制器在大電流場合下的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器，包括有PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路、霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路、三電平電路和方波信號的產(chǎn)生電路；所述的PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路包括一個(gè)芯片AP2001和運(yùn)放一、運(yùn)放ニ、運(yùn)放三，所述的芯片AP2001的CT引腳上串接ー電容器，RT引腳上串接ー滑動變阻器，所述電容器和滑動變阻器的另一端均接地，在CT引腳產(chǎn)生的載波信號分別經(jīng)過一電容器進(jìn)入所述運(yùn)放一的同相輸入端，ー電阻一端接運(yùn)放ー的同相輸入端，一端接地，運(yùn)放一的反相輸入端接地，在反相輸入端和輸出端并聯(lián)ー滑動變阻器，運(yùn)放ー的電源正、負(fù)極分別經(jīng)過ー電容器接地，運(yùn)放ー的輸出端接所述運(yùn)放ニ的同相輸入端，運(yùn)放ニ的反相輸入端與一滑動變阻器串聯(lián)，滑動變阻器的兩端分別接電源正負(fù)極，電源負(fù)極和滑動變阻器之間并聯(lián)ー電容器，運(yùn)放ニ的輸出端接所述運(yùn)放三的反相輸入端，運(yùn)放三的同相輸入端接地，負(fù)向載波信號在運(yùn)放ニ的輸出端輸出，正向載波信號在運(yùn)放三的輸出端輸出，形成大小相等方向相反的雙向載波信號；所述的霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路包括一差動放大電路和負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路，所述的差動放大電路的輸出端與負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路中的運(yùn)放四的反相輸入端相連，運(yùn)放四的同相輸入端接地，在反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)一阻抗器；所述的三電平電路包括四個(gè)HCPL3120芯片、四個(gè)穩(wěn)壓ニ極管、四個(gè)晶體管、四個(gè)ニ極管、兩個(gè)電容器和兩個(gè)有極性電容，晶體管一的漏極接電源正極，晶體管一的源極接晶體管ニ的漏扱，晶體管ニ的源極接晶體管三的漏扱，晶體管三的源極接晶體管四的漏極，晶體管四的漏極接電源負(fù)極，穩(wěn)壓ニ極管一、ニ、三、四的負(fù)極分別接晶體管一、ニ、三、四的柵極，穩(wěn)壓ニ極管ー的正極接在晶體管一的源極和晶體管ニ的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管ニ的正極接在晶體管ニ的源極和晶體管三的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管三的正極接在晶體管三的源極和晶體管四的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管四的正極接在電源負(fù)極上，所述的四個(gè)HCPL3120芯片的VO引腳7均接在NC引腳6上，NC引腳1、K引腳3和NC引腳4均接地，HCPL3120芯片一、ニ、三、四的NC引腳6分別與所述晶體管一、ニ、三、四的柵極相連，所述的四個(gè)ニ極管構(gòu)成橋式電路，橋式電路的兩個(gè)輸入端一和二分別接在晶體管一的源極和晶體管ニ的漏極之間、晶體管三的源極和晶體管四的漏極之間，橋式電路的輸出端一與一取樣電阻串聯(lián)，取樣電阻與一補(bǔ)償線圈串聯(lián)，補(bǔ)償線圈的另一端接在晶體管ニ的源極和晶體管三的漏極之間，在電源正極與橋式電路另ー輸出端ニ之間分別并聯(lián)有ー電容器一和一有極性電容器一，該有極性電容器一的正極接電源正極，負(fù)極接橋式電路的輸出端ニ，在橋式電路的輸出端ニ與電源負(fù)極之間分別并聯(lián)有一電容器ニ和有極性電容器ニ，該有極性電容器ニ的正極接橋式電路的輸出端ニ，負(fù)極接電源負(fù)極，電容器一和ニ經(jīng)過橋式電路的輸出 端二相連接，有極性電容器一的負(fù)極和有極性電容器ニ的正極經(jīng)過橋式電路的輸出端二相連，所需的電壓從橋式電路的輸出端ニ輸出；所述的方波信號產(chǎn)生電路包括兩個(gè)比較器和四個(gè)非門電路，所述的運(yùn)放四的輸出端分別接比較器的同相輸入端，所述的輸出的正向載波信號和負(fù)向載波信號分別接比較器ー和ニ的反相輸入端，有ー電容器三的一端與比較器一的同相輸入端相連，另一端接地，有ー電容器四的一端與比較器ー的反相輸入端相連，另一端接地，有ー電容器五的一端與比較器ニ的反相輸入端相連，另一端接地，比較器ー的輸出端通過電阻一與非門電路ー的輸入端相連，有一電阻ニ的一端接在比較器ー的輸出端與電阻一之間，電阻ニ的另一端接電源正極，有一二極管五一的正極與一二極管五ニ的負(fù)極相連并共同接在電阻一與非門電路ー輸入端之間，ニ極管五一的負(fù)極接+5V電源，ニ極管五ニ的正極接地，非門電路ー的輸出端分別與ー電阻三和非門電路ニ的輸入端相連接，電阻三的兩端并聯(lián)一二極管六，ニ極管六的負(fù)極接在電阻三與非門電路ー的輸出端之間，電阻三與ニ極管六正極相連的一端有方波信號三輸出，ー電容器六的一端與ニ極管六的正極和電阻三的交點(diǎn)相連，電容器六的另一端接地；所述非門電路ニ的輸出端與電阻四相連接，電阻四與一二極管七相并聯(lián)，ニ極管七的負(fù)極接在非門電路ニ的輸出端和電阻四之間，電阻四與ニ極管七的正極相連的一端有方波信號ー輸出，有ー電容器七的一端與ニ極管七的正極和電阻四的交點(diǎn)相連，電容器七的另一端接地；所述比較器ニ的輸出端通過電阻五與非門電路三的輸入端相連，有ー電阻六的一端接在比較器ニ的輸出端與電阻五之間，電阻六的另一端接電源正極，有一二極管八一的正極與一二極管八ニ的負(fù)極相連并共同接在電阻五與非門電路三輸入端之間，ニ極管八一的負(fù)極接+5V電源，ニ極管八ニ的正極接地，非門電路三的輸出端分別與ー電阻七和非門電路四的輸入端相連接，電阻七的兩端并聯(lián)一二極管九，ニ極管九的負(fù)極接在電阻七與非門電路三的輸出端之間，電阻七與ニ極管九正極相連的一端有方波信號四輸出，ー電容器八的一端與ニ極管九的正極和電阻七的交點(diǎn)相連，電容器八的另一端接地；所述非門電路四的輸出端與電阻八相連接，電阻八與一二極管十相并聯(lián)，ニ極管十的負(fù)極接在非門電路四的輸出端和電阻八之間，電阻八與ニ極管十的正極相連的一端有方波信號ニ輸出，有ー電容器九的一端與ニ極管十的正極和電阻八的交點(diǎn)相連，電容器九的另一端接地；所述的方波信號一、ニ、三、四分別進(jìn)入所述HCPL3120芯片一、ニ、三、四的A引腳2中。
本發(fā)明的特征還在于所述的四個(gè)晶體管均為絕緣柵雙極型晶體管；所述的正向載波信號和負(fù)向載波信號的波形均為等腰三角形。本發(fā)明的工作原理
I、載波三角形的生成以及調(diào)整利用信號發(fā)生電路生成PWM的載波，一般是等腰三角形波形，考慮到電流傳感器需要一定的頻率響應(yīng)要求，需要控制器需要更高的響應(yīng)速率，本發(fā)明的控制器的載波頻率為IOOKHz。本發(fā)明的電流傳感器是測量雙向電流，那么PWM的控制載波也要設(shè)計(jì)成雙向載波電路。2、霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)的設(shè)計(jì)當(dāng)傳感器一次側(cè)有電流信號時(shí)，霍爾原件便能感應(yīng)出電壓，利用差分放大電路對霍爾電壓信號進(jìn)行采集，并通過負(fù)反饋PID控制參數(shù)的調(diào)整，輸出合適的反饋電壓。反饋電壓與載波三角波的相交，相交點(diǎn)的時(shí)刻就能控制對應(yīng)的晶體管的通斷，從而能給相應(yīng)的補(bǔ)償線圈供電，來實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)磁芯的零磁通效果。3、三電平電路的電路結(jié)構(gòu)本發(fā)明的主回路結(jié)構(gòu)式基于三電平電路設(shè)計(jì)，在一次側(cè)正向電流時(shí)，通過上述電路的運(yùn)算，晶體管一、ニ、三相應(yīng)導(dǎo)通，輸出正向電壓，補(bǔ)償線圈產(chǎn)生正向電流，補(bǔ)償一次側(cè)產(chǎn)生的磁場實(shí)現(xiàn)零磁通。在一次側(cè)負(fù)向電流時(shí)晶體管四、三、ニ相應(yīng)導(dǎo)通，輸出負(fù)向電壓，補(bǔ)償線圈產(chǎn)生負(fù)向電流，補(bǔ)償一次側(cè)產(chǎn)生的磁場實(shí)現(xiàn)零磁通。4、輸出取樣補(bǔ)償電流的測量方法，在補(bǔ)償回路串入取樣電阻，采集取樣電壓來獲得準(zhǔn)確的電流值。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明設(shè)計(jì)了雙向載波電路，構(gòu)成了雙極性電流傳感器；本發(fā)明能測量大電流且測量電流信號的頻率高，成本低，解決了大電流情況下晶體管的大功耗散熱和電壓等級提高的影響的問題。


圖I為PWM載波三角形的生成以及調(diào)整電路。圖2為霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路。圖3為三電平電路。圖4為方波信號的產(chǎn)生電路。圖5為本發(fā)明傳感器測量正向電流信號輸出波形。圖6為本發(fā)明傳感器測量負(fù)向電流信號輸出波形。圖7為本發(fā)明傳感器測量交流50Hz電流示波圖。
具體實(shí)施例方式一種零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器，包括有PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路、霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路、三電平電路和方波信號的產(chǎn)生電路；所述的PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路如圖I所示，包括一個(gè)芯片AP2001U1和運(yùn)放ー U2A、運(yùn)放ニ U2B、運(yùn)放三U2C，所述的芯片AP2001U1的CT引腳上串接一電容器C1，RT引腳上串接一滑動變阻器WR1，所述電容器Cl和滑動變阻器WRl的另一端均接地，在CT引腳產(chǎn)生的載波信號TR1WAVE分別經(jīng)過ー電容器C4進(jìn)入所述運(yùn)放一 U2A的同相輸入端，ー電阻R4s —端接運(yùn)放ー U2A的同相輸入端,一端接地,運(yùn)放ー U2A的反相輸入端接地，在反相輸入端和輸出端并聯(lián)ー滑動變阻器RP3，運(yùn)放ー U2A的電源正、負(fù)極分別經(jīng)過ー電容器C5接地，運(yùn)放ー U2A的輸出端接所述運(yùn)放ニ U2B的同相輸入端，運(yùn)放ニ U2B的反相輸入端與一滑動變阻器RP2串聯(lián)，滑動變阻器RP2的兩端分別接電源正負(fù)極，電源負(fù)極和滑動變阻器RP2之間并聯(lián)ー電容器C7，運(yùn)放ニ U2B的輸出端接所述運(yùn)放三U2C的反相輸入端，運(yùn)放三U2C的同相輸入端接地，負(fù)向載波信號TRI-在運(yùn)放ニ U2B的輸出端輸出，正向載波信號TRI+在運(yùn)放三U2C的輸出端輸出，形成大小相等方向相反的雙向載波信號；所述的霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路如圖2所示，包括ー差動放大電路和負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路，所述的差動放大電路的輸出端與負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路中的運(yùn)放四U4B的反相輸入端相連，運(yùn)放四U4B的同相輸入端接地，在反相輸入端與輸出端之間并 聯(lián)ー阻抗器Zf，在運(yùn)放四U4B的輸出端輸出反饋電壓VERR ;所述的三電平電路如圖3所示，包括四個(gè)HCPL3120芯片詘、價(jià)、邯、現(xiàn)、四個(gè)穩(wěn)壓ニ極管21、22、23、24、四個(gè)晶體管Q1、Q2、Q3、Q4、四個(gè)ニ極管D1、D2、D3、D4、兩個(gè)電容器C14、C15和兩個(gè)有極性電容E12、E13，晶體管一 Ql的漏極接電源正扱，晶體管一 Ql的源極接晶體管ニ Q2的漏扱，晶體管ニ Q2的源極接晶體管三Q3的漏扱，晶體管三Q3的源極接晶體管四Q4的漏扱，晶體管四Q4的漏極接電源負(fù)極，穩(wěn)壓ニ極管ー Z1、ニ Z2、三Z3、四Z4的負(fù)極分別接晶體管一 Q1、ニ Q2、三Q3、四Q4的柵極，穩(wěn)壓ニ極管ー Zl的正極接在晶體管一 Ql的源極和晶體管ニ Q2的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管ニ Z2的正極接在晶體管ニ Q2的源極和晶體管三Q3的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管三Z3的正極接在晶體管三Q3的源極和晶體管四Q4的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管四TA的正極接在電源負(fù)極上，所述的四個(gè)HCPL3120芯片的VO引腳7均接在NC引腳6上，NC引腳1、K引腳3和NC引腳4均接地，HCPL3120芯片ー U6、ニ U7、三U8、四U9的NC引腳6分別與所述晶體管一Ql、ニ Q2、三Q3、四Q4的柵極相連，所述的四個(gè)ニ極管DI、D2、D3、D4構(gòu)成橋式電路，橋式電路的兩個(gè)輸入端一 I和ニ 2分別接在晶體管一 Ql的源極和晶體管ニ Q2的漏極之間、晶體管三Q3的源極和晶體管四Q4的漏極之間，橋式電路的輸出端一 3與一取樣電阻J5串聯(lián)，取樣電阻J5與ー補(bǔ)償線圈J4串聯(lián)，補(bǔ)償線圈J4的另一端接在晶體管ニ Q2的源極和晶體管三Q3的漏極之間，在電源正極與橋式電路另ー輸出端ニ 4之間分別并聯(lián)有ー電容器一 C14和一有極性電容器一 E12,該有極性電容器一 E12的正極接電源正極,負(fù)極接橋式電路的輸出端ニ 4,在橋式電路的輸出端ニ 4與電源負(fù)極之間分別并聯(lián)有ー電容器ニ C15和有極性電容器ニ E13，該有極性電容器ニ E13的正極接橋式電路的輸出端ニ 4，負(fù)極接電源負(fù)極，電容器一 C14和ニ C15經(jīng)過橋式電路的輸出端ニ 4相連接，有極性電容器一 E12的負(fù)極和有極性電容器ニ E13的正極經(jīng)過橋式電路的輸出端ニ 4相連，所需的電壓從橋式電路的輸出端ニ 4輸出；所述的方波信號產(chǎn)生電路4所示，包括兩個(gè)比較器U5A、U5B和四個(gè)非門電路U10A、U10B、U10C、U10D，所述的運(yùn)放四U4B的輸出端分別接比較器U5A、U5B的同相輸入端，所述的輸出的正向載波信號TRI+和負(fù)向載波信號TRI-分別接比較器ー U5A和ニ U5B的反相輸入端，有ー電容器三C24的一端與比較器ー U5A的同相輸入端相連,另一端接地,有一電容器四C25的一端與比較器ー U5A的反相輸入端相連,另一端接地,有ー電容器五C26的一端與比較器ニ U5B的反相輸入端相連,另一端接地，比較器ー U5A的輸出端通過電阻一R19與非門電路一UlOA的輸入端相連，有一電阻ニ R17的一端接在比較器ーUlOA的輸出端與電阻ー R19之間，電阻ニ R17的另一端接電源正極，有一二極管五一 D51的正極與一二極管五ニ D52的負(fù)極相連并共同接在電阻ー R19與非門電路ー UlOA輸入端之間，ニ極管五一D51的負(fù)極接+5V電源，ニ極管五ニ D52的正極接地，非門電路一 UlOA的輸出端分別與ー電阻三R2s和非門電路ニ UlOC的輸入端相連接，電阻三R2s的兩端并聯(lián)一二極管六D6，ニ極管六D6的負(fù)極接在電阻三R2s與非門電路一 UlOA的輸出端之間，電阻三R2s與ニ極管六D6正極相連的一端有方波信號三PWM3輸出，ー電容器六C16的一端與ニ極管六D6的正極和電阻三R2s的交點(diǎn)相連，電容器六C16的另一端接地；所述非門電路ニ UlOC的輸出端與電阻四R29相連接，電阻四R29與一二極管七D12相并聯(lián)，ニ極管七D12的負(fù)極接在非門電路ニ UlOC的輸出端和電阻四R29之間，電阻四R29與ニ極管七D12的正極相連的一端有方波信號一 PWMl輸出，有ー電容器七C17的一端與ニ極管七D12的正極和電阻四R29的交點(diǎn)相連，電容器七C17的另一端接地；所述比較器ニ U5B的輸出端通過電阻五R20與非門電路 三UlOB的輸入端相連，有一電阻六R18的一端接在比較器ニ U5B的輸出端與電阻五之間，電阻六R18的另一端接電源正極，有一二極管八一 D81的正極與一二極管八ニ D82的負(fù)極相連并共同接在電阻五R20與非門電路三UlOB輸入端之間，ニ極管八一 D81的負(fù)極接+5V電源，ニ極管八ニ D82的正極接地，非門電路三UlOB的輸出端分別與ー電阻七R30和非門電路四UlOD的輸入端相連接，電阻七R30的兩端并聯(lián)一二極管九D7，ニ極管九D7的負(fù)極接在電阻七R30與非門電路三UlOB的輸出端之間，電阻七R30與ニ極管九D7正極相連的一端有方波信號四PWM4輸出，ー電容器八C18的一端與ニ極管九D7的正極和電阻七R30的交點(diǎn)相連，電容器八C18的另一端接地；所述非門電路四UlOD的輸出端與電阻八R31相連接，電阻八R31與一二極管十D9相并聯(lián)，ニ極管十D9的負(fù)極接在非門電路四UlOD的輸出端和電阻八R31之間，電阻八R31與ニ極管十D9的正極相連的一端有方波信號ニ PWM2輸出，有ー電容器九C19的一端與ニ極管十D9的正極和電阻八R31的交點(diǎn)相連，電容器九C19的另一端接地；所述的方波信號一 PWM1、ニ PWM2、三PWM3、四PWM4分別進(jìn)入所述HCPL3120芯片ー U6、ニ U7、三U8、四U9的A引腳2中。其中所述的四個(gè)晶體管均為絕緣柵雙極型晶體管；所述的正向載波信號TRI+和負(fù)向載波信號TRI-的波形均為等腰三角形。利用PWM載波三角形的生成電路生成PWM的載波信號，將載波信號TR1WAVE傳輸進(jìn)調(diào)整電路，經(jīng)過運(yùn)放一 U2A對載波信號幅值進(jìn)行放大，運(yùn)放ニ U2B將放大后的載波進(jìn)行向上的偏移，兩個(gè)運(yùn)放共同作用下，調(diào)整出一個(gè)負(fù)向幅值的載波信號即負(fù)向載波信號TRI-，從運(yùn)放ニ U2B的輸出端輸出，經(jīng)過運(yùn)放三U2C構(gòu)成的反向電路，將負(fù)向載波信號TRI-變成正向載波信號TRI+，從運(yùn)放三U2C的輸出端輸出，正向載波信號TRI+和負(fù)向載波信號TRI-形成大小相等方向相反的雙向載波信號；傳感器工作時(shí),一次側(cè)有電流II，在傳感器的磁芯中會有磁通，霍爾元件就會感應(yīng)出相對應(yīng)的電壓值，利用差分放大電路對霍爾電壓信號VHALL+和VHALL-進(jìn)行采集，并通過負(fù)反饋PID控制參數(shù)的調(diào)整，輸出合適的反饋電壓VERR ;將生成的載波信號和反饋電壓VERR通入方波信號的產(chǎn)生電路中，載波信號與反饋電壓VERR相交,相交點(diǎn)控制方波信號的產(chǎn)生電路產(chǎn)生四種不同的方波信號,將四種方波信號分別通入三電平電路來控制四個(gè)晶體管的通斷，假設(shè)反饋電壓VERR是正向吋，TRI+是正向載波，經(jīng)過比較器ー U5A的比較后，輸出就是正反幅值為15V的方波信號，經(jīng)過非門電路UlOA和UlOC對方波的整形處理，便會輸出0-5V的方波信號PWMl、PWM3，這就是所謂的PWM控制信號，PWM信號能控制三電平主回路的晶體管Ql Q4的導(dǎo)通和截止，高電平5V導(dǎo)通，低電平OV截止。同時(shí)對應(yīng)的比較器ニ U5B也會產(chǎn)生方波信號PWM2、PWM4。在測量正向電流時(shí)PWM信號控制晶體管Ql、Q2、Q3相應(yīng)導(dǎo)通，向補(bǔ)償線圈J4輸出正向電壓，補(bǔ)償線圈J4產(chǎn)生正向電流產(chǎn)生與一次側(cè)相反的磁場以抵消原磁場，實(shí)現(xiàn)零磁通。同時(shí)電流流過取樣電阻J5，通過采集電壓降，獲得二次電流值12。傳感器內(nèi)磁芯的零磁通效果，通過磁勢方程，原付邊的匝數(shù)已知N1=1，N2=6000，那么只要測量出付邊的12補(bǔ)償電流的大小，就能知道一次側(cè)電流的大小。這就是零磁通霍爾大電流傳感器的簡單工作原理。一次側(cè)負(fù)向電流時(shí)，晶體管Q4、Q3、Q2相應(yīng)導(dǎo)通,輸出負(fù)向電壓,補(bǔ)償線圈產(chǎn)生負(fù)向電流抵消原磁場,這就是雙極性電流傳感器的工作原理。如圖5所示，傳感器測量正向電流信號輸出波形，具體數(shù)值如下表 名稱 I游標(biāo)I I游標(biāo)I差值 Ch35(V) -12.93m 4.431 -4.444 X 軸 り1:18. 592 101:18.836 [ 244. 3ms
可知 N2=6000，12=4. 444A，那么被測電流 11=4. 444*6000/l=26664A。如圖6所示，本發(fā)明傳感器測量負(fù)向電流信號輸出波形，具體數(shù)值如下表
名稱 I游標(biāo)I I游標(biāo)2 I差值Ch35(V) 5.303m —5.171 5. 176X 軸 1=2. 632s I= 2. 860s 228. Ims
可知N2=6000，測量負(fù)向電流吋，12=-5. 176A，那么被測電流
11=-5. 176*6000/1=31056A。如圖7所示，傳感器測量交流50Hz電流示波圖，CHl是原邊輸出的電流峰值Il=IOA(泰克公司電流探頭，IOOmV—〉1A)，原邊匝數(shù)為857匝，付邊的輸出峰值I2=1.46V/1Q=1.46A,付邊匝數(shù)為6000匝。原邊磁勢I1N1=857*10=8570，付邊磁勢I2N2=1. 46*6000=8760，原付邊磁勢基本相等。這是等效大電流交流源的測試方法，磁路上
存在一定的誤差，結(jié)果也有誤差。
權(quán)利要求
1.一種零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器，其特征在于包括有PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路、霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路、三電平電路和方波信號的產(chǎn)生電路；所述的PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路包括一個(gè)芯片AP2001和運(yùn)放一、運(yùn)放ニ、運(yùn)放三，所述的芯片AP2001的CT引腳上串接ー電容器，RT引腳上串接一滑動變阻器，所述電容器和滑動變阻器的另一端均接地，在CT引腳產(chǎn)生的載波信號分別經(jīng)過ー電容器進(jìn)入所述運(yùn)放一的同相輸入端，ー電阻一端接運(yùn)放ー的同相輸入端，一端接地，運(yùn)放ー的反相輸入端接地，在反相輸入端和輸出端并聯(lián)ー滑動變阻器，運(yùn)放ー的電源正、負(fù)極分別經(jīng)過ー電容器接地，運(yùn)放ー的輸出端接所述運(yùn)放ニ的同相輸入端，運(yùn)放ニ的反相輸入端與一滑動變阻器串聯(lián)，滑動變阻器的兩端分別接電源正負(fù)極，電源負(fù)極和滑動變阻器之間并聯(lián)ー電容器，運(yùn)放ニ的輸出端接所述運(yùn)放三的反相輸入端，運(yùn)放三的同相輸入端接地，負(fù)向載波信號在運(yùn)放ニ的輸出端輸出，正向載波信號在運(yùn)放三的輸出端輸出，形成大小相等方向相反的雙向載波信號；所述的霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路包括一差動放大電路和負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路,所述的差動放大電路的輸出端與負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路中的運(yùn)放四的反相輸入端相連，運(yùn)放四的同相輸入端接地，在反相輸入端與輸出端之間并聯(lián)一阻抗器；所述的三電平電路包括四個(gè)HCPL3120芯片、四個(gè) 穩(wěn)壓ニ極管、四個(gè)晶體管、四個(gè)ニ極管、兩個(gè)電容器和兩個(gè)有極性電容，晶體管一的漏極接電源正扱，晶體管一的源極接晶體管ニ的漏扱，晶體管ニ的源極接晶體管三的漏扱，晶體管三的源極接晶體管四的漏極，晶體管四的漏極接電源負(fù)極，穩(wěn)壓ニ極管一、ニ、三、四的負(fù)極分別接晶體管一、ニ、三、四的柵極，穩(wěn)壓ニ極管ー的正極接在晶體管一的源極和晶體管ニ的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管ニ的正極接在晶體管ニ的源極和晶體管三的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管三的正極接在晶體管三的源極和晶體管四的漏極之間，穩(wěn)壓ニ極管四的正極接在電源負(fù)極上，所述的四個(gè)HCPL3120芯片的VO引腳7均接在NC引腳6上，NC引腳I、K引腳3和NC引腳4均接地，HCPL3120芯片一、ニ、三、四的NC引腳6分別與所述晶體管一、ニ、三、四的柵極相連，所述的四個(gè)ニ極管構(gòu)成橋式電路，橋式電路的兩個(gè)輸入端一和二分別接在晶體管一的源極和晶體管ニ的漏極之間、晶體管三的源極和晶體管四的漏極之間，橋式電路的輸出端一與一取樣電阻串聯(lián)，取樣電阻與一補(bǔ)償線圈串聯(lián)，補(bǔ)償線圈的另一端接在晶體管ニ的源極和晶體管三的漏極之間，在電源正極與橋式電路另ー輸出端ニ之間分別并聯(lián)有一電容器一和一有極性電容器一，該有極性電容器一的正極接電源正極，負(fù)極接橋式電路的輸出端ニ，在橋式電路的輸出端ニ與電源負(fù)極之間分別并聯(lián)有ー電容器ニ和有極性電容器ニ，該有極性電容器ニ的正極接橋式電路的輸出端ニ，負(fù)極接電源負(fù)極，電容器一和ニ經(jīng)過橋式電路的輸出端二相連接，有極性電容器一的負(fù)極和有極性電容器ニ的正極經(jīng)過橋式電路的輸出端二相連，所需的電壓從橋式電路的輸出端ニ輸出；所述的方波信號產(chǎn)生電路包括兩個(gè)比較器和四個(gè)非門電路，所述的運(yùn)放四的輸出端分別接比較器的同相輸入端，所述的輸出的正向載波信號和負(fù)向載波信號分別接比較器ー和ニ的反相輸入端，有ー電容器三的一端與比較器ー的同相輸入端相連,另一端接地，有ー電容器四的一端與比較器ー的反相輸入端相連，另一端接地，有ー電容器五的一端與比較器ニ的反相輸入端相連，另ー端接地，比較器ー的輸出端通過電阻一與非門電路ー的輸入端相連，有一電阻ニ的一端接在比較器ー的輸出端與電阻一之間，電阻ニ的另一端接電源正極，有一二極管五一的正極與一二極管五ニ的負(fù)極相連并共同接在電阻一與非門電路ー輸入端之間，ニ極管五一的負(fù)極接+5V電源，ニ極管五ニ的正極接地，非門電路ー的輸出端分別與ー電阻三和非門電路ニ的輸入端相連接，電阻三的兩端并聯(lián)一二極管六，ニ極管六的負(fù)極接在電阻三與非門電路ー的輸出端之間，電阻三與ニ極管六正極相連的一端有方波信號三輸出，ー電容器六的一端與ニ極管六的正極和電阻三的交點(diǎn)相連，電容器六的另一端接地；所述非門電路ニ的輸出端與電阻四相連接，電阻四與一二極管七相并聯(lián)，ニ極管七的負(fù)極接在非門電路ニ的輸出端和電阻四之間，電阻四與ニ極管七的正極相連的一端有方波信號ー輸出，有一電容器七的一端與ニ極管七的正極和電阻四的交點(diǎn)相連，電容器七的另一端接地；所述比較器ニ的輸出端通過電阻五與非門電路三的輸入端相連，有一電阻六的一端接在比較器ニ的輸出端與電阻五之間，電阻六的另一端接電源正極，有一二極管八一的正極與一二極管八ニ的負(fù)極相連并共同接在電阻五與非門電路三輸入端之間，ニ極管八一的負(fù)極接+5V電源，ニ極管八ニ的正極接地，非門電路三的輸出端分別與ー電阻七和非門電路四的輸入端相連接，電阻七的兩端并聯(lián)一二極管九，ニ極管九的負(fù)極接在電阻七與非門電路三的輸出端之間，電阻七與ニ極管九正極相連的一端有方波信號四輸出，ー電容器八的一端與ニ極管九的正極和電阻七的交點(diǎn)相連，電容器八的另一端接地；所述非門電路四的輸出端與電阻八相連接，電阻八與一二極管十相并聯(lián)，ニ極管十的負(fù)極接在非門電路四的輸出端和電阻八之間，電阻八與ニ極管十的正極相連的一端有方波信號ニ輸出，有ー電容器九的一端與ニ極管十的正極和電阻八的交點(diǎn)相連，電容器九的另一端接地；所述的方波信號一、ニ、三、四 分別進(jìn)入所述HCPL3120芯片一、ニ、三、四的A引腳2中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器，其特征在于所述的四個(gè)晶體管均為絕緣柵雙極型晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器，其特征在干所述的正向載波信號和負(fù)向載波信號的波形均為等腰三角形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種零磁通霍爾大電流傳感器的PWM三電平數(shù)字控制器，包括有PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路、霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路、三電平電路和方波信號的產(chǎn)生電路；利用PWM載波三角形的生成及其調(diào)整電路生成正向載波信號和負(fù)向載波信號，霍爾片信號的采集以及負(fù)反饋PID控制參數(shù)電路利用差分放大電路對霍爾電壓信號進(jìn)行采集，并通過負(fù)反饋PID控制參數(shù)的調(diào)整，輸出合適的反饋電壓，反饋電壓與載波信號相交，相交點(diǎn)的時(shí)刻控制生成不同的方波信號，方波信號控制三電平電路中的四個(gè)晶體管的通斷，輸出電壓，補(bǔ)償線圈產(chǎn)生電流，測出電流值。本發(fā)明能測量大電流且測量電流信號的頻率高，成本低，解決了大電流情況下晶體管的大功耗散熱和電壓等級提高的影響的問題。
文檔編號G01R15/20GK102854373SQ20121012518
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者王林森, 王付勝 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所