3種雙向電流檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)比較

劉春玉，黃 亮，張立炎，周 波，張昌輝

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.湖北省電力公司嘉魚(yú)縣供電公司，湖北 咸寧 437000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的硬件電路的設(shè)計(jì)需用到雙向電流檢測(cè)，相對(duì)于單向電流檢測(cè)電路，雙向電流檢測(cè)更為靈活，不僅能檢測(cè)正負(fù)電流的大小，而且能判斷電流方向，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于雙向電流檢測(cè)系統(tǒng)的要求是:結(jié)果精確、方法可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

筆者介紹了3種雙向電流的檢測(cè)方法，以三相全控整流橋電路來(lái)控制蓄電池的充放電[1－2]為例，對(duì)蓄電池充放電進(jìn)行了研究。采用600 Ah的充放電蓄電池，其最大充電電流為60 A，放電最大電流為100 A。

1 雙向電流檢測(cè)的基本原理

雙向電流檢測(cè)的硬件結(jié)構(gòu)由電流傳感器、I/V變換器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)組成[3]，如圖 1 所示。

圖1 雙向電流檢測(cè)硬件結(jié)構(gòu)圖

電流傳感器采用LEM公司的LA100－P[4]。LA100－P的原副邊匝比為1∶2 000，原邊額定有效值電流為100 A，副邊額定有效值電流為50 mA，電流測(cè)量范圍為±150 A。LA100－P可以把最大充電60 A、放電100 A的蓄電池電流轉(zhuǎn)換成－30～+50 mA的電流信號(hào)。

I/V變換器采用的是無(wú)源I/V變換，利用精密采樣電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。根據(jù)不同的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道的電壓范圍選擇不同的精密電阻。

信號(hào)調(diào)理電路是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。根據(jù)不同的采樣方法，信號(hào)調(diào)理電路的組成也不一樣:對(duì)于提升電壓法，它包括電壓跟隨電路、加法電路和濾波電路;對(duì)于絕對(duì)值電路法，它包括電壓跟隨電路、絕對(duì)值電路、比較電路和濾波電路;對(duì)于新型AD芯片，它僅有濾波電路。

A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要考慮到多種因素[5]，如分辨率、數(shù)據(jù)總線接口、采樣速率、通道數(shù)和基準(zhǔn)電壓等。一種方案是采用 TMS320F2812[6]單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，它包括一個(gè)12位、12.5 mSPS、16通道的單極性AD模塊;而另一種方案是采用 Analog公司的 AD芯片 AD7321，AD7321是 13 位、串行、500 kSPS、2 通道、2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的雙極性AD芯片。

筆者選用TI公司的TMS320F2812為核心控制單元，它內(nèi)部自帶一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器。

2 單極性AD采樣電路

市面上最常見(jiàn)的是單極性AD芯片，包括單片機(jī)內(nèi)部的AD芯片，絕大多數(shù)也是單極性的，它只能識(shí)別正電壓信號(hào)，對(duì)于負(fù)電壓信號(hào)則需要將其轉(zhuǎn)換成正電壓信號(hào)。

筆者采用TMS320F2812單片機(jī)內(nèi)部的AD模塊，其模擬輸入電壓范圍為0～3 V，超過(guò)該電壓就會(huì)燒毀DSP芯片，一般情況下輸入最大值在3 V的80%左右。對(duì)于－60～+100 A轉(zhuǎn)換成－30～+50 mA的電流信號(hào)，可以通過(guò)電壓提升法或者絕對(duì)值電路法把該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～2.4 V左右的電壓信號(hào)，同時(shí)得出電流的方向。

2.1 電壓提升法

電壓提升法的思想是把－30～+50 mA的電流信號(hào)通過(guò)I/V變換器轉(zhuǎn)換成－0.9～+1.5 V的電壓信號(hào)，然后通過(guò)加法電路把電壓提升到0～+2.4 V。電壓提升法電路圖如圖2所示。

圖2 電壓提升法電路圖

傳感器檢測(cè)到的電流信號(hào)Ia通過(guò)30 Ω的精密采樣電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V1:

I/V變換器與加法電路之間的電壓跟隨器是必不可少的，否則采樣電阻R1和R4將通過(guò)運(yùn)算放大器并聯(lián)在一起，會(huì)改變采樣的電壓值。

加法電路是為了把－0.9～+1.5 V電壓信號(hào)提升 0.9 V[7]，因?yàn)?

可取 V2=5 V，R3=50 kΩ，R4=9 kΩ，R5=9 kΩ。R3、R4、R5必須為精密電阻，否則測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的誤差。則:

V3再通過(guò)一個(gè)反向電路得到V4:

這樣就實(shí)現(xiàn)了將－60～+100 A的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～+2.4 V的電壓信號(hào)。電流方向的判斷是在DSP內(nèi)部完成的，當(dāng)電壓值小于0.9 V時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài);當(dāng)電壓值大于0.9 V時(shí)，蓄電池為放電狀態(tài)。最后電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，輸入給 AD 模塊[8]。

2.2 絕對(duì)值電路法

絕對(duì)值電路法[9－10]的思想是把 －30 ～ +50 mA的電流信號(hào)通過(guò)I/V變換器轉(zhuǎn)換成－1.5～+2.5 V的電壓信號(hào)，同時(shí)跟0 V進(jìn)行比較得出電流的方向，然后通過(guò)絕對(duì)值電路把電壓轉(zhuǎn)換成0～+2.5 V的電壓信號(hào)。絕對(duì)值電路法電路圖如圖3所示，電流方向比較電路如圖4所示。

圖3 絕對(duì)值電路法電路圖

圖4 電流方向比較電路

傳感器檢測(cè)到的電流信號(hào)Ia通過(guò)50 Ω的精密采樣電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V5:

電壓跟隨器也是必不可少的，否則會(huì)使R10和R12并聯(lián)。

對(duì)于絕對(duì)值電路，取 R12=10 kΩ，R13=20 kΩ，R15=10 kΩ，R16=10 kΩ，R17=10 kΩ，電阻都必須為精密電阻。絕對(duì)值電路的前級(jí)運(yùn)放組成反向電路，后級(jí)運(yùn)放組成加法電路。

當(dāng) V5≥0 時(shí)，D2關(guān)斷，D1導(dǎo)通:

當(dāng) V5＜0 時(shí)，D2導(dǎo)通，D1關(guān)斷:

由式(6)和式(7)，可得:

由此實(shí)現(xiàn)了把－60～+100 A的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～+2.4 V的電壓信號(hào)，然后濾波輸入給AD模塊。

電流方向比較電路是把I/V變換后的電壓信號(hào)與0電壓比較。當(dāng)蓄電池充電時(shí)，采樣電壓V5＜0，V9=12 V，然后經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換變成DSP能識(shí)別的高電平;當(dāng)蓄電池充電時(shí)，采樣電壓V5＞0，V9=－12 V，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換變成DSP能識(shí)別的低電平。

3 新型雙極性AD芯片法

對(duì)于正負(fù)電流的檢測(cè)，還可以考慮使用外接的新型雙極性AD芯片，其模擬量輸入通道可以檢測(cè)正負(fù)電壓信號(hào)。筆者采用 Analog公司的AD7321[11]，其模擬通道輸入范圍為軟件可編程的 ±10 V，±5 V，±2.5 V，0～ +10 V，筆者選擇±5 V。AD7321有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，不需要外接，因此使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。AD7321電流檢測(cè)硬件電路如圖5所示。

圖5 AD7321電流檢測(cè)硬件電路

把傳感器檢測(cè)到的－30～+50 mA的電流信號(hào)Ia通過(guò)100 Ω的精密采樣電阻 R20轉(zhuǎn)換成－3～+5 V的電壓信號(hào)V11:

然后把采樣得到的電壓信號(hào)通過(guò)濾波電路輸入給AD7321的模擬輸入通道VIN0。

AD7321與DSP芯片TMS320F2812之間通過(guò)串行接口連接在一起。串行時(shí)鐘SCLK提供轉(zhuǎn)換和控制信息的時(shí)鐘信號(hào)。片選啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程，一次轉(zhuǎn)換共需16個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。DSP通過(guò)DIN引腳向AD7321寫(xiě)入寄存器的值，AD7321有2個(gè)可編程的寄存器:控制寄存器和范圍寄存器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過(guò)DOUT輸出給DSP，包括2個(gè)零位、通道標(biāo)識(shí)位、符號(hào)位和12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果共16位數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 信號(hào)完整性分析

由于電壓提升法和絕對(duì)值電路法對(duì)I/V變換后的電壓信號(hào)進(jìn)行了變換，不能從理論上保證輸出信號(hào)完整或者沒(méi)有失真，因此必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)這兩個(gè)電路全程電壓進(jìn)行校驗(yàn)。新型AD芯片則是直接把I/V變換的電壓傳送給AD芯片，因此不需要進(jìn)行信號(hào)完整性校驗(yàn)。

圖6 AD轉(zhuǎn)換流程圖

給輸入電壓一個(gè)正弦信號(hào)，用示波器測(cè)量其輸入(下面的)、輸出(上面的)波形。在波形上，信號(hào)完整性得到了驗(yàn)證。在數(shù)據(jù)上，電壓提升電路的輸出電壓比輸入電壓提升了0.9 V，從－0.899～1.5 V提到0.013～+2.41 V，其界面圖如圖7所示;絕對(duì)值電路的輸出電壓從－1.5～+2.5 V變成了0～+2.5 V，其界面圖如圖8所示。

圖7 電壓提升法校驗(yàn)界面圖

圖8 絕對(duì)值電路法校驗(yàn)界面圖

4.2 數(shù)據(jù)比較

將TMS320F2812單片機(jī)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)顯示，用鉗形表測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上讀取3種方法的電流值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較如表1所示。電壓提升法的采樣最大誤差為1 A，精度略大于1%;絕對(duì)值電路法的采樣最大誤差為0.6 A，精度小于1%;新型AD芯片法的采樣最大誤差為0.7 A，精度小于1%。

表1 3種方法讀取電流值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)論

筆者介紹的3種電流采樣電路都能較好地實(shí)現(xiàn)雙向電流的檢測(cè)，3種采樣電路各有特點(diǎn):電壓提升法的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件價(jià)格便宜，電路易于實(shí)現(xiàn)。但其以犧牲采樣精度為代價(jià)，因此采樣精度較低;絕對(duì)值電路法的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，方向檢測(cè)必須外接電路，其采樣精度較高;新型AD芯片法的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采樣精度高，但芯片較貴。

如果使用控制芯片內(nèi)部AD，控制精度要求不高時(shí)，推薦使用電壓提升法;控制精度要求高時(shí)，推薦使用絕對(duì)值電路法;如果要求電路盡可能簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，在成本允許的條件下，推薦使用新型雙極性AD芯片法。

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