精密測(cè)量直流大電流的自激振蕩磁通門(mén)法研究.pdf

1、磁通門(mén)電流傳感器作為直流大電流精密測(cè)量與反饋元件廣泛用于新能源電動(dòng)汽車、高鐵動(dòng)車、智能電網(wǎng)、磁共振成像儀、精密直流大電流測(cè)量?jī)x、精密直流大電流源等工業(yè)、醫(yī)療以及精密測(cè)試、測(cè)量等領(lǐng)域。但是，受國(guó)外核心技術(shù)壟斷，目前國(guó)內(nèi)大量使用的精密磁通門(mén)電流傳感器幾乎全部依賴進(jìn)口。近年來(lái)，自激振蕩磁通門(mén)技術(shù)以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度與激勵(lì)頻率和磁芯參數(shù)無(wú)關(guān)等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸引起關(guān)注，這為我們突破國(guó)外核心技術(shù)封鎖，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型精密電流傳感器提供了一

2、個(gè)契機(jī)。在上述背景下，本來(lái)課題源于國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)——“寬量限超高精密電流測(cè)量?jī)x”（項(xiàng)目編號(hào)：2011YQ090004），致力于探索基于自激振蕩磁通門(mén)技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流大電流測(cè)量的新方案，基于新方案，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型電流傳感器，打破國(guó)外對(duì)精密磁通門(mén)電流傳感器的壟斷，提高國(guó)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?jī)?nèi)容如下：
　?。?）在對(duì)現(xiàn)有平均電流模型進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了自激振蕩磁通門(mén)的占空比模型

3、，即激磁電壓占空比與被測(cè)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(duì)其進(jìn)行了證明，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)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(mén)作為閉環(huán)系統(tǒng)直流零磁通檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)自身線性度和穩(wěn)定度的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)調(diào)制紋波的理論模型，從而研究磁積分器對(duì)感應(yīng)調(diào)制紋波的抑制原理奠定了理論基礎(chǔ)。
　　

4、（2）針對(duì)現(xiàn)有閉環(huán)測(cè)量方案由于未考慮自激振蕩磁通門(mén)自身線性度和穩(wěn)定度、缺乏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)、未考慮調(diào)制紋波引入的測(cè)量誤差等導(dǎo)致測(cè)量精度難以提高的問(wèn)題，提出了一種將自激振蕩磁通門(mén)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(shí)現(xiàn)直流大電流精密測(cè)量的新方案。分析了新方案的基本組成與工作原理，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)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(dǎo)出便于實(shí)際工程應(yīng)用的直流穩(wěn)態(tài)誤差模型，為提高測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)建立

5、了理論依據(jù)。針對(duì)濾波解調(diào)電路引起的傳導(dǎo)調(diào)制紋波，采用了通過(guò)加入高通濾波器，同時(shí)降低激磁電流采樣電阻和激磁電流峰值的抑制方法，并驗(yàn)證了其有效性；針對(duì)變壓器效應(yīng)引起的感應(yīng)調(diào)制紋波，提出了使用經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的磁積分器同時(shí)降低激磁電流頻率的抑制方法，并通過(guò)理論計(jì)算、電路仿真和對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了證明。
　　（3）基于以上研究成果，作為方案驗(yàn)證，研制了一種600A新型精密電流傳感器，并對(duì)其關(guān)鍵性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：傳感器的測(cè)量精度達(dá)到1.3pp

6、m，與現(xiàn)有類似方案達(dá)到的最高指標(biāo)0.2％相比提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)；調(diào)制紋波降至0.12μA，與現(xiàn)有類似方案指標(biāo)10μA相比降低了83倍；與國(guó)外知名商用磁通門(mén)電流傳感器對(duì)比，關(guān)鍵性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品水平。
　?。?）針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試用恒流源的長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)不滿足要求導(dǎo)致新型精密電流傳感器額定電流下的長(zhǎng)期比例穩(wěn)定性無(wú)法測(cè)試的問(wèn)題，研制了一臺(tái)輸出電流為10A、穩(wěn)定度達(dá)到9.8×10-8/24h的高穩(wěn)定度恒流源，并基于等安匝法對(duì)

7、本文研制的新型精密電流傳感器額定電流下的長(zhǎng)期（24小時(shí)）比例穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：傳感器額定電流600A下的長(zhǎng)期比例穩(wěn)定性達(dá)到1.7×10-7/24h。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)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(yán)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(dǎo)致恒流源自激振蕩的原因，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；在此基礎(chǔ)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