LEM電流傳感器的應用探討

謝珺耀，于海波

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京東燕郊 101601)

隨著現代工業技術的不斷發展，電流檢測廣泛地應用到工業控制領域，工業控制對電流檢測的精度及響應速度的要求較高，同時希望與被檢測的對象實現完全隔離，LEM電流傳感器很好地解決了這些問題。LEM電流傳感器以其優良的性能和精巧的結構，業已成為工業控制領域中電流隔離測量的最佳解決方案，并被廣泛的應用于驅動器、變頻器、電機繞組、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公司推出的產品，有多種系列產品問世，在工業控制中獲得廣泛應用。它的原理是基于霍爾效應，是模塊化的有源電流傳感器，它把普通互感器與霍爾元件、電子線路有機地結合起來，充分發揮了普通互感測量范圍寬的長處和電子線路反應速度快的優勢，同時，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。LEM電流傳感器可對直流、交流及脈動電流進行測量[1]。圖1是LEM電流傳感器原理圖。

圖1 閉環電流傳感器原理結構圖

LEM電流傳感器有多種系列產品，每種都有不同的用途和特點，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和閉環；閉環根據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是電流閉環的形式之一，筆者僅以此類型的傳感器使用經驗與讀者共同分享。在圖1中，Ip是被測導體電流，可以理解Ip為流經原邊導體的電流(類似于變壓器原、副邊，但它是磁場直接耦合的)，在一個磁回路中有一定的間隙放置半導體霍爾器件，當Ip的大小發生變化時，霍爾電流Ic也發生變化，霍爾電壓也隨之發生變化，將此電壓變化通過放大器放大輸出，輸出的電壓大小反應了被測電流的大小。為了更穩定、更精確地測量原端Ip的大小，在磁環上繞有補償繞組，它與輸出之間形成霍爾負反饋的閉環形式，其中Is稱之為補償電流，其大小、相位反應被測電流Ip的大小、相位，這個電流通過一個標準電阻Rm產生壓降以電壓Vm的形式輸出。這種閉環電流傳感器的特點表現在：測量電壓范圍寬，反應速度快；具有很低的溫度漂移；被測器件與測量回路完全隔離；在全程測量范圍內可獲得極優良的線性度和精度。

2 電流傳感器在線性功率放大器中應用

線性功率放大器廣泛地應用在許多工業場合中，比如一個可程控的恒流源電路、電機驅動器等，在應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現完全的電氣隔離。LEM電流傳感器恰巧滿足這種應用。

2.1 放大器與電流傳感器組成的全閉環系統

功率放大器有一定的電流驅動能力和帶寬，它可以驅動任何類型的阻性和感性負載，比如較大直流照明系統、電機驅動、恒流源負載等。圖2是由線性功率放大器和電流傳感器構成的帶電流反饋的系統框圖。

在圖2中，線性功率放大器給一個感性負載提供驅動電流，這個負載可以當作電機線圈或類似的感性負載或者阻性負載 (當L0不存在時)來看待，相當于一個電感和電阻的串聯。R6是主回路的電流采樣電阻，它與Rf組成放大器的電流負反饋以穩定負載電流，R3作為電壓負反饋以穩定輸出電壓，R4作為功率放大器內環的極限電流限制。當信號源(或者控制器的DA輸出)Ui給定一個輸入時，在負載回路會產生相對應的電流輸出，這個電流的大小就由電流傳感器來檢測。當電流傳感器采用單以+5 V電源供電時，U0輸出的值會在0～5 V之間變化，檢測的電流波形只會產生在第一、第二象限。為了使其與給定信號的相位和檢測信號的相位有直接的對應關系，使檢測到的電流波形能真實地反應回路中負載電流。

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、第三象限產生。即Uif是一個完全代表被測回路Ip的電壓波形，通過后續濾波處理可以反饋到控制器以實現電流的閉環控制。從原理結構分析，霍爾型的電流傳感器對主回路實現了完全的隔離，能快速準確地反應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及其檢測電路的設計原則

以LEM電流傳感器中的LTSR 6-NP型號為例，列舉它的特點，其它型號的由于篇幅所限，不再列舉。LTSR 6-NP體積小巧，是專門用于PCB安裝而設計的，它的外形圖見圖3所示。它的電流測量范圍寬，最高可達近20 A,有很強的過載能力和較好的線性度，性能指標見表1。

圖3 LTSR 6-NP電流傳感器外形圖

表1 性能指標

按照圖2所描述的測試原理框圖，筆者設計了線性功率放大電路以驅動音圈電機并檢測電機線圈的動態電流以達到閉環控制的目的。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，整體綜合指標會有所下降，所以在高精度和快速響應的設計場合要特別加以小心。最終測量的靈敏度和帶寬要統籌考慮，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，就會在測量中帶來很大的干擾和誤差。

筆者在設計檢測電路時，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的第一、二象限內，當負載電流在負向時，輸出電壓在0.5～2.5 V之間，當負載電流在正向時，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 傳感器輸出信號處理[2]

電流傳感器檢測到的信號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進行相應的處理。在設計檢測電路時，依據電流傳感器的特性和負載額定電流±2 A的要求，將檢測電流的范圍最大設定在±6.4 A，采樣放大電路總帶寬選擇在0～8.8 kHz之內，并應用運放將輸出信號進行坐標平移進行象限變換，將信號放大10倍，由此在理想情況下得到的信號輸出范圍為－6.25～＋6.25 V，位于平面坐標的第一、三象限內，負載電流Ip與平移放大后的信號仍為線性關系。電流傳感器輸出信號不全是有用信號，特別是有強干擾源或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行濾波，因此，采用如圖5所示的有源低通濾波器來進行濾波。圖5中所示的是一個典型的二階低通有源濾波器，信號經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Uof可供控制器當作電流反饋的輸入信號。

二階低通濾波器的截止頻率：

在圖5所示的二節低通濾波器中，有如下關系：

選擇好系統的截止頻率，通過計算，匹配合適的RC參數。截止頻率點要選擇合適的位置，太高時會夾雜進許多無用的諧波和干擾信號，太低會失去一些有用的信號，兩者都會造成電流波形失真，這要根據系統的要求來決定。

圖5 有源低通濾波器

3 實驗數據分析

3.1 負載電流與輸出電壓值

應用上述電路，筆者進行實驗測量，表2中列舉了負載電流及對應輸出電壓對應關系，其中Ip是流過負載的電流，Uc是理想的輸出電壓，Uof是實時測量的輸出電壓。

表2 負載電流與輸出電壓的對應關系

利用表2的實測數據，將電流與電壓的關系用曲線圖表示(見圖6)。圖中縱坐標代表輸出電壓，即Uof或者Uc，橫坐標代表負載電流，即Ip。

圖6 負載電流與輸出電壓關系曲線

從圖6可以看出理想的電壓曲線與實測電壓曲線幾乎重合 (Uc和Uof具體差異的細節無法在此顯示，可以參看表2)。在正、負半軸線性度很好，但在過零點時，正負半軸曲線會在電壓軸上產生一個交越失真的位移點，這是因為負載電流輸入為零時，放大器在零輸入時往往不是一個理想的零值輸出，它受制于輸出級的飽和壓降、零點漂移、系統噪聲的影響。在閉環控制系統中，這種失調可以通過軟件補償實現，或者在硬件電路設計中加以考慮，以降到最小誤差范圍內。關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 數據計算分析[3]

利用下面的最小二乘法公式進行曲線擬和，以量化的形式進行考察：

利用表2的數據按照上式進行計算得：

進而有如下曲線擬合關系式：

通過以上的數據分析，線性度優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，在設計后續處理電路需要注意選擇性能好的運算放大器，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定，又提高了測量精度。

4 結束語

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用，通過對所測數據的分析對比可知LEM電流傳感器具有很好的線性度和很高的響應速度，可以應用在多種工業場合作電流動態檢測，如線性功率放大電路、電機驅動器、恒流源等。作者在這些方面也進行了深入地研究與實際考察，由于篇幅所限，不再逐一列舉，敬請讀者諒解。文中總結了作者對LEM傳感器應用的一些實際經驗，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公司電流傳感器數據手冊.Current Transducer LTSR 6-NP datasheet[Z]．

[2] 王俊省微型計算機檢測技術及應用[M]．北京：電子工業出版社,1996．

[3] 王惠文，孟潔．多元線性回歸的預測建模方法[J].北京航空航天大學學報，2003，5(3)：45-47．