|
在工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，隨著(zhù)對控制性能要求的提高，伺服電機的使用越來(lái)越多，因此配套使用的伺服電機驅動(dòng)器也隨之增長(cháng)。此類(lèi)系統通常要進(jìn)行電流的閉環(huán)控制，因此需要使用電流傳感器來(lái)檢測電流。常用的電流傳感器有霍爾電流傳感器、電阻傳感器和光學(xué)電流傳感器等三種�？紤]到傳感器的成本、體積和電氣隔離性能等因素，霍爾型電流傳感器是該場(chǎng)合使用最多的一種。 以典型的三相電動(dòng)機為例，要進(jìn)行三相電流閉環(huán)控制，在低成本方案中通常使用兩個(gè)電流傳感器檢測電流。過(guò)去常用的高精度閉環(huán)補償式霍爾電流傳感器價(jià)格較高，增加了控制器成本，若使用傳統的直接測量式霍爾電流傳感器，則達不到預期的性能。因此就有學(xué)者提出取消電流傳感器，然后通過(guò)估算電流大小進(jìn)行電流閉環(huán)控制。估算電流的方法自然給控制器的運算單元帶來(lái)負擔，同時(shí)該方法對電機參數比較敏感，對于一般設計者很難達到預期的檢測精度，也就達不到對電流進(jìn)行有效控制的目的。 最近，Allegro公司結合其半導體設計加工技術(shù)和磁參數霍爾傳感技術(shù)而開(kāi)發(fā)的ACS706系列電流傳感器，與高精度的閉環(huán)補償式霍爾電流傳感器相比，既保留了較高的精度，又降低了成本、縮小了體積。在低成本高性能的小功率伺服驅動(dòng)器中，該系列傳感器是一個(gè)不錯的選擇。 ACS706系列電流傳感器原理、特點(diǎn) ACS706系列電流傳感器是一種基于霍爾效應的雙向線(xiàn)性電流傳感器，可測的電流有5A，15A，20A等規格。傳導被測電流的導體部分與測量電路之間的交流隔離電壓有效值為2500V，直流隔離電壓為5000V。該器件采用SOIC8表貼封裝，運行溫度?40℃～＋85℃。 該傳感器管腳功能如圖1所示。其1腳和2腳合起來(lái)通到3腳和4腳，用來(lái)傳導待測電流，稱(chēng)為初級銅導體。器件的輸出以Vcc/2為中心，隨著(zhù)流過(guò)初級銅導體電流的增長(cháng)而呈正向的線(xiàn)性增長(cháng)。初級銅導體的典型的內阻為1.5m?，使得其損耗較小。銅導體的厚度允許器件最高可達3倍瞬時(shí)過(guò)流而不損壞。傳導電流的管腳與傳感引腳（5至8腳）之間電氣隔離，這就使得ACS706系列傳感器可以用在需要電氣隔離的場(chǎng)合，而不需要使用光隔離或者其他成本較高的隔離技術(shù)。 該電流傳感器的特點(diǎn)如下： 1)尺寸小， SOIC8封裝，節省空間； 2 )輸出電壓正比于交直流電流，輸出靈敏度133mV/A，動(dòng)態(tài)電流范圍大。 3)輸出偏移電壓穩定，磁滯近乎為零。 ACS706系列電流傳感器的原理如圖2所示，傳感器中加入了電壓調整模塊和溫度補償模塊。 ACS706系列電流傳感器為工業(yè)、汽車(chē)、商業(yè)及通訊系統應用提供了一個(gè)經(jīng)濟、高精度的解決方案。該器件的封裝方便用戶(hù)使用。典型的應用領(lǐng)域包括電機控制、負載檢測與管理、開(kāi)關(guān)電源和過(guò)流故障保護等。 針對傳感器溫度敏感性進(jìn)行的實(shí)驗 在使用ACS704系列傳感器的時(shí)候，發(fā)現該傳感器的輸出電壓信號對器件的溫度比較敏感。在布置PCB時(shí)，若把器件放置在功率器件附近，由于發(fā)熱及傳導，系統長(cháng)時(shí)間運行時(shí)，會(huì )使得電流傳感器溫度較高，由于該系列芯片沒(méi)有溫度補償環(huán)節，實(shí)驗中發(fā)現器件輸出的電壓信號偏移較大，從而引起較大的電流測量誤差，給驅動(dòng)器的控制特性帶來(lái)較大的負面影響。 ACS706系列電流傳感器對ACS704系列進(jìn)行了改進(jìn)，加入了溫度補償環(huán)節和供電電壓的調整環(huán)節。兩者封裝完全兼容，所以可以方便的移植到原控制板中。應用ACS706系列傳感器，偏差較大的問(wèn)題得到解決，器件的綜合指標滿(mǎn)足低成本高精度伺服驅動(dòng)器使用場(chǎng)合的需求。 通過(guò)對上述兩種芯片的試用，不同的結果驅使我們想比較準確的把握兩種芯片的特性，尤其是溫度特性，因此設計了測量此類(lèi)傳感器溫度敏感性的實(shí)驗。 實(shí)驗原理 隨機抽取ACS704ELC-005傳感器和ACS706ELC-05C傳感器各兩個(gè)，分別命名為1#704、2#704、1#706和2#706，按圖3連好線(xiàn)，將傳感器放入室內、烘箱或冷柜中，測試不同溫度下傳感器的輸出信號與電流的對應關(guān)系。 測試溫度變化范圍－40℃～＋120℃，溫度測試點(diǎn)分別為－40℃、－20℃、20℃、40℃、60℃、90℃和120℃。 電流從－5A ～ ＋5A每逢整數電流測試一組數據，共11個(gè)測試點(diǎn)，而且在同一溫度下，進(jìn)行兩次實(shí)驗。 準確設定待測電流和供電電壓Vcc，記錄輸出電壓Vout和溫度值。 實(shí)驗結果及分析 在 不同溫度下對4片樣片進(jìn)行測試， 1#704、2#704和1#706、2#706的輸出電壓與被測電流之間的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。從實(shí)驗結果看，除了1#706器件在－40℃時(shí)出現異常輸出外，其余條件下器件的線(xiàn)性度較高，一致性較好。 器件在－40℃時(shí)異�？赡艿脑蚴窃撈骷诘蜏貙�(shí)驗之前經(jīng)受了120℃的高溫實(shí)驗，而此溫度是超出器件允許使用溫度的，這樣可能造成了器件內部故障，而在低溫實(shí)驗時(shí)體現出來(lái)。實(shí)驗中發(fā)現，4個(gè)樣品中有2個(gè)器件是先做高溫實(shí)驗后作低溫實(shí)驗的，而恰好這兩個(gè)樣品出現了異�，F象，而其余兩個(gè)未發(fā)現異常問(wèn)題�？紤]生產(chǎn)廠(chǎng)在數據手冊中標明可以在－40℃下運行，故筆者才產(chǎn)生上述推斷。 為了從總體上對比，將4個(gè)樣片各自在不同溫度下測量的結果進(jìn)行平均（排除1#706樣片異常的數據），并將得到的4組數據進(jìn)行對比，結果如圖6所示，可以看出ACS704系列的兩個(gè)傳感器的輸出電壓與待測電流之比（即斜率）比ACS706系列的稍小。而ACS706系列的斜率更接近于數據手冊中給出的典型值0.133V/A。 在被測電流為零時(shí)，對4個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行抽取，觀(guān)察其溫度特性，對比結果如圖7所示，從圖看出兩種傳感器沒(méi)有明顯區別，但中心值多數偏低于Vcc/2（2.5V）。 為 了放大觀(guān)察實(shí)驗結果，從圖4、圖5對應的實(shí)驗數據中計算4個(gè)樣 片不同溫度下的靈敏度（單位V/A）， 1#70 4、2#704和1#706、2#706的結果分別如圖8和圖9所示。比較可見(jiàn)，ACS706傳感器樣品的靈敏度更接近數據手冊中給出的典型值0.133V/A，而且參數更好的集中在該值附近，而ACS704傳感器樣品的靈敏度偏移較大，而且比較離散。 觀(guān)察全部曲線(xiàn)可以看出，在現有實(shí)驗條件下，該實(shí)驗測量的數據點(diǎn)可能存在較大的偏差，從而影響了對器件的客觀(guān)評價(jià)。但不可否認，總的趨勢是有一定的參考意義的。同時(shí)，在實(shí)際的使用場(chǎng)合，特別是伺服驅動(dòng)器類(lèi)的電磁干擾比較大的場(chǎng)合，測量結果偏差也會(huì )較大，該問(wèn)題在編制控制軟件時(shí)要予以考慮。 傳感器在實(shí)際系統中的應用 ACS706系列傳感器低成本、高精度、小封裝以及良好的隔離特性使得其比較適合應用于伺服電機驅動(dòng)系統，這樣既解決了使用傳統高精度傳感器成本高、體積大的問(wèn)題，又避免了采用無(wú)電流傳感器方法帶來(lái)的電流估算難題。 下面是該傳感器在一款低成本永磁同步電機驅動(dòng)器中的具體應用情況。 原理圖 所設計的驅動(dòng)器采用兩個(gè)電流傳感器測量電機兩相電流，截取一路電流傳感部分原理圖如圖10所示。圖中，后端對傳感器信號處理部分的參數可根據用戶(hù)具體情況設定，如放大倍數和偏置電壓等。 PCB布板建議及實(shí)際應用示例 由于傳感器的封裝形式為SOIC8，尺寸較小，自然使得待測電流流過(guò)的管腳小、距離近，同時(shí)其測量的動(dòng)態(tài)電流又相對較大，因此在進(jìn)行PCB布板時(shí)要充分考慮電流流過(guò)的路徑，盡量增大導電銅皮的截面積，從而減小導通電阻，減小發(fā)熱。另外，在放置該器件時(shí)要使其與大功率發(fā)熱器件的焊盤(pán)保持一定距離，以便留有一定的散熱面積，否則容易把功率器件的發(fā)熱傳導至傳感器，引起較高的溫度。 依據使用經(jīng)驗，在常用的雙層板情況下，建議按圖11布線(xiàn)，圖中左側圖形為底層圖形，右側為頂層圖形。 實(shí)現的硬件如圖12所示，可見(jiàn)使用該傳感器既節省空間，又能達到電氣隔離的目的。 實(shí)驗結果 如圖13所示，應用ACS706系列傳感器的伺服驅動(dòng)器在驅動(dòng)電機加速時(shí)的相電流波形正弦性較好，可見(jiàn)系統能夠平穩的控制電流。實(shí)驗結果表明，在伺服驅動(dòng)系統中使用此類(lèi)電流傳感器是成功的。 結束語(yǔ) 通過(guò)實(shí)驗分析，驗證了ACS706系列傳感器具有較高的精度，溫度穩定性較ACS704系列傳感器有所改進(jìn)。將其用于實(shí)際系統的實(shí)驗結果表明，應用此類(lèi)傳感器可以降低驅動(dòng)器成本、減小體積，同時(shí)還可以保持較高的性能。設計時(shí)再仔細考慮PCB布線(xiàn)、發(fā)熱等因素，還可以更進(jìn)一步地提高電流檢測環(huán)節的熱穩定性和精度。 實(shí)驗表明，應用時(shí)要符合此類(lèi)傳感器的使用條件，否則可能出現不可預期的失效現象。 |
