LEM電流傳感器的應(yīng)用探討

謝珺耀，于海波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電流檢測(cè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)控制對(duì)電流檢測(cè)的精度及響應(yīng)速度的要求較高，同時(shí)希望與被檢測(cè)的對(duì)象實(shí)現(xiàn)完全隔離，LEM電流傳感器很好地解決了這些問(wèn)題。LEM電流傳感器以其優(yōu)良的性能和精巧的結(jié)構(gòu)，業(yè)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中電流隔離測(cè)量的最佳解決方案，并被廣泛的應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、變頻器、電機(jī)繞組、高頻大電流測(cè)量等場(chǎng)合中。

1 萊姆傳感器的基本工作原理和特性

萊姆電流傳感器是瑞士LEM公司推出的產(chǎn)品，有多種系列產(chǎn)品問(wèn)世，在工業(yè)控制中獲得廣泛應(yīng)用。它的原理是基于霍爾效應(yīng)，是模塊化的有源電流傳感器，它把普通互感器與霍爾元件、電子線路有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮了普通互感測(cè)量范圍寬的長(zhǎng)處和電子線路反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，其傳感器電路由于與被測(cè)電路是隔離的，因此，LEM電流傳感器的接入對(duì)被測(cè)電路的影響可以降到最低以至于完全可以忽略不計(jì)。LEM電流傳感器可對(duì)直流、交流及脈動(dòng)電流進(jìn)行測(cè)量[1]。圖1是LEM電流傳感器原理圖。

圖1 閉環(huán)電流傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

LEM電流傳感器有多種系列產(chǎn)品，每種都有不同的用途和特點(diǎn)，從檢測(cè)電流的類型看有直流與交流，大電流與微小電流；從反饋形式看有開環(huán)和閉環(huán)；閉環(huán)根據(jù)不同的用途又有多種反饋形式，用戶可以按自己的需求加以選擇。圖1是電流閉環(huán)的形式之一，筆者僅以此類型的傳感器使用經(jīng)驗(yàn)與讀者共同分享。在圖1中，Ip是被測(cè)導(dǎo)體電流，可以理解Ip為流經(jīng)原邊導(dǎo)體的電流(類似于變壓器原、副邊，但它是磁場(chǎng)直接耦合的)，在一個(gè)磁回路中有一定的間隙放置半導(dǎo)體霍爾器件，當(dāng)Ip的大小發(fā)生變化時(shí)，霍爾電流Ic也發(fā)生變化，霍爾電壓也隨之發(fā)生變化，將此電壓變化通過(guò)放大器放大輸出，輸出的電壓大小反應(yīng)了被測(cè)電流的大小。為了更穩(wěn)定、更精確地測(cè)量原端Ip的大小，在磁環(huán)上繞有補(bǔ)償繞組，它與輸出之間形成霍爾負(fù)反饋的閉環(huán)形式，其中Is稱之為補(bǔ)償電流，其大小、相位反應(yīng)被測(cè)電流Ip的大小、相位，這個(gè)電流通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻Rm產(chǎn)生壓降以電壓Vm的形式輸出。這種閉環(huán)電流傳感器的特點(diǎn)表現(xiàn)在：測(cè)量電壓范圍寬，反應(yīng)速度快；具有很低的溫度漂移；被測(cè)器件與測(cè)量回路完全隔離；在全程測(cè)量范圍內(nèi)可獲得極優(yōu)良的線性度和精度。

2 電流傳感器在線性功率放大器中應(yīng)用

線性功率放大器廣泛地應(yīng)用在許多工業(yè)場(chǎng)合中，比如一個(gè)可程控的恒流源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，在應(yīng)用中都需要采用間接的手段來(lái)檢測(cè)輸出回路的電流，而且要求與被測(cè)器件之間實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離。LEM電流傳感器恰巧滿足這種應(yīng)用。

2.1 放大器與電流傳感器組成的全閉環(huán)系統(tǒng)

功率放大器有一定的電流驅(qū)動(dòng)能力和帶寬，它可以驅(qū)動(dòng)任何類型的阻性和感性負(fù)載，比如較大直流照明系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、恒流源負(fù)載等。圖2是由線性功率放大器和電流傳感器構(gòu)成的帶電流反饋的系統(tǒng)框圖。

在圖2中，線性功率放大器給一個(gè)感性負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)電流，這個(gè)負(fù)載可以當(dāng)作電機(jī)線圈或類似的感性負(fù)載或者阻性負(fù)載 (當(dāng)L0不存在時(shí))來(lái)看待，相當(dāng)于一個(gè)電感和電阻的串聯(lián)。R6是主回路的電流采樣電阻，它與Rf組成放大器的電流負(fù)反饋以穩(wěn)定負(fù)載電流，R3作為電壓負(fù)反饋以穩(wěn)定輸出電壓，R4作為功率放大器內(nèi)環(huán)的極限電流限制。當(dāng)信號(hào)源(或者控制器的DA輸出)Ui給定一個(gè)輸入時(shí)，在負(fù)載回路會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電流輸出，這個(gè)電流的大小就由電流傳感器來(lái)檢測(cè)。當(dāng)電流傳感器采用單以+5 V電源供電時(shí)，U0輸出的值會(huì)在0～5 V之間變化，檢測(cè)的電流波形只會(huì)產(chǎn)生在第一、第二象限。為了使其與給定信號(hào)的相位和檢測(cè)信號(hào)的相位有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使檢測(cè)到的電流波形能真實(shí)地反應(yīng)回路中負(fù)載電流。

圖2 電流傳感器測(cè)試功率放大器輸出電流原理框圖

采用象限變換的方式，使電流波形在第一、第三象限產(chǎn)生。即Uif是一個(gè)完全代表被測(cè)回路Ip的電壓波形，通過(guò)后續(xù)濾波處理可以反饋到控制器以實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。從原理結(jié)構(gòu)分析，霍爾型的電流傳感器對(duì)主回路實(shí)現(xiàn)了完全的隔離，能快速準(zhǔn)確地反應(yīng)被測(cè)回路的電流大小變化，并且對(duì)主回路的影響是完全可以忽略的。

2.2 電流傳感器的性能指標(biāo)及其檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原則

以LEM電流傳感器中的LTSR 6-NP型號(hào)為例，列舉它的特點(diǎn)，其它型號(hào)的由于篇幅所限，不再列舉。LTSR 6-NP體積小巧，是專門用于PCB安裝而設(shè)計(jì)的，它的外形圖見圖3所示。它的電流測(cè)量范圍寬，最高可達(dá)近20 A,有很強(qiáng)的過(guò)載能力和較好的線性度，性能指標(biāo)見表1。

圖3 LTSR 6-NP電流傳感器外形圖

表1 性能指標(biāo)

按照?qǐng)D2所描述的測(cè)試原理框圖，筆者設(shè)計(jì)了線性功率放大電路以驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)并檢測(cè)電機(jī)線圈的動(dòng)態(tài)電流以達(dá)到閉環(huán)控制的目的。從傳感器本身講，它有很高的帶寬和線性度，但測(cè)量電路本身受元器件和負(fù)載的特性限制，加上溫度漂移、非線性因素的影響，整體綜合指標(biāo)會(huì)有所下降，所以在高精度和快速響應(yīng)的設(shè)計(jì)場(chǎng)合要特別加以小心。最終測(cè)量的靈敏度和帶寬要統(tǒng)籌考慮，合適的靈敏度和帶寬才是最好的，不能一味追求最高帶寬，否則不是帶來(lái)很高的成本，就會(huì)在測(cè)量中帶來(lái)很大的干擾和誤差。

筆者在設(shè)計(jì)檢測(cè)電路時(shí)，電流傳感器采用+5 V單一電源供電(電流傳感器本身的輸入輸出特性見圖4)，圖4中電流傳感器的輸出位于平面坐標(biāo)的第一、二象限內(nèi)，當(dāng)負(fù)載電流在負(fù)向時(shí)，輸出電壓在0.5～2.5 V之間，當(dāng)負(fù)載電流在正向時(shí)，輸出電壓在2.5～4.5 V之間，輸入電流與電流傳感器的輸出電壓呈線性關(guān)系，斜率為3.15。

圖4 LTSR 6-NP電流傳感器輸入輸出特性曲線

2.3 傳感器輸出信號(hào)處理[2]

電流傳感器檢測(cè)到的信號(hào)直接供控制器使用還不太方便，考慮控制器A/D采集范圍(-10～＋10V)，需要對(duì)電流傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。在設(shè)計(jì)檢測(cè)電路時(shí)，依據(jù)電流傳感器的特性和負(fù)載額定電流±2 A的要求，將檢測(cè)電流的范圍最大設(shè)定在±6.4 A，采樣放大電路總帶寬選擇在0～8.8 kHz之內(nèi)，并應(yīng)用運(yùn)放將輸出信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)平移進(jìn)行象限變換，將信號(hào)放大10倍，由此在理想情況下得到的信號(hào)輸出范圍為－6.25～＋6.25 V，位于平面坐標(biāo)的第一、三象限內(nèi)，負(fù)載電流Ip與平移放大后的信號(hào)仍為線性關(guān)系。電流傳感器輸出信號(hào)不全是有用信號(hào)，特別是有強(qiáng)干擾源或PWM恒流斬波的放大器中，由于高次諧波的存在，必須將無(wú)用的雜波進(jìn)行濾波，因此，采用如圖5所示的有源低通濾波器來(lái)進(jìn)行濾波。圖5中所示的是一個(gè)典型的二階低通有源濾波器，信號(hào)經(jīng)平移放大后送入二階低通濾波器，Uif是濾波的輸入，其輸出信號(hào)Uof可供控制器當(dāng)作電流反饋的輸入信號(hào)。

二階低通濾波器的截止頻率：

在圖5所示的二節(jié)低通濾波器中，有如下關(guān)系：

選擇好系統(tǒng)的截止頻率，通過(guò)計(jì)算，匹配合適的RC參數(shù)。截止頻率點(diǎn)要選擇合適的位置，太高時(shí)會(huì)夾雜進(jìn)許多無(wú)用的諧波和干擾信號(hào)，太低會(huì)失去一些有用的信號(hào)，兩者都會(huì)造成電流波形失真，這要根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)決定。

圖5 有源低通濾波器

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 負(fù)載電流與輸出電壓值

應(yīng)用上述電路，筆者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，表2中列舉了負(fù)載電流及對(duì)應(yīng)輸出電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中Ip是流過(guò)負(fù)載的電流，Uc是理想的輸出電壓，Uof是實(shí)時(shí)測(cè)量的輸出電壓。

表2 負(fù)載電流與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將電流與電壓的關(guān)系用曲線圖表示(見圖6)。圖中縱坐標(biāo)代表輸出電壓，即Uof或者Uc，橫坐標(biāo)代表負(fù)載電流，即Ip。

圖6 負(fù)載電流與輸出電壓關(guān)系曲線

從圖6可以看出理想的電壓曲線與實(shí)測(cè)電壓曲線幾乎重合 (Uc和Uof具體差異的細(xì)節(jié)無(wú)法在此顯示，可以參看表2)。在正、負(fù)半軸線性度很好，但在過(guò)零點(diǎn)時(shí)，正負(fù)半軸曲線會(huì)在電壓軸上產(chǎn)生一個(gè)交越失真的位移點(diǎn)，這是因?yàn)樨?fù)載電流輸入為零時(shí)，放大器在零輸入時(shí)往往不是一個(gè)理想的零值輸出，它受制于輸出級(jí)的飽和壓降、零點(diǎn)漂移、系統(tǒng)噪聲的影響。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，這種失調(diào)可以通過(guò)軟件補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)，或者在硬件電路設(shè)計(jì)中加以考慮，以降到最小誤差范圍內(nèi)。關(guān)于電流傳感器的相頻特性，讀者可以參考LEM公司的資料來(lái)考證，這里不再描述。

3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算分析[3]

利用下面的最小二乘法公式進(jìn)行曲線擬和，以量化的形式進(jìn)行考察：

利用表2的數(shù)據(jù)按照上式進(jìn)行計(jì)算得：

進(jìn)而有如下曲線擬合關(guān)系式：

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)分析，線性度優(yōu)劣好壞一方面取決于電流傳感器本身，另一方面取決于后續(xù)處理電路，為了提高線性度和精度，除了選擇合適的傳感器之外，在設(shè)計(jì)后續(xù)處理電路需要注意選擇性能好的運(yùn)算放大器，采用精度較高的電阻電容，還需要選擇適合的工作頻率等。上述對(duì)曲線的擬合，既完成了對(duì)檢測(cè)電路的重新標(biāo)定，又提高了測(cè)量精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹LEM電流傳感器的工作原理和主要特性，并探討了電流傳感器在電流檢測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比可知LEM電流傳感器具有很好的線性度和很高的響應(yīng)速度，可以應(yīng)用在多種工業(yè)場(chǎng)合作電流動(dòng)態(tài)檢測(cè)，如線性功率放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、恒流源等。作者在這些方面也進(jìn)行了深入地研究與實(shí)際考察，由于篇幅所限，不再逐一列舉，敬請(qǐng)讀者諒解。文中總結(jié)了作者對(duì)LEM傳感器應(yīng)用的一些實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，與大家一起互勉分享，希望對(duì)從事電流檢測(cè)的朋友，有所幫助。

[1] LEM公司電流傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè).Current Transducer LTSR 6-NP datasheet[Z]．

[2] 王俊省微型計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社,1996．

[3] 王惠文，孟潔．多元線性回歸的預(yù)測(cè)建模方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，5(3)：45-47．