精密測量直流大電流的自激振蕩磁通門法研究.pdf

1、磁通門電流傳感器作為直流大電流精密測量與反饋元件廣泛用于新能源電動汽車、高鐵動車、智能電網(wǎng)、磁共振成像儀、精密直流大電流測量儀、精密直流大電流源等工業(yè)、醫(yī)療以及精密測試、測量等領(lǐng)域。但是，受國外核心技術(shù)壟斷，目前國內(nèi)大量使用的精密磁通門電流傳感器幾乎全部依賴進口。近年來，自激振蕩磁通門技術(shù)以其電路結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度與激勵頻率和磁芯參數(shù)無關(guān)等諸多優(yōu)點逐漸引起關(guān)注，這為我們突破國外核心技術(shù)封鎖，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型精密電流傳感器提供了一

2、個契機。在上述背景下，本來課題源于國家重大科學儀器設備開發(fā)專項——“寬量限超高精密電流測量儀”（項目編號：2011YQ090004），致力于探索基于自激振蕩磁通門技術(shù)實現(xiàn)直流大電流測量的新方案，基于新方案，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型電流傳感器，打破國外對精密磁通門電流傳感器的壟斷，提高國產(chǎn)儀器的自主創(chuàng)新能力和自我裝備水平。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）在對現(xiàn)有平均電流模型進行深入研究的基礎上，提出了自激振蕩磁通門的占空比模型

3、，即激磁電壓占空比與被測電流之間存在近似線性關(guān)系。分別基于磁化曲線的分段線性函數(shù)模型和反正切函數(shù)模型對其進行了證明，并通過實驗進行了驗證。在此基礎上，分析了平均電流模型與占空比模型的線性度和穩(wěn)定度的主要影響因素及提高措施，為自激振蕩磁通門作為閉環(huán)系統(tǒng)直流零磁通檢測器實現(xiàn)自身線性度和穩(wěn)定度的優(yōu)化設計提供了重要參考。提出的占空比模型為后文建立閉環(huán)系統(tǒng)感應調(diào)制紋波的理論模型，從而研究磁積分器對感應調(diào)制紋波的抑制原理奠定了理論基礎。
　　

4、（2）針對現(xiàn)有閉環(huán)測量方案由于未考慮自激振蕩磁通門自身線性度和穩(wěn)定度、缺乏系統(tǒng)優(yōu)化設計的理論依據(jù)、未考慮調(diào)制紋波引入的測量誤差等導致測量精度難以提高的問題，提出了一種將自激振蕩磁通門技術(shù)與磁積分器技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成新型零磁通閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)直流大電流精密測量的新方案。分析了新方案的基本組成與工作原理，并通過仿真進行了驗證?；诖怕贩?，建立了安匝平衡控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)并推導出便于實際工程應用的直流穩(wěn)態(tài)誤差模型，為提高測量精度，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設計建立

5、了理論依據(jù)。針對濾波解調(diào)電路引起的傳導調(diào)制紋波，采用了通過加入高通濾波器，同時降低激磁電流采樣電阻和激磁電流峰值的抑制方法，并驗證了其有效性；針對變壓器效應引起的感應調(diào)制紋波，提出了使用經(jīng)過優(yōu)化設計的磁積分器同時降低激磁電流頻率的抑制方法，并通過理論計算、電路仿真和對比實驗進行了證明。
　　（3）基于以上研究成果，作為方案驗證，研制了一種600A新型精密電流傳感器，并對其關(guān)鍵性能進行了測試。結(jié)果表明：傳感器的測量精度達到1.3pp

6、m，與現(xiàn)有類似方案達到的最高指標0.2％相比提高了3個數(shù)量級；調(diào)制紋波降至0.12μA，與現(xiàn)有類似方案指標10μA相比降低了83倍；與國外知名商用磁通門電流傳感器對比，關(guān)鍵性能指標已經(jīng)達到甚至超過了國外同類產(chǎn)品水平。
　?。?）針對現(xiàn)有測試用恒流源的長期穩(wěn)定性指標不滿足要求導致新型精密電流傳感器額定電流下的長期比例穩(wěn)定性無法測試的問題，研制了一臺輸出電流為10A、穩(wěn)定度達到9.8×10-8/24h的高穩(wěn)定度恒流源，并基于等安匝法對

7、本文研制的新型精密電流傳感器額定電流下的長期（24小時）比例穩(wěn)定性進行了測試。結(jié)果表明：傳感器額定電流600A下的長期比例穩(wěn)定性達到1.7×10-7/24h。為了實現(xiàn)測試用恒流源的高穩(wěn)定度，基于低頻等效電路模型建立了MOSFET壓控恒流源的嚴密電流方程，為關(guān)鍵部件選型建立了理論依據(jù)；基于高頻等效電路模型分析了多MOSFET并聯(lián)導致恒流源自激振蕩的原因，并設計了相應的頻率補償網(wǎng)絡；在此基礎上，提出了一種基于可調(diào)線性穩(wěn)壓源的調(diào)整管壓降控制方