謝珺耀，于海波

(中國電子科技集團(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，電流檢測廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)控制對電流檢測的精度及響應(yīng)速度的要求較高，同時(shí)希望與被檢測的對象實(shí)現(xiàn)完全隔離，LEM電流傳感器很好地解決了這些問題。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、高頻大電流測量等場合中。

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，充分發(fā)揮了普通互感測量范圍寬的長處和電子線路反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，同時(shí)，其傳感器電路由于與被測電路是隔離的，因此，LEM電流傳感器的接入對被測電路的影響可以降到最低以至于完全可以忽略不計(jì)。LEM電流傳感器可對直流、交流及脈動(dòng)電流進(jìn)行測量[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，將此電壓變化通過放大器放大輸出，輸出的電壓大小反應(yīng)了被測電流的大小。為了更穩(wěn)定、更精確地測量原端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)被測電流Ip的大小、相位，這個(gè)電流通過一個(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：測量電壓范圍寬，反應(yīng)速度快；具有很低的溫度漂移；被測器件與測量回路完全隔離；在全程測量范圍內(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檢測輸出回路的電流，而且要求與被測器件之間實(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)生相對應(yīng)的電流輸出，這個(gè)電流的大小就由電流傳感器來檢測。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)的相位和檢測信號(hào)的相位有直接的對應(yīng)關(guān)系，使檢測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)完全代表被測回路Ip的電壓波形，通過后續(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)被測回路的電流大小變化，并且對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。它的電流測量范圍寬，最高可達(dá)近20 A,有很強(qiáng)的過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)

按照圖2所描述的測試原理框圖，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)場合要特別加以小心。最終測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，否則不是帶來很高的成本，就會(huì)在測量中帶來很大的干擾和誤差。

筆者在設(shè)計(jì)檢測電路時(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)，需要對電流傳感器檢測到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理。在設(shè)計(jì)檢測電路時(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)測量，表2中列舉了負(fù)載電流及對應(yīng)輸出電壓對應(yīng)關(guān)系，其中Ip是流過負(fù)載的電流，Uc是理想的輸出電壓，Uof是實(shí)時(shí)測量的輸出電壓。

表2 負(fù)載電流與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系

利用表2的實(shí)測數(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)測電壓曲線幾乎重合 (Uc和Uof具體差異的細(xì)節(jié)無法在此顯示，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。上述對曲線的擬合，既完成了對檢測電路的重新標(biāo)定，又提高了測量精度。

4 結(jié)束語

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中的應(yīng)用，通過對所測數(shù)據(jù)的分析對比可知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)場合作電流動(dòng)態(tài)檢測，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，敬請讀者諒解。文中總結(jié)了作者對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，希望對從事電流檢測的朋友，有所幫助。

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

[2] 王俊省微型計(jì)算機(jī)檢測技術(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)測建模方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，5(3)：45-47．