基于hcpl_7840的电流传感器设计

1、 第 45 卷 第 5 期 Vol. 45. No. 5 May 2012 MICROMOTORS2012 年5 月HCPL- 7840 的电流传感器设计基于范海峰，张一鸣，王旭红 ( 北京工业大学，北京 100124) 摘 要: 设计并实现了一种基于光电隔离器 HCPL-7840 的电流传感器，该传感器采用一片高精度、低阻值的采样电阻采集大电流信号，然后通过 HCPL-7840 及一系列运放，将之转为电压信号，该电压信号正比于采集的电流信号。实验表明该传感器具有较高的精度，适用于一些需要采集大电流信号的场合。 关键词: 光电隔离放大器; 采样; 电流; 电压 中图分类号: TM36 + 1文

2、献标志码: A文章编号: 1001-6848(2012)05-0048-04 Design of Current Sensor Based on HCPL-7840 Isolation AmplifierFAN Haifeng，ZHANG Yiming，WANG Xuhong ( Beijing University of Technology，Beijing 100124，China) Abstract: This thesis designed a kind of current sensor based on optical isolators HCPL-7840，which used

3、a high precision，low-resistance sampling resistor Through the HCPL-7840 and a series of op-amp，the cur- rent signal can be converted into voltage，the voltage signal is proportional to the collected current Experi- ments show that the sensor has high accuracy for some current-sampling occasions Key w

4、ords: isolation Amplifier; sampling; current; voltage上产生的幅度相等，相位相同的噪声) 。同时，较宽的温度范围允许 HCPL-7840 工作在较为恶劣的工作环境下1。 如图 1 所示，1、4 管脚为原级电源输入，8、5为次级电源输入，原级和次级电源必须隔离。2、3 为原级采样输入，7、6 管脚为次级差分信号输出。 0引言在一些需要检测电流的场合， 如无刷直流电机驱动控制系统中， 电机相电流的采样与检测是非常重要的环节，要想实现对无刷直流电机高精度的控制， 必须对电机的相电流进行精确、快速的采样及检测。但是目前市面上常见的电流传感装置， 大都

5、不能实现对大电流进行高精度的检测，本文设计的 电流传感装置能对大电流进行精确的采样及检测， 经验证，满足对控制性能的要求。 1HCPL-7840性能HCPL-7840 隔离放大器系列是安捷伦( Agilent)公司专为电机电流检测设计的，性能非常优越，额定增益 8 倍，0. 01% 非线性度，100 kHz 带宽，能抵 抗至少 10 kV/ s 的共模干扰( 一般指在两根信号线 图 1 HCPL-7840 结构框图电机的实时相电流通过一片高精度( 0. 1% ) 、低阻值( 5 m) 的精密采样电阻后得到实时的模拟电收稿日期: 2011-08-29 基金项目: 公益性行业科研专项: 固定翼无人

6、机航磁探测系统研制( 201011080) 作者简介: 范海峰( 1985) ，男，硕士研究生，研究方向为电机控制与调速技术。张一鸣( 1964) ，男，教授，博士生导师，研究方向为电机及驱动。王旭红( 1987) ，男，硕士研究生，研究方向为电机控制与调速技术。 49 5 期范海峰等: 基于 HCPL-7840 的电流传感器设计压，然后输入到芯片的原级采样输入端，这时在芯片的次级差分信号输出端就输出一个正比于采样电流的差分电压信号，将此差分电压信号通过一片运放转为单端的电压信号，然后输入到 DSP 的 AD 转 换单元进行处理，完成电流采样与检测。 2总体设计图 4 电阻接线图系统的硬件设计

7、框图如图 2 所示，原级和次级电源隔离供电， 推荐电压为 4. 5 5. 5 V， 电流8. 8 mA，输入信号在 0. 2 V 到 0. 2 V 之间线性度最好，额定增益 8 倍，5% 容差。在电机相电流的采样中，电流取自电机任意两相的线电流， 而在其他场合，则是取自需要测量电流的电路， 经过采样电阻后转为模拟电压，输入 HCPL-7840 后，在输出端输出差分的电压信号，再经过一片运放 LM358，将 之转为正比于电流的电压信号。 2. 2电源的选择HCPL-7840 原级与次级的电源必须采用隔离输入，要求都是 4. 5 5. 5 V 输入，一般采用开关电源或者 DC-DC 供电，但是为了

8、达到最好的供电效果， 原级的供电可以取自功率驱动芯片的门极驱动电路 的供电电源中获得，然后经过一片 7805，将之转为5 V 为原级供电，如图 2 所示。次级的供电可以采用 DC-DC 供电，要求与原级的供电电源隔离2。当然，也可直接用 5 V 供电，然后加隔离芯片加以 隔离。2. 3运放的选择HCPL-7840 的次级输出的是差分的电压信号， 其两个输出端的电压差正比于电流信号，后续采用一片高精度运放，将差分的电压信号转为正比于采 样电流的电压信号3。运放选用 ADI 的高精度运放 LM358，LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电

9、源使用，也适用于双电源工作模式4， 在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合4，LM358 的 内部电路原理如图 5 所示。 图 2 硬件设计原理图2. 1采样电阻的选择系统选用 VISHAY 公司的 CSM3637Z 系列电流 采样电阻， 具体参数如下: 阻值为 5 m; 精度 0. 1% ;最大电流为 31 A; TCR 为 5ppm。图 3 工作温度范围从图 3 中可以看出，在 65到 70的范围内，电阻的性能几乎不受影响，超过 70 性能才会 下降，所以特别适

10、合于一些环境恶劣的场合。 为了减小精密采样电阻在接线的时候由于导线 带来的误差，电阻的接线采用如图 4 所示接法，可以有效的减小导线带来的误差。 图 5 内部电路原理图HCPL-7840 的两个输出端 Vout + 和 Vout 的输出电压随输入电压的变化呈相反的趋势变化，如图 6 所 50 45 卷V 时，Vout + = Vout V。 示，当输入为 0的差分电压为 0= 2. 5 V，即输出 传感器可以应用到很多需要检测电流的场合，有较宽的电流采样范围6。 如图 7 所示，将电流检测电路应用到无刷直流电机控制系统中，将精密采样电阻串联到无刷直流电机三相中的任意一相中7，电机运行时，相电流

11、经过采样电阻后转换为电压信号， 然后经过一系列的转换，输入到 DSP 的 AD 转换单元中，进行电流闭环调节，经试验验证，满足对控制性能的要求。 图 6 HCPL-7840 输出电压曲线当输入从 0. 2 V 到 0. 2 V 变化时，因为额定增益为 8 倍，所以输出信号是在 1. 6 V 到 + 1. 6 V 之间的差分电压信号，但是处理器( DSP) 的 AD 转换单元一般接受 0 3. 3 V( 或 0 5 V) 之间的单端电压信号4，所以需要对 HCPL-7840 输出的差分电压信号进行偏置放大，转为 AD 单元需要的单端电压信号， 在这里，我们可以接一个 1. 9 V 的偏置 Vre

12、f，如图 2 所示5。为了达到差分放大的效果，必须 R1 = R2， R3 = R4; 根据运算放大器原理，可以计算出: 图 7 电流传感器在电机控制中的应用4实验验证设计完成的电流传感器实物如图 8 所示，主要包含采样电阻、光电隔离器 HCPL-7840 及精密运放LM358 等，中间空隙起电气隔离作用， 将强弱电分开。 ( Vout + Vout ) * R3+V= Voutref R13应用举例图 8 系统实验验证在无刷直流电机的控制中，采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的 动态性能要求较高，例如: 要求快速起制动

13、，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。所以一般采取转速、电流双闭环调节对电机进行控 制。这时就需要对电机相电流进行实时、快速、精 确的采样和检测。 设计的基于光电隔离放大器 HCPL-7840 的电流 如表 1 所示，在实验验证的过程中，先将电流设定为 1 A，然后逐次上调电流值，直到调到 30A，从表中可以看出，电流在正向和反向两种状态下， 电压的实测值和理论值非常接近，误差很小，线性 度很好，达到设计要求。另外，当用交流电做验证 时，情况与直流情况相近，误差都较小，在这里不 再赘述。 表 1 电压误差分析表电流值/ A正向理论值/ V正向实际值/ V误差/ V反向理论值/ V

14、反向实际值/ V误差/ V123456780. 080. 160. 240. 320. 4 0. 480. 560. 640. 11230. 19270. 27310. 35360. 43410. 51460. 59510. 67560. 03230. 03270. 03310. 03360. 03410. 03460. 03510. 0356 0. 08 0. 16 0. 24 0. 32 0. 4 0. 48 0. 56 0. 64 0. 0517 0. 129 0. 2094 0. 2897 0. 3703 0. 4508 0. 5312 0. 61160. 02830. 031 0.

15、03060. 03030. 02970. 02920. 02880. 0284 51 5 期范海峰等: 基于 HCPL-7840 的电流传感器设计续表电流值/ A正向理论值/ V正向实际值/ V误差/ V反向理论值/ V反向实际值/ V误差/ V9 1011121314151617181920212223242526272829300. 720. 8 0. 880. 961. 041. 121. 2 1. 281. 361. 441. 521. 6 1. 681. 761. 841. 922 2. 082. 162. 242. 322. 4 0. 75610. 83670. 91720. 99

16、781. 07841. 159 1. 23961. 32021. 40091. 48171. 56241. 64321. 72411. 80511. 88581. 96672. 04762. 12872. 20952. 29062. 37162. 45260. 0361 0. 0367 0. 0372 0. 0378 0. 0384 0. 039 0. 0396 0. 0402 0. 0409 0. 0417 0. 0424 0. 0432 0. 0441 0. 0451 0. 0458 0. 0467 0. 0476 0. 0487 0. 0495 0. 0506 0. 0516 0. 05

17、26 误差呈增大趋势 0. 72 0. 8 0. 88 0. 96 1. 04 1. 12 1. 2 1. 28 1. 36 1. 44 1. 52 1. 6 1. 68 1. 76 1. 84 1. 92 2 2. 08 2. 16 2. 24 2. 32 2. 4 0. 692 0. 7724 0. 8528 0. 9331 1. 0136 1. 0942 1. 1747 1. 2551 1. 3356 1. 4161 1. 4965 1. 5771 1. 6577 1. 7383 1. 8188 1. 8992 1. 9798 2. 0605 2. 141 2. 2217 2. 3022

18、 2. 38270. 028 0. 0276 0. 0272 0. 0269 0. 0264 0. 0258 0. 0253 0. 0249 0. 0244 0. 0239 0. 0235 0. 0229 0. 0223 0. 0217 0. 0212 0. 0208 0. 0202 0. 0195 0. 019 0. 0183 0. 0178 0. 0173 误差呈减小趋势图 9 可以直观的反映出正向电压理论值和正向电压实测值的误差对比，反向电压理论值和反向电 压实测值的误差对比，从图中可以看出，在正向和 反向两种状态下，电压的理论值和实测值基本吻 合，而且线性度非常高， 近似直线， 完全合

19、乎要求。图中分别用蓝、绿、黑和红四种颜色的曲线表 示正反向理论值与实测值，从图中我们可以看出， 在正向电压时，误差随着电流的加大，误差稍微变 大; 而在加反向电压时情况相反，随着电流的加大， 误差有所减小。 5结语结合 HCPL-7840 的技术特点，采用高精度、低温漂的采样电阻设计了一种电流传感电路，结构简单，易于调试。经试验验证，精度较高、误差较小而且线性度好，采样的电流范围较宽，能够检测较大的电流，可以很好的应用到一般的电流检测场合中。 参考文献1Gentile G，Rotondale N，Tursini M Investigation of Inverter-fed In- duction Motors Under Fault ConditionsC IEEE Power Electronics Specialists Conference，1992 Blaabjerg F，Peder