高精度電流檢測(cè)提高閉環(huán)控制系統(tǒng)效率

高精度電流檢測(cè)是提高閉環(huán)控制系統(tǒng)（即電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）效率的關(guān)鍵。在這篇博客中，筆者總結(jié)了不同隔離電流檢測(cè)方法的利與弊，并列出了一些采用它們的典型應(yīng)用。

分流電阻器可用于多種工業(yè)應(yīng)用，并能提供較高的準(zhǔn)確度且實(shí)現(xiàn)低溫度漂移。但是，它們的使用受限于其自身電阻值引起的功耗。在具有高共模電壓的應(yīng)用中，分流電阻器需要AMC1200等隔離式放大器或AMC1304L05等隔離式Δ-Σ調(diào)制器（適用于性能最高的系統(tǒng)）。AMC1304L05可提供±50mV的低輸入電壓范圍，從而允許您使用更小的電阻分流器卻不會(huì)影響性能。

圖1：AMC1304L05 —— 有效位數(shù)和過采樣率

羅氏線圈（Rogowski coils）只測(cè)量交流電流（AC）并被纏繞在可分配待檢測(cè)電流的導(dǎo)體周圍。它們能提供與AC電流的變化率成比例的電壓，因此在用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行處理之前需要一個(gè)積分器。

對(duì)應(yīng)用進(jìn)行改型翻新時(shí)羅氏線圈非常適用，因?yàn)樵摼€圈可被安裝在導(dǎo)體周圍，不會(huì)中斷電流流動(dòng)。它們不使用金屬芯子，所以定位的機(jī)械公差能影響和限制可實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度。出于同樣的原因，它們不會(huì)磁化達(dá)飽和點(diǎn)，因此可用于大電流應(yīng)用。此外，它們的低電感允許在具有高壓擺率的系統(tǒng)中使用。

在電流互感器（CT）中，初級(jí)AC電流可在磁心內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)場(chǎng)。該磁場(chǎng)能感應(yīng)次級(jí)繞組里成比例的電流。需要一個(gè)負(fù)載電阻器來將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以供在ADC中作進(jìn)一步的處理。

CT的準(zhǔn)確度取決于設(shè)置的機(jī)械公差、負(fù)載準(zhǔn)確度和磁心的溫度漂移。磁心的飽和度可限制CT的動(dòng)態(tài)范圍。另一方面，專門的設(shè)計(jì)允許您為某個(gè)用例量身打造CT。在電網(wǎng)中，CT被廣泛用于檢測(cè)電流。

存在磁場(chǎng)、直流電流（DC）或AC的情況下，磁阻傳感器可改變自己的電阻。磁阻傳感器體積小巧，通常用于位置和角度感測(cè)。對(duì)不需要高準(zhǔn)確度的小電流應(yīng)用來說，磁阻傳感器是低成本高效益的備選器件。

根據(jù)所使用的材料，您可從以下兩種類型的磁阻傳感器中進(jìn)行選擇：

• 各向異性磁阻（AMR）傳感器使用鐵磁材料（其中磁場(chǎng)會(huì)影響電阻）。因?yàn)殡娮枳兓苄?，所以常用惠斯通電橋（Wheatstone bridges）來感測(cè)它。

• 巨磁阻（GMR）傳感器依靠的是巨磁阻效應(yīng) —— 磁場(chǎng)對(duì)由鐵磁層和非磁性層相間制成的結(jié)構(gòu)的電阻會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。不過“天下沒有免費(fèi)的午餐” —— 與AMR傳感器相比，該生產(chǎn)工藝更復(fù)雜且耗資更多。

霍爾效應(yīng)傳感器可提供與AC或DC磁場(chǎng)成比例的電壓信號(hào)。它們存在固有噪聲，并且電壓水平具有很強(qiáng)的溫度依賴性。您可采用巧妙的勵(lì)磁法（如那些在DRV411傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)集成電路（IC）中所用的方法）來彌補(bǔ)這兩個(gè)缺點(diǎn)。

霍爾傳感器可用在不需要高準(zhǔn)確度水平的開環(huán)應(yīng)用中。為獲得更高的準(zhǔn)確度，閉環(huán)法是最佳選擇；這些包括霍爾傳感器、具有補(bǔ)償繞組的磁心以及通常采用完整模塊形式的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。閉環(huán)模塊可用于寬范圍的準(zhǔn)確度、電流和成本水平?；魻栃?yīng)傳感器的其它例子包括DRV5000系列。

與其它電流檢測(cè)方法相比，磁通門傳感器可提供最高水平的靈敏度、最寬的動(dòng)態(tài)范圍以及最低噪聲和溫度漂移的性能。外部磁通門傳感器的設(shè)計(jì)錯(cuò)綜復(fù)雜，需要很低的機(jī)械公差；在全世界范圍內(nèi)只有幾家制造商可提供磁通門傳感器模塊。TI最近宣布推出了DRV421 —— 業(yè)界首款完全集成的磁通門傳感器，具備所有必需的信號(hào)調(diào)節(jié)功能，適用于閉環(huán)DC和AC應(yīng)用。憑借磁心和補(bǔ)償線圈，該解決方案允許輕松制造高準(zhǔn)確度和低電平（泄漏）的電流模塊。

表1對(duì)本文中描述的所有方法進(jìn)行了比較。

表1：電流檢測(cè)方法的比較