霍爾電流檢測在某直流控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬 麗

(山西國營大眾機(jī)械廠，山西 太原 030024)

2017-07-14

馬麗(1981- )，女，山西古交人，助理工程師，從事的工作及研究方向：電子電路硬件設(shè)計。

1674- 4578(2017)05- 0009- 03

霍爾電流檢測在某直流控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬 麗

(山西國營大眾機(jī)械廠，山西 太原 030024)

在直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，電流檢測是不可缺少的環(huán)節(jié)。本文提出了一種基于閉環(huán)霍爾電流傳感器的某直流控制系統(tǒng)中的電流檢測方案，分析了電流檢測的基本原理、電流信號的處理及電流的過流保護(hù)功能。

閉環(huán)；霍爾電流傳感器；電流檢測

當(dāng)今時代，直流電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中起著十分重要的作用。在直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，電流檢測是非常重要的環(huán)節(jié)。精確的電流采樣，一方面可以用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的某些功能；另一方面，當(dāng)直流電機(jī)由于負(fù)載原因出現(xiàn)短路、過流等故障時，特定的電流檢測電路能夠使電機(jī)的驅(qū)動模塊等得到保護(hù)。本文選用閉環(huán)霍爾電流傳感器完成電流檢測功能，它具有出色的精度，良好的線性度，低溫漂，較快的反應(yīng)時間等優(yōu)異特性，適用于直流電機(jī)電流的檢測。

1 基于閉環(huán)霍爾電流傳感器的電流檢測技術(shù)

1.1 霍爾效應(yīng)

當(dāng)在長方形半導(dǎo)體薄片的長度方向通以直流電流I時，若在其厚度方向存在一磁場B，那么，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH(稱為霍爾電勢或霍爾電壓)，此即霍爾效應(yīng)。

圖1 霍爾效應(yīng)原理圖

如圖1，N型半導(dǎo)體薄片中通以控制電流I，半導(dǎo)體中的載流子(電子)將沿著和電流相反的方向運動。若垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上加以磁場B，則由于洛倫茲力fL的作用，電子將向一邊偏轉(zhuǎn)，形成電子累積；而另一邊則積累正電荷，于是產(chǎn)生電場。該電場阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場作用在運動電子上的力fE與洛倫茲力fL相等時，電子的累積達(dá)到動態(tài)平衡。此時建立的電場為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢UH，其大小可用下式表示：

(1)

式中：RH—霍爾常數(shù)，m3·C-1；

I—控制電流，A；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

d—霍爾元件的厚度，m。

由式(1)可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

1.2 霍爾電流傳感器的工作原理

霍爾電流傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅饔袃煞N工作方式，即開環(huán)(直測式)和閉環(huán)(磁平衡式)。

開環(huán)霍爾電流傳感器是在強(qiáng)磁性材料的鐵芯氣隙中安裝了霍爾器件。當(dāng)原邊電流IP流過一根長導(dǎo)線時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中的霍爾元件進(jìn)行測量并放大輸出，其輸出電壓Vs精確反映原邊電流IP。但由于鐵芯的非線性，這種形式的傳感器具有精度低、響應(yīng)速度慢、溫漂大、線性度差的缺點。

為了克服開環(huán)霍爾電流傳感器的不足，需采用閉環(huán)霍爾電流傳感器。如圖2所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器中增加了一個二次補(bǔ)償線圈，原邊電流IP所產(chǎn)生的磁場，通過副邊線圈(二次補(bǔ)償線圈)的電流Is所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的狀態(tài)，于是霍爾器件的非線性誤差和精度有了很大的提高。這一過程是一個動態(tài)過程，可表述為：

NPIP=NsIs·

(2)

其中，NP為原邊線圈的匝數(shù)，一般為1，IP為原邊電流，Ns為副邊線圈的匝數(shù)，Is為副邊補(bǔ)償電流。

從式(2)可以看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通過測量副邊補(bǔ)償電流Is的大小，即可推算出原邊電流Ip的值，從而實現(xiàn)原邊電流的隔離測量。

圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理

閉環(huán)霍爾電流傳感器的輸出信號Is一般很小，只有10 mA～400 mA。如果輸出電流經(jīng)過取樣電阻(測量電阻)Rm，則可得到一個大小為幾伏的電壓輸出信號。

2 閉環(huán)霍爾電流傳感器選型

在本設(shè)計中，直流電機(jī)峰值電流為18 A，穩(wěn)定后電流為6 A，因此選用南京中霍的HCS-LTS-06A型霍爾電流傳感器，其主要性能參數(shù)見表1。

根據(jù)表1參數(shù)，由磁勢平衡原理可計算HCS-LTS-06 A霍爾電流傳感器輸入電流與輸出電壓值的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)輸入額定電流6 A時，額定輸出電壓U=6/960*1*100+2.5=3.125。同理，可計算輸入不同電流0、12、18、19.2時的輸出電壓值，詳見表2。

表1 HCS-LTS-06A型霍爾電流傳感器的主要性能參數(shù)

表2 HCS-LTS-06A型霍爾電流傳感器輸入電流與輸出電壓的關(guān)系

3 電流信號的處理

本設(shè)計考慮HCS-LTS-06 A型霍爾電流傳感器的輸出電壓Um需輸入單片機(jī)，因此需首先對霍爾傳感器輸出電壓信號進(jìn)行偏移放大處理，以適應(yīng)不同供電要求單片機(jī)(本設(shè)計選用5 V供電單片機(jī))的A/D輸入接口要求，使單片機(jī)根據(jù)不同A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理，并采取相應(yīng)控制措施。本設(shè)計電路如圖3所示，圖中放大電路選用高精度運算放大器LT1078，霍爾電流傳感器輸出電壓信號Um經(jīng)C1、C2濾波，第一級N1：A差分放大，第二級N1：B反相比例運算，最后經(jīng)R11、C3、V1濾波、限幅，輸出端電壓Vad。經(jīng)放大處理后的電壓信號Vad可與單片機(jī)相匹配，其計算公式如下：

(3)

設(shè)計應(yīng)用中，R6/R3=R5/R4，通過調(diào)節(jié)電位器R2和R10的有效阻值，保證電流信號在0 A～19.2 A范圍內(nèi)變化時，單片機(jī)接收的信號在0 V～5 V電壓范圍。

本設(shè)計選用宏晶科技的單片機(jī)STC15F2K56S2-28I作為不同采樣電流信號的核心控制處理單元。通過霍爾電流傳感器精確的電流實時采樣，偏移放大電路的信號處理，單片機(jī)采集最后轉(zhuǎn)換電壓Vad，一方面可以使單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程形成閉環(huán)，即電機(jī)起動后，電機(jī)運行電流反饋給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)設(shè)定電流與反饋電流動態(tài)平衡時，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，因此可實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制；另一方面，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過流等故障時，單片機(jī)將按不同的電流采樣值采取限流或截流措施，以避免電機(jī)的驅(qū)動模塊等遭受損壞，從而完成對整個系統(tǒng)的保護(hù)。

圖3 霍爾電流傳感器輸出電壓信號的處理電路理

4 結(jié)束語

在直流電機(jī)的控制系統(tǒng)中，精確的電流采樣是整個系統(tǒng)正常運行的必要條件，因此本文提出了一種基于閉環(huán)霍爾電流傳感器的直流電機(jī)電流檢測方案，分析說明了電流檢測的基本原理、電流信號的處理及其在實際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。經(jīng)系統(tǒng)測試試驗，該方案的采用能夠?qū)χ绷骺刂葡到y(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行較為精確的控制，能夠?qū)ο到y(tǒng)起到一定保護(hù)作用，因此，該方案合理可行，便捷實用，操作簡單，運行可靠。

[1] 高振天，郭立新.電機(jī)控制系統(tǒng)中的電流檢測技術(shù).機(jī)電工程技術(shù)，2012，41(8)：148-150.

[2] 孫建民，楊清梅.傳感器技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2005:259-260.

ApplicationofHallCurrentDetectioninaDCControlSystem

Ma Li

(State-ownedDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China)

The current detecting is an indispensable part in DC motor control system. This paper presents a scheme of current detection in a certain DC control system based on the closed-loop Hall current sensor. The basic principle of the current detection, the current signal processing and the function of the over-current protection are analyzed respectively. Tests and experiments show this scheme has good feasibility.

closed-loop; Hall current sensor; current detection

TP273.5

A