一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器及其补偿方法
阅读说明：本技术 一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器及其补偿方法 (Automobile-level Hall current sensor with temperature compensation and compensation method thereof ) 是由 刘玉正 唐新颖 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器及其补偿方法,包括探头单元、驱动单元、电流采样单元、温度采样单元、主控单元以及输出单元；其中所述驱动单元与所述探头单元连接,用于为所述探头单元的霍尔元件以及副边补偿线圈提供驱动；所述探头单元通过所述电流采样单元与所述主控单元连接,用于采集所述探头单元的待测电流；所述温度采样单元与所述主控单元连接,用于采集当前工作温度；所述主控单元根据采集的待测电流以及工作温度计算出带温度补偿的待测电流；所述输出单元为CAN总线接口,与所述主控单元连接,为传感器和其他主控设备提供通信接口。本发明温度补偿方法,采用基于最小二乘法的二维回归法拟合曲线算法,可以将传感器因工作温度变化引起的测量误差降低1个数量级。(An automobile-level Hall current sensor with temperature compensation and a compensation method thereof comprise a probe unit, a driving unit, a current sampling unit, a temperature sampling unit, a main control unit and an output unit; the driving unit is connected with the probe unit and used for driving a Hall element and a secondary compensation coil of the probe unit; the probe unit is connected with the main control unit through the current sampling unit and is used for collecting current to be measured of the probe unit; the temperature sampling unit is connected with the main control unit and is used for collecting the current working temperature; the main control unit calculates the current to be measured with temperature compensation according to the collected current to be measured and the working temperature; the output unit is a CAN bus interface, is connected with the main control unit and provides a communication interface for the sensor and other main control equipment. According to the temperature compensation method, a two-dimensional regression method fitting curve algorithm based on the least square method is adopted, so that the measurement error of the sensor caused by the change of the working temperature can be reduced by 1 order of magnitude.)
技术领域
本发明涉及电流传感器领域，尤其涉及一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器及温度补偿方法。
背景技术
大电流检测技术在工业自动化领域、电动汽车领域、电力传输、电气设备的监控检修等领域都有着广泛的应用。目前常见的大电流检测技术主要有阻性分流器法和霍尔效应电流检测法。阻性分流器法，通过测量承载待测电流(和电荷)的电阻上的压降，压降遵循欧姆定律(V＝I*R)，通过压降计算出承载待测电流值，由于分流电阻总是会被流过的电流加热，存在散热问题、受温度影响大，误差较大、测量时不能做到电气隔离，存在安全隐患；霍尔效应电流检测法，是通过检测承载电流的导体周围的磁场，是一种“电-磁-电”的转换测量过程，具有测量范围广、响应快、线性度较好、精度高、隔离检测等优点，是目前大电流检测领域主要使用的方法。
霍尔电流传感器的核心部件是霍尔元件，是半导体元件。制造霍尔元件，通常使用砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)三种半导体材料，半导体材料对温度比较敏感，特别是输入输出电阻和灵敏度随温度的变化而变化，出现输出电压漂移现象，影响测量精度和可靠性。因此，温度补偿问题是提高传感器性能的一个关键环节。
霍尔电流传感器的温度补偿主要有硬件补偿和软件补偿两种方式。硬件补偿，有恒压源、恒流源输入端补偿法，通过传感器的供电输入端，产生与霍尔电流传感器温漂反相的驱动信号来消除温漂；热敏电阻同步输出端补偿法，则是通过热敏电阻等温度敏感元件感知环境温度，产生与霍尔电流传感器同相或反相变化的输出信号，与霍尔电流传感器的输出进行运算来消除温漂。硬件补偿方法存在调试困难、精度低、成本高、一致性差等缺点，不利于产品批量生产和推广。软件补偿借助数字信号处理技术，通过MCU的简单运算就能实现，能够克服硬件补偿的缺点。
目前，霍尔电流传感器软件补偿的方法主要有：查表法、神经网络法、曲线曲面拟合法、最小二乘多项式拟合法等。查表法需要占用很大内存空间；神经网络方法存在网络不稳定、训练时间较长，成本高等缺点；曲线曲面拟合法运算复杂，对MCU的资源要求高，成本高，以上补偿方法都不适合霍尔电流传感器的量产。
发明内容
为解决上述问题，本发明技术方案提供一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器，并说提供基于最小二乘法的二维回归法拟合曲线算法进行温度补偿的方法。
为实现上述目的，本技术方案如下：
一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器，包括硬件部分、软件部分及温度补偿的方法部分。
本发明硬件部分主要包括探头单元、驱动单元、电流采样单元、温度采样单元、主控单元、输出单元。
其中所述探头单元包括环形铁芯、缠绕在其上的副边补偿线圈以及霍尔元件，将测量原边电流Ip转换为测量副边补偿线圈电流Is。
所述驱动单元与所述探头单元连接，用于为所述霍尔元件提供工作的恒压源，将霍尔元件输出信号通过高功率运算放大器放大为副边补偿线圈提供驱动；
所述电流采样单元包括基准电压参考电路、电流采样电路、差分放大电路和ADC转换电路，与所述驱动单元连接，将副边补偿线圈电流Is经电流-电压转换、信号放大调理、ADC转换成数字信号Di，通过SPI总线送入所述主控单元MCU；
所述温度采样单元，将工作温度通过ADC转换成数字信号Dt，通过SPI总线送入所述主控单元MCU；
所述主控单元将采样到的电流数据Dt和工作温度数据Dt，计算出带温度补偿带待测电流Ipt；
所述输出单元提供将测量电流Ipt输出的CAN通信接口,为主控单元与CAN主机间建立通信提供可靠的硬件支持。
本发明软件部分主要包括系统初始化任务、电流采样任务、温度采样任务以及数据处理任务，CAN总线通信任务、空闲任务。
所述系统初始化任务，主要完成系统时钟、定时器、调试串口、看门狗、SPI总线、CAN总线等模块的底层驱动初始化，完成后,进入所述空闲任务。
所述电流采样任务，每2ms触发启动一次任务，连续32次采样电流数据Di,进行中位值平均法滤波，并将数据存放至缓存中，完成后,进入所述空闲任务。
所述温度采样任务，每20ms触发启动一次任务，连续15次采样温度数据Dt,进行中位值平均法滤波，并将数据存放至缓存中，完成后,进入所述空闲任务。
所述数据处理任务，将电流采样的AD值Di，和温度采样的AD值Dt，带入带温度补偿的霍尔电流传感器待测电流值的数学函数，计算出待测电流Ipt并将数据存放至缓存中，完成后,进入所述空闲任务。
所述CAN通信任务，每10ms触发启动一次任务，将测量电流数据以CAN报文的方式发送给CAN总线上的主控设备，完成后，进入空闲任务(406)。
所述空闲任务，起到任务调度的功能，当检测到满足电流采样任务(402)、温度采样任务(403)或者CAN通信任务的触发条件后，进入相对应的任务，未检测到任务触发，则等待触发条件的满足。
本发明一种带温度补偿的汽车级霍尔电流传感器及其补偿方法，包括以下实施步骤：
S1，系统上电，软硬件各模块初始化并启动工作；
S2，驱动单元将探头单元的霍尔元件输出信号经高功率运算放大器放大后，为副边补偿线圈提供驱动，根据闭环电流传感器的原理，将测量原边线圈电流Ip转换为测量副边补偿线圈电流Is。
S3，电流采样单元将步骤S2副边补偿线圈测量电流Is经过采样电阻RS转换成测量电压Us，测量电压Us经差分放电路放大、调理后转换成测量电压Um、测量电压Um经ADC转换电路后转换成数字信号Di，数字信号Di通过SPI总线发送至主控单元MCU。
S4，温度采样单元将工作环境温度转换成测量电压Ut，测量电压Ut经ADC转换电路后转换成数字信号Dt，数字信号Dt通过SPI总线发送至主控单元MCU。
S5，主控单元MCU将步骤S3所采样到的电流值Di以及步骤S4采样到的工作温度值Dt，带入基于最小二乘法的二维回归法拟合曲线算法的电流测量温度补偿函数Ipt＝a0+a1DI+a2Dt+a3DI 2+a4DIDt+a5Dt 2+ξ，计算出带温度补偿的测量电流Ipt。
S6，主控单元通过输出单元CAN总线，将测量数据发送至CAN线上主机设备，重复步骤S3-步骤S6。
本发明温度补偿方法，是基于最小二乘法的二维回归法拟合曲线算法。带温度补偿待测电流Ipt与采样电流ADC值Di和采样工作环境温度ADC值Dt函数模型：
Ipt＝f(DI，Dt)；
二维回归数学模型为：
Ipt＝a0+a1DI+a2Dt+a3DI 2+a4DIDt+a5Dt 2+ξ
其中ξ为高阶无穷小，Di为电流采样的ADC值，Dt为环境温度采样的ADC值，α0、α1、α2、α3、α4和α5为常数。因此，确定常数α0、α1、α2、α3、α4和α5的数值，即可得到完整的带温度补偿的霍尔电流传感器待测电流值Ipt的数学函数，其步骤如下：
步骤一，将电流传感器放入恒温箱设备，设定温度值T1，待温度恒定后，开始测量；
步骤二，采样温ADC值Dt；
步骤三，依次采样n个标准测量电流In下的电流采样值Di；
步骤四，依次设定T2～Tm共m个温度，重复步骤二～步骤三，共采样m个温度采样ADC值Dt和m×n个未补偿的电流采样ADC值Di。
步骤五，使用最小二乘法将电流采样值Di、温度采样值Dt和输入标定标准值In进行拟合，根据最小二乘法原理器均方根R应该最小：
均方误差R是a0～a5的函数,根据多元函数求极值条件，令a0～a5的各偏导数为0，得到六个一次方程，整理六个六元一次方程，求解后得到常数a0～a5；
步骤六，将常数a0～a5的代入待测电流温度补偿二维回归数学模型,得到完整的带温度补偿的霍尔电流传感器待测电流值Ipt的数学函数。
步骤七，将数学函数固化在MCU程序中，每次采样电流采样值Di和温度AD值Dt，可计算出带温度补偿的霍尔传感器的待测电流值。
申请有益效果为：
本发明通过温度补偿提高了霍尔电流传感器测量精度和线性度,从补偿前测量精度可以提高以1个数量级，避免温度影响检测效果。
本发明的温度补偿采用软件算法实现，应用了最小二乘拟合法、二维回归拟合曲线数学算法，通过软件实现，稳定可靠，且不需额外增加产品的成本。
本发明对小信号的放大及采样，硬件上采用差分放大和采样，减少了由元器件及线路引入的干扰。
本发明模数转换采用16位高分辨率的ADC，测量分辨率高，可测量0～±1000A的电流；对采样数据进行软件滤波，杜绝因偶发性干扰造成的测量误差。
本发明采用MCU主控制器、CAN总线收发器等关键元器件采用高可靠的汽车级芯片，支持500K和250K波特率，特别适合电动汽车等高可靠应用环境要求的场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例的流程结构示意图一；
图2是本发明实施例的流程结构示意图二；
图3是本发明实施例的硬件结构示意图一；
图4是本发明实施例的硬件结构示意图二；
图5是本发明实施例的软件结构示意图；
图6是本发明实施例的未补偿测量电流AD值表格；
图7是本发明实施例的未补偿电流测量值表格；
图8是本发明实施例的补偿后电流测量值表格。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1至8所示，一种汽车级霍尔电流传感器温度补偿系统及其补偿方法，包括如下步骤；
S1，系统上电，软硬件各模块初始化并启动工作；
S2，驱动单元302将探头单元301的霍尔元件309输出信号经高功率运算放大器放大后，为副边补偿线圈308提供驱动，根据闭环电流传感器的原理，将测量原边线圈电流Ip转换为测量副边补偿线圈电流Is。
S3，电流采样单元303将步骤S2副边补偿线圈测量电流Is经过采样电阻RS转换成测量电压Us，测量电压Us经差分放电路放大、调理后转换成测量电压Um、测量电压Um经ADC转换电路后转换成数字信号Di，数字信号Di通过SPI总线发送至主控单元305MCU。
S4，温度采样单元304将工作环境温度转换成测量电压Ut，测量电压Ut经ADC转换电路后转换成数字信号Dt，数字信号Dt通过SPI总线发送至主控单元303MCU。
S5，主控单元305MCU将步骤S3所采样到的电流值Di以及步骤S4采样到的工作温度值Dt，带入基于最小二乘法的二维回归法拟合曲线算法的电流测量温度补偿函数Ipt＝a0+a1DI+a2Dt+a3DI 2+a4DIDt+a5Dt 2+ξ，计算出带温度补偿的测量电流Ipt。
S6，主控单元305通过输出单元306CAN总线，将测量数据发送至CAN线上主机设备，重复步骤S3至步骤S6。。
具体的说，在闭环霍尔电流传感器，在铁芯上增加一个副边补偿线圈和用于驱动线圈的高功率放大器，使副边补偿线圈产生的磁场与被测原边电流产生的磁场相反，磁场达到平衡后，传感器在一个零磁场的工作点运行，磁场强度B＝NpKIp＝NsKhIs，因此Np为原边匝数，K为常数，Ns为副边线圈匝数，Kh为霍尔常数，副边补偿线圈电流Is与铁芯307的被测原边线圈电流Ip之间的比例对应关系为副边补偿线圈电流Is与被测原边电流Ip及原副边匝数比成线性正比关系，通过测量Is就可算出被测原边线圈电流Ip闭环电流传感器测量精度高，线性度好；副边线圈为2000匝，铁芯为带开口的环形坡莫合金磁芯，霍尔传感器为锑化铟(InSb)材料的霍尔元件HW302B。主要功能是根据闭环霍尔电流传感器的原理，将被测原边线圈电流Ip按比例对应至副边补偿线圈电流Is；
其次驱动单元包括为传感器提供恒压源驱动，检测传感器输出信号，并通过高功率放大运放电路放大1000倍为副边补偿线圈提供驱动；
并且电压参考电路选用50ppm/℃精密微功耗并联电压基准LM4050，分别为差分放大元件和ADC转换电路提供精密参考电压URef＝2.048V；电流采样单元通过串接在副边补偿线圈的采样电阻Rs＝0.5Ω，将副边补偿线圈电流Is转换为测量电压Us，从而主控单元通过获取测量电压Us而得知采样电阻Rs的电流，根据Is和Ip的比例关系使得主控单元可确定待测电流Ip的电流值。
进一步的，电压参考电路参考选用50ppm/℃精密微功耗并联电压基准LM4050，分别为差分放大器和ADC转换器提供精密参考电压Uref＝2.048V，通过串接在副边补偿线圈的采样电阻Rs＝0.5Ω，将线圈副边电流Is转换为测量电压Us；
差分放大电路,选用低功耗轨对轨运放OPA348和R1,R2，R3、R4设计成差分放大电路，其中R1＝R2＝10KΩ，R3＝R4＝40KΩ将采样到的电压信号Us放大至Um；
将Rs＝0.5，电压Um＝3.3V，URef＝2.048V代入上述公式，可得出被测原边电流Ip＝1252A，因此可测量1000A以内的电流。ADC转换电路芯片采用高精度、低功耗、16位，内置可差分输入可编程增益的放大器，SPI总线模数转换器ADS1118，将电压Um和电压URef接入芯片可编程增益差分放大器，将Um减去电压URef电压差值转换为数字信号，通过SPI总线送至主控单元MCU。
在本实施例中，所述步骤S4包括如下步骤：
待测电流Ipt的函数Ipt＝f(DI，Dt)；
待测电流温度补偿二维回归数学模型为：
Ipt＝a0+a1DI+a2Dt+a3DI 2+a4DIDt+a5Dt 2+ξ；
其中ξ为高阶无穷小，Di为电流采样的ADC值，Dt为环境温度采样的ADC值，α0、α1、α2、α3、α4和α5为常数。
在本实施例中，确定α0、α1、α2、α3、α4和α5的数值包括如下步骤；
在M个恒定温度下，测量N个由驱动单元302提供的电流输入In；
采样M个温工作温度AD值Dt和M×N个电流AD值Di；
利用最小二乘法将电流AD值Di、温工作温度AD值Dt以及电流输入In进行拟合，根据最小二乘法原理器均方根R最小，得出：
根据多元函数求极值条件，令a0-a5的各偏导数为0，得到一次方程，整理后得到a0-a5的系数；
将a0-a5的系数代入待测电流温度补偿二维回归数学模型。
具体的说，被测原边电流Ip与电流AD值Di成线性关系，因此，直接建立带温度补偿待测电流电流函数Ipt与电流采样ADC值Di和温度采样值Dt函数模型，函数模型为：Ipt＝f(DI，Dt)，Ipt为补偿后待测电流，Di为电流采样的ADC值，Dt为环境温度采样的ADC值，α0、α1、α2、α3、α4和α5为常数，因此通过如下步骤确定数值；
进一步的，将电流传感器放入恒温箱设备，在m个恒定温度下，测量n个由恒压源输出的标准值In，分别采样m个温度采样ADC值Dt和m×n个未补偿的电流采样ADC值Di，使用最小二乘法将电流采样值Di、温度采样值Dt和标准值In进行拟合，根据最小二乘法原理器均方根R应该最小，均方误差R是α0-α5的函数，根据多元函数求极值条件，令α0-α5的各偏导数为0，得到六个一次方程，整理六元一次方程得到α0-α5的系数，将系数α0-α5代入待测电流温度补偿二维回归数学模型即可得出带温度补偿的待测电流Ipt的数学函数。
为了更好的说明本申请，本申请提供以满量程500A为例的实施案例，分别在5℃、15℃、25℃、35℃、45℃、55℃、65℃、75℃共m＝8个恒定温度下，测量50A、100A、150A、200A、250A、300A、350A、400A、450A、500A，共计n＝10标准电流值In。M＝8个温度采样ADC值Dt和m×n＝80个测量电流值Di，如图6、7和8的表格所示，根据图6中采样的Dt和Di数据，令α0-α5的各偏导数为0，得到六个一次方程，整理六元一次方程得到α0-α5的系数，可知：
a0＝-2.3085786、
a1＝0.02474745、
a2＝0.00178896、
a3＝1.18018×10-9、
a4＝-1.0314292×10-8、
a5＝4.48797743×10-9；
由此得出：
Ipt＝-2.3085786+0.02474745DI+0.00178896Dt+(1.18018×10-9)DI 2-1.0314292×10-8DIDt+(4.48797743×10-9)Dt 2
将图4的Di和Dt代入如上公式，输出图8的数据，根据如下公式：
对比表格可知，温度补偿前，最大电流值和最小电流值为500.513-493.720＝6.79A，t2-t1等于74.33-5.05＝69.28℃，代入如上公式，s＝1.9589×10-3，t＝1.3571％；
温度补偿后，最大电流值和最小电流值为501.724-498.414＝3.310A，t2-t1＝74.33-5.05＝69.28℃，代入如上公式，s＝8.8781×10-5，t＝0.6598％；
根据实验测试数据图7和图8，补偿前温度系数和温度漂移误差为1.9589×10-3和1.3571％，补偿后温度系数和温度漂移误差为8.8781×10-5和0.6598％，两者都提升至少1个数量级。
在本实施例中，所述硬件环境温度采样单元304，选用的数模转换芯片ADS1118内置高精度(-40～125℃，精度0.5℃)数字温度传感器，通过SPI总线送至主控单元MCU。
所述硬件MCU主控单元305，采用带CAN总线的汽车级16位微控制器MC9S12系列MCU。MCU完成电流采样、温度采样、数据运算于处理、数据输出功能。
所述硬件信号输出单元306，采用汽车类故障保护CAN收发器TCAN1051V，为MCU与CAN主机间建立通信提供可靠的硬件支持。
所述软件模块初始化任务401设备上电后，系统进入模块初始化任务，包括系统时钟初始化、定时器1ms中断初始化、调试串口初始化、ADC驱动初始化、SPI总线驱动初始化、CAN总线驱动初始化等各任务模块需调用的底层驱动程序。模块初始化任务401完成后，进入空闲任务406。
所述软件电流采样任务402，每2ms触发启动一次任务，系统通过SPI总线和ADS1118通信，读取电流采样数据，每次任务连续读取32次采样数据，通过中位值平均滤波法，滤除偶发性的干扰，并将采用的数据存放至缓存中。电流采样任务402完成后，进入数据处理任务404。
所述软件温度采样任务403，每20ms触发启动一次任务，系统通过SPI总线和ADS1118通信，读取环境温度采样数据，每次任务连续读取16次采样数据，通过中位值平均滤波法，滤除偶发性的干扰，并将采用的数据存放至缓存中。电流采样任务403完成后，进入数据处理任务404。
所述软件数据处理任务404，当电流采样任务，或者温度采样任务完成，进行数据处理，将电流采样的AD值Dt，为环境温度采样的ADC值Dt，带入公式，即可计算出带温度补偿的待测电流。
所述软件CAN通信任务405，每10ms触发启动一次任务，系统通过CAN总线将计算出的电流测量数据及工作状态发送给CAN总线上主控设备。CAN通信任务405完成后，进入空闲任务406。
所述软件空闲任务模块406，空闲任务起到部分任务检测和调度的功能，当检测到满足电流采样任务402、温度采样任务403或者CAN通信任务405的触发条件后，进入相对应的任务，未检测到任务触发，则等待触发条件的满足。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请实施的范围，其他凡其原理和基本结构与本申请相同或近似的，均在本申请的保护范围之内。
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