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高精度电流检测是提高闭环控制系统效率的关键

导读: 高精度电流检测是提高闭环控制系统(即电机驱动器)效率的关键。在这篇博客中,笔者总结了不同隔离电流检测方法的利与弊,并列出了一些采用它们的典型应用。

分流电阻器可用于多种工业应用,并能提供较高的准确度且实现低温度漂移。但是,它们的使用受限于其自身电阻值引起的功耗。在具有高共模电压的应用中,分流电阻器需要AMC1200等隔离式放大器或AMC1304L05等隔离式Δ-Σ调制器(适用于性能最高的系统)。AMC1304L05可提供±50mV的低输入电压范围,从而允许您使用更小的电阻分流器却不会影响性能

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图1:AMC1304L05——有效位数和过采样率

罗氏线圈(Rogowski coils)只测量交流电流(AC)并被缠绕在可分配待检测电流的导体周围。它们能提供与AC电流的变化率成比例的电压,因此在用模数转换器(ADC)进行处理之前需要一个积分器。

对应用进行改型翻新时罗氏线圈非常适用,因为该线圈可被安装在导体周围,不会中断电流流动。它们不使用金属芯子,所以定位的机械公差能影响和限制可实现的准确度。出于同样的原因,它们不会磁化达饱和点,因此可用于大电流应用。此外,它们的低电感允许在具有高压摆率的系统中使用。

在电流互感器(CT)中,初级AC电流可在磁心内产生一个场。该磁场能感应次级绕组里成比例的电流。需要一个负载电阻器来将电流转换为电压信号以供在ADC中作进一步的处理。

CT的准确度取决于设置的机械公差、负载准确度和磁心的温度漂移。磁心的饱和度可限制CT的动态范围。另一方面,专门的设计允许您为某个用例量身打造CT。在电网中,CT被广泛用于检测电流。

存在磁场、直流电流(DC)或AC的情况下,磁阻传感器可改变自己的电阻。磁阻传感器体积小巧,通常用于位置和角度感测。对不需要高准确度的小电流应用来说,磁阻传感器是低成本高效益的备选器件。

根据所使用的材料,您可从以下两种类型的磁阻传感器中进行选择:

各向异性磁阻(AMR)传感器使用铁磁材料(其中磁场会影响电阻)。因为电阻变化很小,所以常用惠斯通电桥(Wheatstone bridges)来感测它。

巨磁阻(GMR)传感器依靠的是巨磁阻效应 —— 磁场对由铁磁层和非磁性层相间制成的结构的电阻会产生相当大的影响。不过“天下没有免费的午餐” —— 与AMR传感器相比,该生产工艺更复杂且耗资更多。

霍尔效应传感器可提供与AC或DC磁场成比例的电压信号。它们存在固有噪声,并且电压水平具有很强的温度依赖性。您可采用巧妙的励磁法(如那些在DRV411传感器信号调节集成电路(IC)中所用的方法)来弥补这两个缺点。

霍尔传感器可用在不需要高准确度水平的开环应用中。为获得更高的准确度,闭环法是最佳选择;这些包括霍尔传感器、具有补偿绕组的磁心以及通常采用完整模块形式的信号调节电路。闭环模块可用于宽范围的准确度、电流和成本水平。霍尔效应传感器的其它例子包括DRV5000系列。

与其它电流检测方法相比,磁通门传感器可提供最高水平的灵敏度、最宽的动态范围以及最低噪声和温度漂移的性能。外部磁通门传感器的设计错综复杂,需要很低的机械公差;在全世界范围内只有几家制造商可提供磁通门传感器模块。TI最近宣布推出了DRV421 —— 业界首款完全集成的磁通门传感器,具备所有必需的信号调节功能,适用于闭环DC和AC应用。凭借磁心和补偿线圈,该解决方案允许轻松制造高准确度和低电平(泄漏)的电流模块。

表1对本文中描述的所有方法进行了比较。

高精度电流检测是提高闭环控制系统效率的关键

表1:电流检测方法的比较

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