基于周向陣列的TMR電流傳感器測(cè)量方法*

牟宏杰,許 濤,鐘貽兵,關(guān)業(yè)輝

(山東航天電子技術(shù)研究所,山東 煙臺(tái) 264003)

0 引 言

電流傳感器作為運(yùn)載火箭、飛行器、船舶的供配電系統(tǒng)電性能監(jiān)測(cè)的重要器件,其高精度、小體積和抗干擾能力是重要的技術(shù)指標(biāo)[1]。

當(dāng)前霍爾傳感器是磁敏感電流傳感器應(yīng)用的主流技術(shù),具有制造簡(jiǎn)單、可靠性好、測(cè)量精度優(yōu)的特點(diǎn)[2,3]。隨著供配電系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)精度、體積和工作溫度范圍要求的日益提高,霍爾傳感器集磁環(huán)設(shè)計(jì)以及寬溫區(qū)、高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境下復(fù)雜溫補(bǔ)電路補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方式,某些場(chǎng)合已無法滿足應(yīng)用需求。

除了霍爾器件外,磁敏感器件還有各向異性磁阻(an-isotropic magnetoresistance,AMR)器件、巨磁電阻(giant magnetoresistance,GMR)器件和隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance,TMR)器件[4～6]。較AMR器件和GMR器件,TMR器件在靈敏度、磁場(chǎng)測(cè)量范圍以及工作溫度范圍方面,具備明顯優(yōu)勢(shì)[7～9],基于TMR器件的電流傳感器必然能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器性能的顯著提升[10]。

其中,Donnal J S等人通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了TMR敏感器件應(yīng)用于電流傳感器中可以獲得比霍爾器件大一個(gè)數(shù)量級(jí)的輸出信號(hào)[11]。江蘇多維科技有限公司提出了一種可以改變外磁場(chǎng)方向的聚磁結(jié)構(gòu),為TMR傳感器研制提供了新的設(shè)計(jì)思路[12]。上海工程技術(shù)大學(xué)的李東昇提出了一種基于TMR磁傳感器陣列測(cè)量大電流的方法[13],通過建立傳感器安裝拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)擬合的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度提升,驗(yàn)證了TMR器件應(yīng)用于電流監(jiān)測(cè)的可行性。

本文提出了一種基于周向陣列排布的16-TMR傳感器電流測(cè)量方法。通過周向陣列的TMR排布方式,提高測(cè)量抗干擾能力,并引入加法平均電路對(duì)多路輸出做算術(shù)平均計(jì)算,消除單個(gè)TMR元件測(cè)量誤差的影響,實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的顯著提升。

1 TMR陣列數(shù)學(xué)建模與誤差分析

1.1 TMR陣列數(shù)學(xué)建模

對(duì)周向分布的TMR元件陣列進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,根據(jù)安培環(huán)路定律,被測(cè)電流與其周邊產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)系為

(1)

B·2πx=μ0i

(2)

(3)

式中μ0為真空磁導(dǎo)率,4π×10-7H/m；x為被測(cè)點(diǎn)距離載流導(dǎo)線軸心的距離,m；i為被測(cè)電流的大小,A。

載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)如圖1所示。

圖1 載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)示意

多個(gè)TMR元件分布在以載流導(dǎo)體為中心、半徑為r的圓上,元件感應(yīng)面與圓周切線方向一致,如圖2所示,16個(gè)TMR元件形成了一個(gè)陣列式排布方案。第i個(gè)TMR元件在載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)作用下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bi,因TMR元件輸出電壓V∞B,可得

圖2 16-TMR周向陣列式分布示意

Vi=K·Bi

(4)

通過加法電路設(shè)計(jì),傳感器最終輸出值為各TMR輸出之和,即

(5)

1.2 載流導(dǎo)體偏心誤差分析

TMR元件均勻分布在半徑為r的圓周上,載流導(dǎo)體的中心點(diǎn)D與TMR元件所在圓周的中心點(diǎn)O的距離為d,如圖3所示。M為圓周上一點(diǎn),D與M之間的距離為L,設(shè)電流i在M處生成的磁感應(yīng)強(qiáng)度為BL,Bt為BL沿著圓周切線方向的分量,則有

圖3 載流導(dǎo)體偏心示意

(6)

(7)

(8)

以d=2r/3為例進(jìn)行計(jì)算,可得

(9)

16個(gè)TMR元件周向均勻分布,α依次為0,π/8,π/4,3π/8,…,7π/4,15π/8。

(10)

將式(5)與式(10)進(jìn)行對(duì)比,在載流導(dǎo)體偏心d=2r/3時(shí),16個(gè)TMR陣列計(jì)算誤差約為0.15 %。分別對(duì)4-TMR陣列與8-TMR陣列進(jìn)行計(jì)算,4個(gè)TMR陣列計(jì)算誤差為24.6 %,8個(gè)TMR陣列計(jì)算誤差為4 %。傳感器輸出精度隨TMR元件數(shù)增多而迅速減小并趨于0,載流導(dǎo)體偏心產(chǎn)生的誤差與TMR元件個(gè)數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 載流導(dǎo)體偏心產(chǎn)生誤差與TMR元件數(shù)量的關(guān)系

2 磁場(chǎng)仿真

使用Ansys-Maxwell仿真工具對(duì)周向TMR元件陣列進(jìn)行磁場(chǎng)仿真,依據(jù)傳感器實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,TMR元件陣列所在圓周半徑為15 mm,載流導(dǎo)體加載直流電流100 A。分別對(duì)載流導(dǎo)體位于中心軸以及偏心10 mm條件進(jìn)行磁場(chǎng)仿真。周向分布TMR元件僅對(duì)所在圓周切線方向上的磁場(chǎng)分量Bt敏感

(11)

Ansys-Maxwell具有場(chǎng)計(jì)算功能,通過設(shè)置SCL:Dot(〈Bx,By,0〉,LineTangent)完成式(11)的運(yùn)算,得出切線方向上分量Bt。

2.1 8-TMR陣列

載流導(dǎo)體位于陣列分布圓的圓心,如圖5所示。各TMR元件均勻分布于圓周上,各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圓周切線方向,即各點(diǎn)的Bt相等。8-TMR陣列元件處切線磁感應(yīng)強(qiáng)度值如表1所示。

圖5 8-TMR陣列周向均勻分布磁場(chǎng)仿真

表1 8-TMR陣列周向均勻分布元件處切線磁感應(yīng)強(qiáng)度值

將載流導(dǎo)體放置在偏心10 mm處,如圖6所示。

圖6 8-TMR陣列載流導(dǎo)體偏心磁場(chǎng)仿真

8-TMR陣列偏心時(shí)元件處切線磁感應(yīng)強(qiáng)度值,如表2所示。

表2 8-TMR陣列偏心時(shí)元件處切線磁感應(yīng)強(qiáng)度

通過對(duì)比表1和表2,載流導(dǎo)體偏心2/3r時(shí),切線磁感應(yīng)強(qiáng)度之和略大于載流導(dǎo)體居中時(shí),誤差約為4.1 %,與理論計(jì)算值接近。

2.2 16-TMR陣列

將TMR元件周向陣列由8個(gè)元件增加為16個(gè)元件,按照上述方法進(jìn)行仿真分析。根據(jù)8-TMR陣列載流導(dǎo)體居中時(shí)的仿真結(jié)果,可計(jì)算出16-TMR陣列載流導(dǎo)體居中時(shí)切線磁感應(yīng)強(qiáng)度之和為16×13.3=212.8 Gs。載流導(dǎo)體偏心10 mm磁場(chǎng)仿真如圖7所示。16-TMR陣列偏心時(shí)元件處切線磁感應(yīng)強(qiáng)度值見表3。

圖7 16-TMR陣列載流導(dǎo)體偏心磁場(chǎng)仿真

表3 16-TMR陣列偏心時(shí)元件處切線磁感應(yīng)強(qiáng)度

根據(jù)表3中載流導(dǎo)體偏心2/3r時(shí)切線磁感應(yīng)強(qiáng)度總和,對(duì)比載流導(dǎo)體位于圓周軸心,誤差約為0.28 %。16-TMR陣列相比于8-TMR陣列,元件數(shù)量增加1倍,測(cè)試精度提升至14.6倍。

3 電路驗(yàn)證

3.1 電路設(shè)計(jì)

TMR電流傳感器硬件電路采用加法電路設(shè)計(jì),對(duì)周向陣列分布的16個(gè)TMR元件信號(hào)輸出進(jìn)行求和計(jì)算,原理如圖8所示。運(yùn)放正向端接2.5 V基準(zhǔn)電壓作為參考,測(cè)試電流為0時(shí),傳感器輸出為2.5 V。

圖8 加法電路原理

傳感器的輸出電壓Vout

(12)

其中,R1=R2=R3=…=R16

(13)

由式(13)可知,傳感器零點(diǎn)為2.5 V,通過調(diào)整Rf/R1的值,可將輸出靈敏度設(shè)置為20 mV/A,使傳感器測(cè)試額定電流±100 A時(shí),輸出電壓為(2.5±2)V。

3.2 工程測(cè)試驗(yàn)證

16-TMR陣列周向均勻分布,印制板布局如圖9所示,TMR元件敏感方向與圓周切線方向相同。TMR電流傳感器測(cè)試裝置如圖10所示,直流恒流源提供測(cè)試電流,安捷倫電源為傳感器供電,高精度萬用表測(cè)試傳感器輸出。

圖9 16-TMR周向陣列分布印制板

圖10 TMR電流傳感器測(cè)試裝置

將載流導(dǎo)體置于傳感器的穿孔圓心,分別對(duì)傳感器加載正向電流與反向電流,分度為10 A,最大加載電流為±100 A,測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。TMR傳感器輸出穩(wěn)定,線性度小于0.1 %。在加載±100 A電流時(shí)對(duì)載流導(dǎo)體進(jìn)行位置偏心調(diào)整,傳感器輸出變化不超過4 mV,即載流導(dǎo)體偏心所產(chǎn)生的誤差小于0.2 %。

表4 16-TMR電流傳感器測(cè)試輸出

4 結(jié) 論

本文針對(duì)TMR元件的工作特性,建立了多TMR周向陣列的數(shù)學(xué)模型,并分析了TMR元件數(shù)量以及載流導(dǎo)體偏心對(duì)測(cè)量精度的影響。提出了一種16-TMR周向陣列的電流傳感器測(cè)量方法,并通過計(jì)算分析、Ansys磁場(chǎng)仿真以及工程測(cè)試驗(yàn)證的方式,驗(yàn)證了該方法提升測(cè)量精度的有效性。這對(duì)于高動(dòng)態(tài)、寬溫區(qū)工況下供配電系統(tǒng)用電流傳感器的設(shè)計(jì)具有很重要的實(shí)際意義。