论文部分内容阅读
摘 要：我们要研究能测量中、高频、高di/dt的传感器。本文研究的一种霍尔电流传感器可以达到，通过比较分析霍尔原理后提出使用闭环霍尔效应传感器，分析了闭环霍尔效应传感器的工况及其在车辆上的应用。然后对传感器进行了改进。闭环霍尔传感器在车辆中的应用实现了对车辆主电路的分离检测，通过调整和整定输出变量，直接检测出主电源的输出变量，保护主电路不受负载端所影响。
关键词：闭环；霍尔效应；传感器；检测
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0206-02
前 言
霍尔效应传感器是测量仪器与检测物存在紧密关系的部位，其用途是感知被检测物的变量，从而向其中采取检测的情况，进一步变换出需要的输出信号量。
非电量的采集一般有电测法，首先将各种非电量转变为电量，然后经过一系列的处理，将非电量信号显现给下级，其原理图如图1。
1 地铁电气系统中传感器概述
1.1 地铁电气系统中传感器的概况
地铁传感器大量应用模拟电压信号，对电流、电压等信号，放大、整形、线性化到相对的值，再用仪表检测数值。计算机技术崛起后，产生“模数转换器”，把这些模拟电压值再转变成数字。我国传感器技术目前还不够先进，传感器应该模拟电压时代直接进入数字时代。目前中国是世界传感器技术的发展中国家，随着研发的深入，很快就会赶上发达国家水平。
在欧美国家，信号源转换成电压，再转换成数字。中国的传感器可直接把被检测信号源转换成数字。如Z、W系列传感器、分段电容传感器等可以直接馈出数字信号。主要性能是简易、造价低、误差小、防扰度高。近年新功能的传感器种类研发出越来越多，体积越来越小，性能越先进，主要体现在以下方面：
（1）传感器误差越来越小、设计寿命长、稳定性高等。
（2）检测领域越来越广。
（3）微型度、智能度高。
地铁电气系统中传感器的发展迎合了微机普及时代，将会有更大的进步。
1.2 地铁电气系统中霍尔效应传感器的现状分析
车辆主电路的测量及控制能决定牵引车辆的稳定性，主电路会因过载而发生电源跳闸或烧毁。所以，对地铁主电路进行控制是必须的。
早期的机车如SS1型、SS3型采用了直流互感器来反馈电流和电压信号。直流互感器体型大反应慢，线性度差，易受外磁场的影响，而且要使用交流电，极为不便。
需要研究能测量中、高频、高di/dt的传感器。霍尔电流传感器将电信号转换成标准信号最后转换成磁信号，其可靠性、灵敏度得到广泛的应用。检测电流电压时，霍尔元件比其它传感器具有更好的性能；不受灰尘的影响，无触点抖动，自身固有滞环；和伴随的磁铁不会随时间和温度改变；可工作在-40～+150℃的温度下；工作电压从4.5～24V，可做成线性元件和数字元件，数字元件的开关次数不受限制，其和电子控制线路的接口可以是一个上拉电阻。可在恶劣环境中工作。
1.3 本文研究的主要内容
本文主要是采用闭环霍尔传感器实现对地铁车辆主电路监测和控制，其主要内容如下：
（1）地铁电气系统中传感器概述
介绍地铁电气系统中传感器发展概况，并指出闭环霍尔电流传感器的发展前景。
（2）地铁电气系统中霍尔电流传感器应用分析
分析霍尔电流传感器的工作原理，比较开环和闭环霍尔电路的优缺点，研究采用閉环霍尔电流传感器并介绍其在地铁主电路输出电流的隔离测量和控制。
（3）闭环霍尔电流传感器的改进
针对地铁电气系统中传感器的使用情况，依据闭环霍尔电流传感器的工作原理，对传感器主电路进行改进。
2 地铁电气系统中霍尔电流传感器的应用分析
用一根导线做个实验，当电流流过导线时，导线周围就会产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小：
I∝B∝UH
式中，I为通过导线中的电流；B为导线通电流后产生的磁感应强度；UH为霍尔器件在磁场中产生的电压。选择适当的比例系数，上述关系可表示为等式。
对于霍尔输出电压UH的处理，可分为两类：①开环（或称直测式、直检式）霍尔电流传感器；②闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电流传感器。
2.1 开环霍尔电流传感器（又称直检式）
霍尔传感器电路最简单是将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接放大，得到所需要的电压信号，由此电压值来标定原边被测电流的大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。
霍尔器件的馈出给显示屏或万用表等，可由电压数值按比例得出电流值。对直流、交流和各种波形的电流可以监测。
2.2 闭环霍尔电流传感器（又称磁平衡式）
为开环传感器的改进产品，其中地铁电气系统中也普遍使用这种闭环霍尔电流传感器。
磁平衡式的工作原理如图2所示，即原边IN磁场圈流经副边IM生成的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时：
N×IN=n×IM
IN为原边电流；N为原边线圈的匝数；IM为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。
当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算原边电流的隔离测量。
闭环霍尔电流传感器在地铁主电路中的应用对系统输出电流的分离检测，传感器与主电路的信号之间绝对分离开来的，方便对传感器获取的信号的进行处理，通过调整和整定，达到整定值的电流时，电流保持恒定，提供更稳定可靠的电源。 2.3 闭环霍尔电流传感器的主要性能
闭环霍尔电流传感器测量与计算方法比较先进。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：
（1）可同一时间测量不同形式的电量；
（2）绝缘电压一般为2～12kV；
（3）线性度优于0.1%IN；
（4）频率响应范围为0～100kHz。
2.4 在地铁车辆牵引逆变器中的应用
闭环霍尔电流传感器已大量应用于地铁车辆牵引逆变器中电气隔离电流监测，如图3，三相逆变电路由3组带无功反馈的二极管的IGBT组成，电路工作时开关管得到适合的电压调压信号，牵引逆变器包括三个相模块，每个模块代表牵引逆变器的一个相支路，LH13、LH13电流传感器典型的应用在牵引逆变器上，型号是LF2000-S/SP3，用于检测电机相线电流，通过设置LH13、LH13的输出信号，对牵引电机1M01、1M02的输入电流加以限制，避免U、V相线的输出功率过高导致牵引电机发生故障或损坏，保证牵引电机的正常工作。由于高的精度和dv/dt抑制力。其优势在于：高线性度，非常适合电机电流测量；又具短路保护的快速响应性，能保护短路和漏电；而良好的温度稳定性，适合精确的可重复的测量以及对于长距离电机接线的强电容电流變化的抑制能力。
3 霍尔电流传感器改进方法
3.1 改进思维
开环式霍尔传感器准确度不高，主要是因为影响霍尔电势的因素很多，如控制电流的波动，温度的变化，外磁场的干扰以及霍尔元件与被载流导体之间的位置的微小变化等等都可以影响霍尔元件的输出电势，稳定性不够好，而闭环霍尔传感器则克服了这些缺点。因此，针对当前地铁用车紧张，负荷大、幅度大导致电流不断变化的情况，本次我们设计闭环霍尔电流传感器，采用霍尔磁平衡原理，即将二次电流产生的磁场与一次电流产生的磁场相互抵消，使得霍尔元件感应到的磁场为零；若不为零，霍尔元件则输出电压信号，此信号通过闭环电路反馈电流对二次电流进行补偿，使磁场动态平衡，实现高灵敏度，可以分离测量任意波形电流，响应速度快，如图4。
3.2 工作原理
传感器的主电路为？准85的空心圆孔母排穿插而过，母排中可流过大电流，并在母排周围形成强磁场HP，磁场聚集并影响霍尔元件，触发信号。信号经放大器、晶体管放大，触发功率管导通，形成电流IS，IS经过感应线圈NS，形成方向与主电路磁场HP反向磁场HS，二磁场中和，最后HP和HS达到磁场平衡，IS不变，电路放大一定值，敏感元件B达到零磁通。形成动态平衡，主电路变化时，敏感元件B形成输出，对应的信号对二次电路补偿，实现传感器的闭环控制。因此二次侧电流的安匝数与一次侧电流的安匝数相等：
NPIP=NSIS
由于传感器一次侧的线圈为1匝（即穿心母线），二次侧匝数为4000匝：
IP=NSIS/NP=NSIS
3.3 本改进措施达到的效果
本改进具备闭环霍尔电流传感器的优点，即频带宽，测试精度高，响应时间短，电流测量范围宽，一次二次电路分离，安全性高，完成采集任意波形电流。
此外，在电路上做了性能的改进，采用了对称电源电路，这与目前在干线机车上大量使用的TQG4A电流传感器相反。
倘若采用不对称电源电路，则放大器N1需要另外的电源供电，将使得外部接线变得复杂，如图5。
4 结束语
闭环霍尔电流传感器实现了一次二次电流的隔离测量，可靠性灵敏度高，在地铁车辆主电路中得到了广泛的应用。
本文通过比较开闭环霍尔电流传感器的工作原理，发现开环霍尔电流传感器尽管造价低，但灵敏度，温漂大，响应速度慢，这些缺点限制了它的使用范围；而闭环霍尔电流传感器在开环电路的基础上加了一个闭环反馈控制，采用磁平衡工作原理，利用二次线圈的补偿电流来维持磁场的动态平衡，提升了传感器的性能。之后本文还介绍了闭环霍尔电流传感器如何实现对地铁车辆牵引逆变器中电气隔离电流监测和控制。
文中对闭环霍尔传感器的主电路进行了改进，在改进中采用了对称电源电路，利用对称电源电路与传感器的供电电压可以维持内部放大器两端的电压不变，简化了外部接线，方便在实际中的使用。
参考文献
[1]曲宏泽.霍尔效应磁敏传感器及其应用.自动化仪表，1997，18（10）.
[2]张礼林.国内外霍尔线性传感器的性能及应用.内燃机燃油喷射和控制，1997，12（4）.
[3]王苏生.机车用电流和电压传感器.机车电传动，1997，5（3）.
[4]郑一杏.霍尔传感器及其应用.电子产品世界，1996，18（6）.
[5]吴腾奇.霍尔传感器及其应用.传感器世界，1997，10（1）.
[6]王亦军.霍尔传感器.电气时代，2000，27（10）.
[7]李文武.直检式与磁平衡式霍尔电流传感器的比较.电力电子技术，1997，8（4）.
[8]张 宁.磁平衡式霍尔电传感器.电力机车技术，1996，43（4）.
[9]李泽勇.闭环霍尔电流传感器在逆变焊机中的应用.机械工人（热加工），2006，1（1）.
收稿日期：2018-10-2
作者简介：龚远发（1984-），男，汉族，广东珠海人，工程师，本科，主要从事城市轨道交通车辆设备及供电动照设备的采购评标专家组及技术管理工作。
关键词：闭环；霍尔效应；传感器；检测
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0206-02
前 言
霍尔效应传感器是测量仪器与检测物存在紧密关系的部位，其用途是感知被检测物的变量，从而向其中采取检测的情况，进一步变换出需要的输出信号量。
非电量的采集一般有电测法，首先将各种非电量转变为电量，然后经过一系列的处理，将非电量信号显现给下级，其原理图如图1。
1 地铁电气系统中传感器概述
1.1 地铁电气系统中传感器的概况
地铁传感器大量应用模拟电压信号，对电流、电压等信号，放大、整形、线性化到相对的值，再用仪表检测数值。计算机技术崛起后，产生“模数转换器”，把这些模拟电压值再转变成数字。我国传感器技术目前还不够先进，传感器应该模拟电压时代直接进入数字时代。目前中国是世界传感器技术的发展中国家，随着研发的深入，很快就会赶上发达国家水平。
在欧美国家，信号源转换成电压，再转换成数字。中国的传感器可直接把被检测信号源转换成数字。如Z、W系列传感器、分段电容传感器等可以直接馈出数字信号。主要性能是简易、造价低、误差小、防扰度高。近年新功能的传感器种类研发出越来越多，体积越来越小，性能越先进，主要体现在以下方面：
（1）传感器误差越来越小、设计寿命长、稳定性高等。
（2）检测领域越来越广。
（3）微型度、智能度高。
地铁电气系统中传感器的发展迎合了微机普及时代，将会有更大的进步。
1.2 地铁电气系统中霍尔效应传感器的现状分析
车辆主电路的测量及控制能决定牵引车辆的稳定性，主电路会因过载而发生电源跳闸或烧毁。所以，对地铁主电路进行控制是必须的。
早期的机车如SS1型、SS3型采用了直流互感器来反馈电流和电压信号。直流互感器体型大反应慢，线性度差，易受外磁场的影响，而且要使用交流电，极为不便。
需要研究能测量中、高频、高di/dt的传感器。霍尔电流传感器将电信号转换成标准信号最后转换成磁信号，其可靠性、灵敏度得到广泛的应用。检测电流电压时，霍尔元件比其它传感器具有更好的性能；不受灰尘的影响，无触点抖动，自身固有滞环；和伴随的磁铁不会随时间和温度改变；可工作在-40～+150℃的温度下；工作电压从4.5～24V，可做成线性元件和数字元件，数字元件的开关次数不受限制，其和电子控制线路的接口可以是一个上拉电阻。可在恶劣环境中工作。
1.3 本文研究的主要内容
本文主要是采用闭环霍尔传感器实现对地铁车辆主电路监测和控制，其主要内容如下：
（1）地铁电气系统中传感器概述
介绍地铁电气系统中传感器发展概况，并指出闭环霍尔电流传感器的发展前景。
（2）地铁电气系统中霍尔电流传感器应用分析
分析霍尔电流传感器的工作原理，比较开环和闭环霍尔电路的优缺点，研究采用閉环霍尔电流传感器并介绍其在地铁主电路输出电流的隔离测量和控制。
（3）闭环霍尔电流传感器的改进
针对地铁电气系统中传感器的使用情况，依据闭环霍尔电流传感器的工作原理，对传感器主电路进行改进。
2 地铁电气系统中霍尔电流传感器的应用分析
用一根导线做个实验，当电流流过导线时，导线周围就会产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小：
I∝B∝UH
式中，I为通过导线中的电流；B为导线通电流后产生的磁感应强度；UH为霍尔器件在磁场中产生的电压。选择适当的比例系数，上述关系可表示为等式。
对于霍尔输出电压UH的处理，可分为两类：①开环（或称直测式、直检式）霍尔电流传感器；②闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电流传感器。
2.1 开环霍尔电流传感器（又称直检式）
霍尔传感器电路最简单是将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接放大，得到所需要的电压信号，由此电压值来标定原边被测电流的大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。
霍尔器件的馈出给显示屏或万用表等，可由电压数值按比例得出电流值。对直流、交流和各种波形的电流可以监测。
2.2 闭环霍尔电流传感器（又称磁平衡式）
为开环传感器的改进产品，其中地铁电气系统中也普遍使用这种闭环霍尔电流传感器。
磁平衡式的工作原理如图2所示，即原边IN磁场圈流经副边IM生成的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时：
N×IN=n×IM
IN为原边电流；N为原边线圈的匝数；IM为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。
当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算原边电流的隔离测量。
闭环霍尔电流传感器在地铁主电路中的应用对系统输出电流的分离检测，传感器与主电路的信号之间绝对分离开来的，方便对传感器获取的信号的进行处理，通过调整和整定，达到整定值的电流时，电流保持恒定，提供更稳定可靠的电源。 2.3 闭环霍尔电流传感器的主要性能
闭环霍尔电流传感器测量与计算方法比较先进。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：
（1）可同一时间测量不同形式的电量；
（2）绝缘电压一般为2～12kV；
（3）线性度优于0.1%IN；
（4）频率响应范围为0～100kHz。
2.4 在地铁车辆牵引逆变器中的应用
闭环霍尔电流传感器已大量应用于地铁车辆牵引逆变器中电气隔离电流监测，如图3，三相逆变电路由3组带无功反馈的二极管的IGBT组成，电路工作时开关管得到适合的电压调压信号，牵引逆变器包括三个相模块，每个模块代表牵引逆变器的一个相支路，LH13、LH13电流传感器典型的应用在牵引逆变器上，型号是LF2000-S/SP3，用于检测电机相线电流，通过设置LH13、LH13的输出信号，对牵引电机1M01、1M02的输入电流加以限制，避免U、V相线的输出功率过高导致牵引电机发生故障或损坏，保证牵引电机的正常工作。由于高的精度和dv/dt抑制力。其优势在于：高线性度，非常适合电机电流测量；又具短路保护的快速响应性，能保护短路和漏电；而良好的温度稳定性，适合精确的可重复的测量以及对于长距离电机接线的强电容电流變化的抑制能力。
3 霍尔电流传感器改进方法
3.1 改进思维
开环式霍尔传感器准确度不高，主要是因为影响霍尔电势的因素很多，如控制电流的波动，温度的变化，外磁场的干扰以及霍尔元件与被载流导体之间的位置的微小变化等等都可以影响霍尔元件的输出电势，稳定性不够好，而闭环霍尔传感器则克服了这些缺点。因此，针对当前地铁用车紧张，负荷大、幅度大导致电流不断变化的情况，本次我们设计闭环霍尔电流传感器，采用霍尔磁平衡原理，即将二次电流产生的磁场与一次电流产生的磁场相互抵消，使得霍尔元件感应到的磁场为零；若不为零，霍尔元件则输出电压信号，此信号通过闭环电路反馈电流对二次电流进行补偿，使磁场动态平衡，实现高灵敏度，可以分离测量任意波形电流，响应速度快，如图4。
3.2 工作原理
传感器的主电路为？准85的空心圆孔母排穿插而过，母排中可流过大电流，并在母排周围形成强磁场HP，磁场聚集并影响霍尔元件，触发信号。信号经放大器、晶体管放大，触发功率管导通，形成电流IS，IS经过感应线圈NS，形成方向与主电路磁场HP反向磁场HS，二磁场中和，最后HP和HS达到磁场平衡，IS不变，电路放大一定值，敏感元件B达到零磁通。形成动态平衡，主电路变化时，敏感元件B形成输出，对应的信号对二次电路补偿，实现传感器的闭环控制。因此二次侧电流的安匝数与一次侧电流的安匝数相等：
NPIP=NSIS
由于传感器一次侧的线圈为1匝（即穿心母线），二次侧匝数为4000匝：
IP=NSIS/NP=NSIS
3.3 本改进措施达到的效果
本改进具备闭环霍尔电流传感器的优点，即频带宽，测试精度高，响应时间短，电流测量范围宽，一次二次电路分离，安全性高，完成采集任意波形电流。
此外，在电路上做了性能的改进，采用了对称电源电路，这与目前在干线机车上大量使用的TQG4A电流传感器相反。
倘若采用不对称电源电路，则放大器N1需要另外的电源供电，将使得外部接线变得复杂，如图5。
4 结束语
闭环霍尔电流传感器实现了一次二次电流的隔离测量，可靠性灵敏度高，在地铁车辆主电路中得到了广泛的应用。
本文通过比较开闭环霍尔电流传感器的工作原理，发现开环霍尔电流传感器尽管造价低，但灵敏度，温漂大，响应速度慢，这些缺点限制了它的使用范围；而闭环霍尔电流传感器在开环电路的基础上加了一个闭环反馈控制，采用磁平衡工作原理，利用二次线圈的补偿电流来维持磁场的动态平衡，提升了传感器的性能。之后本文还介绍了闭环霍尔电流传感器如何实现对地铁车辆牵引逆变器中电气隔离电流监测和控制。
文中对闭环霍尔传感器的主电路进行了改进，在改进中采用了对称电源电路，利用对称电源电路与传感器的供电电压可以维持内部放大器两端的电压不变，简化了外部接线，方便在实际中的使用。
参考文献
[1]曲宏泽.霍尔效应磁敏传感器及其应用.自动化仪表，1997，18（10）.
[2]张礼林.国内外霍尔线性传感器的性能及应用.内燃机燃油喷射和控制，1997，12（4）.
[3]王苏生.机车用电流和电压传感器.机车电传动，1997，5（3）.
[4]郑一杏.霍尔传感器及其应用.电子产品世界，1996，18（6）.
[5]吴腾奇.霍尔传感器及其应用.传感器世界，1997，10（1）.
[6]王亦军.霍尔传感器.电气时代，2000，27（10）.
[7]李文武.直检式与磁平衡式霍尔电流传感器的比较.电力电子技术，1997，8（4）.
[8]张 宁.磁平衡式霍尔电传感器.电力机车技术，1996，43（4）.
[9]李泽勇.闭环霍尔电流传感器在逆变焊机中的应用.机械工人（热加工），2006，1（1）.
收稿日期：2018-10-2
作者简介：龚远发（1984-），男，汉族，广东珠海人，工程师，本科，主要从事城市轨道交通车辆设备及供电动照设备的采购评标专家组及技术管理工作。