基于霍爾電流傳感器的電源監控系統設計

周越文，鄧 俊，文 瑩，陳茂才

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院，陜西 西安710038;2.空軍空降兵學院，廣西 桂林541002;3.中國船舶重工集團公司 第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

為滿足測試項目的需要，測試設備往往需要將供電電源分配成多路提供給被測對象。由于每路電源工作電流不同，每路電源所設置的電流保護值也不同，因此，需要設計電源監控系統，用于實時監測多路電源線路上的電流，并在電流超過安全值的情況下，使電源自動斷電。

目前，電流的精密測量大多采用非接觸式測量的方法。這種方法具有測量結果穩定、溫度特性好、線性度高等優點［1～3］。非接觸式的電流測量方法主要有基于變壓器原理的交流電流互感器、羅氏線圈、霍爾電流傳感器、磁通門以及光學電流傳感器等［4］。而霍爾電流傳感器是一種簡單而有效的測量低頻電流的方法［5］。這種傳感器利用了霍爾效應［6］和磁補償原理［7］，整個過程采用非接觸式測量，且被測電流和輸出電壓具有良好的線性關系［8］，能兼顧直流和交流的大電流測量，因而得到了廣泛的應用［9，10］。

本文設計了一種基于霍爾電流傳感器的電源監控系統。實驗結果表明:所設計的電源監控系統具有響應速度快、測量精度高的優點，有效地實現了對電源的實時監控。

1 系統總體結構設計

電源監控系統主要包括監控單元和數字信號處理器(DSP)，總體結構如圖1 所示。監控單元分為直流電源監控單元和交流電源監控單元，由電流監測電路和開關控制電路組成。電流監測電路包括霍爾電流傳感器和一些信號處理電路，用于實時監測各路電源通道上的電流。開關控制電路用于控制電源通斷。電源經過監控單元后輸出至適配器供不同被測對象使用。DSP 采集電流傳感器的測量信號，判斷電流值是否超限，并通過開關控制電路控制電源通斷。同時。DSP 通過RS—422 總線將采集的電流值發送至上位機。

圖1 系統總體結構圖Fig 1 System overall structure diagram

2 系統硬件設計

2.1 霍爾電流傳感器

為了對供電線路電流進行測量，采用美國Honeywell 公司的霍爾電流傳感器CSNE151—100。該傳感器基于霍爾磁補償原理，將待測電流轉換電壓值輸出，其原理如圖2 所示。待測電流Ip產生磁通Φ1，副邊補償電流Is產生磁通Φ2，霍爾元件檢測Φ1與Φ2的差值，通過輔助電路控制Is的大小，使得Φ1與Φ2的差值為零，即保持磁平衡狀態，所以Ip與Is呈正比關系。Is經過電阻Ri產生的輸出電壓Vo可以反映待測電流Ip的大小?；魻栯娏鱾鞲衅鞑捎梅墙佑|方式檢測電流，響應時間小于1 ns，工作溫度為－40 ～85 ℃，而且測量精度高，非常適合交流和直流的檢測。本文采用的CSNE151—100 電流傳感器實物如圖3 所示。

圖2 霍爾磁補償原理圖Fig 2 Principle diagram of Hall magnetic compensation

2.2 直流電源監控單元

圖3 CSNE151—100 電流傳感器Fig 3 CSNE151—100 current sensor

直流電源監控單元的設計如圖4 所示。電流傳感器CSNE151—100 可實現多量程測量。傳感器引腳4 ～7 為電流流入端，引腳8 ～11 電流流出端，不同的引腳連接方式量程不同，圖4 中的連接方式測量量程為25 A。傳感器監測電源線路上的電流，將直流電流轉換成電壓信號從1 端口輸出。DSP 通過ANA2 端口采集該電壓信號，并轉換成電流值后發送至上位機。電源通斷由DSP 控制場效應管M2實現。當DSP 向Min2 端口寫“1”時，光電耦合器三極管導通，+15 V 輸出到M2 的柵極，M2 導通，電源從Vo2 輸出供電。當DSP 向Min2 端口寫“0”時，光電耦合器三極管不導通，M2 不導通，電源斷開。如果電流超出保護值，DSP 將自動控制M2 斷開電源，從而實現過流保護。

圖4 直流電源監控單元Fig 4 Direct current power monitoring unit

2.3 交流電源監控單元

交流電源監控單元的設計如圖5 所示。與直流電源監控單元相比，交流電源監控單元增加了整流濾波電路，可將交流信號轉換成直流信號。轉換后的直流信號再由DSP的ANA4 端口采集。電源通斷由三極管和繼電器實現。DSP 向Min4 端口輸出信號控制三極管導通，從而實現繼電器開關的斷開和閉合。

3 系統軟件設計

電流監控程序流程如圖6 所示。

主程序工作步驟為:1)系統上電，初始化DSP，并將每路通道的電流超限次數設為0。2)輪詢所有電源通道的電流值。3)判斷電流是否超限:若某路通道電流值超限，則該通道的電流超限次數加1;否則，該通道的電流超限次數清零。4)判斷過流保護:如果某路通道的電流超限次數達到3 次，則該通道開關斷開，再返回第2 步;否則，直接返回第2 步。

圖5 交流電源監控單元Fig 5 Alternating current power monitoring unit

如果上位機通過RS—422 總線發來查詢或控制命令，DSP 進入串口中斷服務程序。在串口中斷服務程序，DSP依據上位機的命令改變開關狀態，或者上傳各路電流值和過流保護標志。

圖6 電源監控流程圖Fig 6 Flow chart of power monitoring

4 實驗結果

在實驗室對電源監控系統進行了測試實驗。供電電源分別采用直流27 V 和交流220 V，在電源輸出端加入不同阻抗的負載。直流和交流電源實驗結果分別如表1、表2。從實驗結果可以看出:系統的測量誤差小于1%，說明系統的測量精度較高。

表1 直流電源實驗結果(27 V)Tab 1 Experimental results of direct current power(27 V)

表2 交流電源實驗結果(220 V)Tab 2 Experimental results of alternating current power(220 V)

5 結束語

本文設計了一種基于霍爾效應電流傳感器的電源監控系統。該系統采用CSNE151—100 電流傳感器實時監測電流，通過DSP 控制電源開關實現了過流保護。本文所設計的電源監控系統已經實際應用于自動檢測設備中。通過實際應用和測試結果表明:該監控系統工作穩定可靠，能實時地監測電源的工作電流，并能有效及時地實現電源的過流保護，具有響應速度快、監測精度高等優點。

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