雙向線性電流傳感器ACS706的原理、特點(diǎn)及在工業(yè)控制中的應(yīng)

作者：馬長(zhǎng)軍，朱宏偉，鄒繼斌
在工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，隨著對(duì)控制性能要求的提高，伺服電機(jī)的使用越來(lái)越多，因此配套使用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也隨之增長(zhǎng)。此類系統(tǒng)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(cè)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。考慮到傳感器的成本、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(jī)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(cè)電流。過(guò)去常用的高精度閉環(huán)補(bǔ)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(tǒng)的直接測(cè)量式霍爾電流傳感器，則達(dá)不到預(yù)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(yùn)算單元帶來(lái)負(fù)擔(dān)，同時(shí)該方法對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感，對(duì)于一般設(shè)計(jì)者很難達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)精度，也就達(dá)不到對(duì)電流進(jìn)行有效控制的目的。
最近，Allegro公司結(jié)合其半導(dǎo)體設(shè)計(jì)加工技術(shù)和磁參數(shù)霍爾傳感技術(shù)而開發(fā)的ACS706系列電流傳感器，與高精度的閉環(huán)補(bǔ)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(qū)動(dòng)器中，該系列傳感器是一個(gè)不錯(cuò)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(yīng)的雙向線性電流傳感器，可測(cè)的電流有5A，15A，20A等規(guī)格。傳導(dǎo)被測(cè)電流的導(dǎo)體部分與測(cè)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(yùn)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(dǎo)待測(cè)電流，稱為初級(jí)銅導(dǎo)體。器件的輸出以Vcc/2為中心，隨著流過(guò)初級(jí)銅導(dǎo)體電流的增長(zhǎng)而呈正向的線性增長(zhǎng)。初級(jí)銅導(dǎo)體的典型的內(nèi)阻為1.5m？，使得其損耗較小。銅導(dǎo)體的厚度允許器件最高可達(dá)3倍瞬時(shí)過(guò)流而不損壞。傳導(dǎo)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(jié)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(wěn)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(diào)整模塊和溫度補(bǔ)償模塊。
ACS706系列電流傳感器為工業(yè)、汽車、商業(yè)及通訊系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高精度的解決方案。該器件的封裝方便用戶使用。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括電機(jī)控制、負(fù)載檢測(cè)與管理、開關(guān)電源和過(guò)流故障保護(hù)等。

針對(duì)傳感器溫度敏感性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)
在使用ACS704系列傳感器的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)該傳感器的輸出電壓信號(hào)對(duì)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(dǎo)，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，會(huì)使得電流傳感器溫度較高，由于該系列芯片沒有溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)器件輸出的電壓信號(hào)偏移較大，從而引起較大的電流測(cè)量誤差，給驅(qū)動(dòng)器的控制特性帶來(lái)較大的負(fù)面影響。

ACS706系列電流傳感器對(duì)ACS704系列進(jìn)行了改進(jìn)，加入了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)和供電電壓的調(diào)整環(huán)節(jié)。兩者封裝完全兼容，所以可以方便的移植到原控制板中。應(yīng)用ACS706系列傳感器，偏差較大的問題得到解決，器件的綜合指標(biāo)滿足低成本高精度伺服驅(qū)動(dòng)器使用場(chǎng)合的需求。
通過(guò)對(duì)上述兩種芯片的試用，不同的結(jié)果驅(qū)使我們想比較準(zhǔn)確的把握兩種芯片的特性，尤其是溫度特性，因此設(shè)計(jì)了測(cè)量此類傳感器溫度敏感性的實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)原理
隨機(jī)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，將傳感器放入室內(nèi)、烘箱或冷柜中，測(cè)試不同溫度下傳感器的輸出信號(hào)與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)試溫度變化范圍－40℃～＋120℃，溫度測(cè)試點(diǎn)分別為－40℃、－20℃、20℃、40℃、60℃、90℃和120℃。
電流從－5A～＋5A每逢整數(shù)電流測(cè)試一組數(shù)據(jù)，共11個(gè)測(cè)試點(diǎn)，而且在同一溫度下，進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。
準(zhǔn)確設(shè)定待測(cè)電流和供電電壓Vcc，記錄輸出電壓Vout和溫度值。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
在不同溫度下對(duì)4片樣片進(jìn)行測(cè)試，1#704、2#704和1#706、2#706的輸出電壓與被測(cè)電流之間的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，除了1#706器件在－40℃時(shí)出現(xiàn)異常輸出外，其余條件下器件的線性度較高，一致性較好。
器件在－40℃時(shí)異?？赡艿脑蚴窃撈骷诘蜏貙?shí)驗(yàn)之前經(jīng)受了120℃的高溫實(shí)驗(yàn)，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(nèi)部故障，而在低溫實(shí)驗(yàn)時(shí)體現(xiàn)出來(lái)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，4個(gè)樣品中有2個(gè)器件是先做高溫實(shí)驗(yàn)后作低溫實(shí)驗(yàn)的，而恰好這兩個(gè)樣品出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，而其余兩個(gè)未發(fā)現(xiàn)異常問題?？紤]生產(chǎn)廠在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明可以在－40℃下運(yùn)行，故筆者才產(chǎn)生上述推斷。
為了從總體上對(duì)比，將4個(gè)樣片各自在不同溫度下測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行平均（排除1#706樣片異常的數(shù)據(jù)），并將得到的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)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(cè)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(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的典型值0.133V/A。
在被測(cè)電流為零時(shí)，對(duì)4個(gè)傳感器的輸出進(jìn)行抽取，觀察其溫度特性，對(duì)比結(jié)果如圖7所示，從圖看出兩種傳感器沒有明顯區(qū)別，但中心值多數(shù)偏低于Vcc/2（2.5V）。
為了放大觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖4、圖5對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中計(jì)算4個(gè)樣片不同溫度下的靈敏度（單位V/A），1#704、2#704和1#706、2#706的結(jié)果分別如圖8和圖9所示。比較可見，ACS706傳感器樣品的靈敏度更接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的典型值0.133V/A，而且參數(shù)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。

觀察全部曲線可以看出，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)可能存在較大的偏差，從而影響了對(duì)器件的客觀評(píng)價(jià)。但不可否認(rèn)，總的趨勢(shì)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(qū)動(dòng)器類的電磁干擾比較大的場(chǎng)合，測(cè)量結(jié)果偏差也會(huì)較大，該問題在編制控制軟件時(shí)要予以考慮。
傳感器在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)用于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這樣既解決了使用傳統(tǒng)高精度傳感器成本高、體積大的問題，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(jī)驅(qū)動(dòng)器中的具體應(yīng)用情況。
原理圖
所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器采用兩個(gè)電流傳感器測(cè)量電機(jī)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(duì)傳感器信號(hào)處理部分的參數(shù)可根據(jù)用戶具體情況設(shè)定，如放大倍數(shù)和偏置電壓等。

PCB布板建議及實(shí)際應(yīng)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(cè)電流流過(guò)的管腳小、距離近，同時(shí)其測(cè)量的動(dòng)態(tài)電流又相對(duì)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(dǎo)電銅皮的截面積，從而減小導(dǎo)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(dǎo)至傳感器，引起較高的溫度。
依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，在常用的雙層板情況下，建議按圖11布線，圖中左側(cè)圖形為底層圖形，右側(cè)為頂層圖形。
實(shí)現(xiàn)的硬件如圖12所示，可見使用該傳感器既節(jié)省空間，又能達(dá)到電氣隔離的目的。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
如圖13所示，應(yīng)用ACS706系列傳感器的伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速時(shí)的相電流波形正弦性較好，可見系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的控制電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用此類電流傳感器是成功的。
結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了ACS706系列傳感器具有較高的精度，溫度穩(wěn)定性較ACS704系列傳感器有所改進(jìn)。將其用于實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用此類傳感器可以降低驅(qū)動(dòng)器成本、減小體積，同時(shí)還可以保持較高的性能。設(shè)計(jì)時(shí)再仔細(xì)考慮PCB布線、發(fā)熱等因素，還可以更進(jìn)一步地提高電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的熱穩(wěn)定性和精度。
實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用時(shí)要符合此類傳感器的使用條件，否則可能出現(xiàn)不可預(yù)期的失效現(xiàn)象。