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淺談基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護設(shè)計與選型

更新時間:2021-05-31點擊次數(shù):2811次
淺談基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護設(shè)計與選型

摘要:根據(jù)機載電子設(shè)備健康監(jiān)測和視情維修的要求,發(fā)射裝置內(nèi)場測試儀需增加對被測產(chǎn)品進行精確電流監(jiān)測的功能;同時,為避免測試期間因過流而導(dǎo)致的產(chǎn)品或測試設(shè)備損壞,亟需實現(xiàn)對被測產(chǎn)品的動態(tài)過流保護。基于此需求,設(shè)計了一種基于霍爾傳感器的實現(xiàn)方案。硬件方面,電路由敏感器件、電流監(jiān)測調(diào)理電路和過流保護控制電路組成,一方面將工作電流轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的指示電壓并調(diào)理輸出;另一方面根據(jù)設(shè)置的動態(tài)電流閾值實現(xiàn)過流保護。軟件方面,在測試儀原有的三層軟件框架基礎(chǔ)上,增加了電流閾值設(shè)定、電流指示、超限報警等模塊,實現(xiàn)了電路控制、狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲等功能。通過該設(shè)計,測試儀的智能化程度得到有效提升,滿足了健康監(jiān)測的需求,并有效降低了發(fā)射裝置研制過程中因過流損壞而造成的財產(chǎn)損失和進度風(fēng)險。

關(guān)鍵詞:發(fā)射裝置;內(nèi)場測試儀;霍爾傳感器;電流監(jiān)測;過流保護;健康監(jiān)測

0引言
隨著航空裝備的快速發(fā)展,通用型的自動測試系統(tǒng)(ATS)逐步成為機載電子設(shè)備可靠運行的必要保證,用于實現(xiàn)對某類機載設(shè)備進行功能和性能測試。此類測試設(shè)備一般與被測產(chǎn)品進行同步研發(fā)設(shè)計,如空空測試儀、發(fā)射裝置測試儀等。這些測試設(shè)備在測試產(chǎn)品時,通過運行自動的測試流程,一方面為被測產(chǎn)品提供所需的電源,一方面通過發(fā)送和接收相應(yīng)的測試信號,檢驗被測產(chǎn)品的功能和性能是否正常。
為了防止被測產(chǎn)品或測試設(shè)備故障導(dǎo)致的短路及過流問題,測試設(shè)備需要設(shè)計相應(yīng)的保護措施。傳統(tǒng)的方案是安裝保險絲或空氣斷路器,這種方法雖然簡單,但由于不同測試條件下的測試電流往往并不相同,只能保護電流的極限狀態(tài),無法實現(xiàn)動態(tài)保護。另一方面,隨著健康監(jiān)測和視情維修的理念逐步被引入航空裝備的維護體系,在測試過程中對被測產(chǎn)品的工作電流監(jiān)測成為了故障診斷和視情維修判斷的重要依據(jù),也成為測試設(shè)備*的設(shè)計要求之一。
近年來,在機載發(fā)射裝置的研制過程中,因缺乏有效的電流監(jiān)測及過流保護措施,而在測試過程中損壞被測產(chǎn)品或測試設(shè)備的情況時有發(fā)生,這不僅造成了巨大的財產(chǎn)損失,還會造成研制進度的延誤。因此,對測試設(shè)備的供電電流進行準確監(jiān)測并實現(xiàn)動態(tài)過流保護已成為測試設(shè)備設(shè)計所面臨的一個迫切問題。本文以發(fā)射裝置內(nèi)場測試儀為平臺,提出了一種基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護方案。經(jīng)實驗驗證,該方案能夠準確地實現(xiàn)電流監(jiān)測,并可以按照設(shè)定值進行有效的過流保護。同時,該方案具有良好的通用性和可移植性,能夠為同類設(shè)備的設(shè)計提供參考。

1硬件設(shè)計
機載發(fā)射裝置用于在飛機上安裝和運載,并按規(guī)定的發(fā)射程序控制和實施的發(fā)射。發(fā)射裝置內(nèi)場測試儀的功能是通過模擬飛機和系統(tǒng)的電氣接口,完成對機載發(fā)射裝置的電氣功能測試。測試儀的基本工作原理如圖1所示。

圖1測試儀基本工作原理


測試時,測試儀通過測試電纜與發(fā)射裝置連接,發(fā)射裝置的工作電源由測試儀模擬飛機提供。為了監(jiān)測發(fā)射裝置工作過程中的電流情況,同時避免發(fā)射裝置和測試儀損壞,在供電電路上設(shè)計了電流監(jiān)測及過流保護控制電路,電路原理圖如圖2所示。

圖2電路原理圖


電路的核心器件選用AllegRo公司的ACS712霍爾式電流傳感器,其基本原理是利用霍爾效應(yīng),感應(yīng)流入電流所產(chǎn)生的磁場強度,然后轉(zhuǎn)化為電壓輸出。利用霍爾傳感器進行電流測試具有電路簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好等優(yōu)點。該芯片采用SOIC8封裝,內(nèi)阻僅為1.2mΩ,輸出精度在25℃時可達1.5%,在-40℃~85℃全溫度范圍內(nèi)可達4%。該芯片具有3種量程可選,分別為±5A、±20A和±30A,本文根據(jù)被測電流的大小選擇±20A量程,其輸出公式為: 

式中:IIN的單位為A。
后續(xù)調(diào)理電路分為兩部分,一部分為電流監(jiān)測調(diào)理電路,一部分為過流保護控制電路。
電流監(jiān)測調(diào)理電路用于對傳感器輸出信號進行調(diào)理,由運放及匹配電阻構(gòu)成,其中R2/R3=5/3,R1/R4=1/3,從而有:

(2)


通過此電路,將測試靈敏度由100mV/A提高到300mV/A,同時將零位點由0.5VCC調(diào)整至0V,便于采集和計算。該電路的輸出信號通過測試儀的AD采集板卡進行采集后由測試軟件進行讀取,實現(xiàn)電流監(jiān)測的功能。
過流保護控制電路用于實現(xiàn)測試儀的過流保護功能。之所以通過硬件電路直接實現(xiàn)過流保護而沒有采取軟件判定再控制的方式,是為了獲得更快的響應(yīng)速度和更高的可靠性。過流保護控制電路由比較器、達林頓管等器件組成。比較器的參考電平根據(jù)需求由測試儀的DA板卡設(shè)置,根據(jù)不同的被測產(chǎn)品和測試流程可以隨時更改參考電平,以實現(xiàn)對不同電流的動態(tài)過流保護功能。一旦實際電流超過要求值,傳感器輸出將超過參考電平,則比較器翻轉(zhuǎn),從而驅(qū)動達林頓管控制繼電器動作,切斷電源輸出。同時,為防止電流在限額附近波動造成繼電器反復(fù)斷開閉合,在比較器的正輸入端和輸出端之間設(shè)計了箝位二極管,一旦比較器翻轉(zhuǎn),二極管導(dǎo)通,會將正輸入端電平拉低,從而使比較器一直保持在翻轉(zhuǎn)狀態(tài),需將系統(tǒng)斷電復(fù)位后方可恢復(fù)。
通過此電路的設(shè)計,實現(xiàn)了對測試儀輸出電源的電流監(jiān)測和過流保護功能。

2軟件設(shè)計
測試儀的測試軟件基于LabVIEW進行開發(fā),軟件框架分為三層,由上到下分別為應(yīng)用層、中間層、板卡驅(qū)動層,示意圖如圖3所示。其中,板卡驅(qū)動層直接對硬件板卡資源進行控制,負責(zé)控制板卡的輸出、采集、總線數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等任務(wù);中間層是建立在驅(qū)動層之上、但不直接和操作者進行交互的一層,實現(xiàn)底層板卡驅(qū)動層和應(yīng)用層的隔離,它負責(zé)測試系統(tǒng)軟、硬件資源的統(tǒng)一調(diào)度,包括測試軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)管理、測試流程的生成和管理、報表的存儲和管理等功能;應(yīng)用層為直接和用戶交互的一層,它包括人機交互功能和調(diào)用測試序列的功能。

圖3測試平臺的軟件框架
對于電流監(jiān)測功能而言,首先在中間層設(shè)置電流保護閾值,此閾值不是固定不變的,而是根據(jù)不同被測產(chǎn)品和不同測試流程動態(tài)變化的,以實現(xiàn)精準控制的目的。電流保護閾值按2檔進行設(shè)計,1檔為提示值,用于電流值略微超出正常范圍、但還不會損壞產(chǎn)品的情況;第2檔為保護值,用于電流大幅超出正常范圍、且有可能損壞產(chǎn)品的情況。閾值設(shè)置完成后,通過板卡驅(qū)動層控制相應(yīng)DA板卡輸出參考電平給電流保護電路,另一方面調(diào)用AD板卡對電流指示信號進行采集并在應(yīng)用層進行顯示和記錄。
含電流監(jiān)測及保護功能的測試流程圖如圖4所示。

圖4測試軟件工作流程圖
測試過程中,如某一時刻產(chǎn)品的工作電流達到提示值,測試流程繼續(xù)進行,但會在測試界面上以黃燈提示,并將此時的電流值、工作流程、日歷時間等信息進行存儲,作為產(chǎn)品故障診斷和視情維修的重要判據(jù)來源。如某一時刻產(chǎn)品的工作電流達到保護值,硬件電路直接控制測試儀給產(chǎn)品斷電,同時測試流程中斷,并在測試界面上以紅燈顯示,達到保護產(chǎn)品和測試儀的目的。

3實驗結(jié)果與討論
為了驗證所設(shè)計電路的性能,分別對其進行了靜態(tài)性能測試和動態(tài)性能測試,靜態(tài)性能測試主要考核電路的電流監(jiān)控能力,動態(tài)性能測試主要考核電路的過流保護能力。
靜態(tài)性能測試:使用功率電阻對電路的輸出電源加載,使用電流表測試輸出電源上的實際電流,電壓表測試電流指示信號的電壓值。在0A~10A的范圍內(nèi),測得其輸入-輸出關(guān)系如圖5所示。

圖5靜態(tài)性能測試特性曲線
可見,電流指示信號的電壓值與實際電流值線性度較好,靈敏度與設(shè)計參數(shù)一致。
動態(tài)性能測試:在輸出電源不上電的情況下,連接足以使電流超限的功率電阻,用示波器監(jiān)視保護后的電源信號,記錄該信號從上電到被切斷的變化波形,如圖6所示。

圖6電源過流保護波形
由圖可見,從電源上電到超限保護僅用了不到3ms時間,而所用保護繼電器的動作時間指標為≤6ms,從而可知超限保護時間主要取決于繼電器動作的速度,翻轉(zhuǎn)電路的動作時間可忽略不計,該時間足以滿足在被測產(chǎn)品或測試儀損壞前切斷電源。

4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型
4.1產(chǎn)品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換,通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受,響應(yīng)時間快,電流測量范圍寬精度高,過載能力強,線性好,抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器,UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

4.2產(chǎn)品選型
4.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

4.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

4.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

4.2.4直流漏電流傳感器

5結(jié)論
本文針對發(fā)射裝置內(nèi)場測試儀無法實現(xiàn)精確的電流監(jiān)測及缺乏動態(tài)過流保護功能的問題,設(shè)計了一種基于霍爾器件的電流監(jiān)測及過流保護電路,該方案結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活。經(jīng)過靜態(tài)性能測試和動態(tài)性能測試,該方案能夠準確、有效地實現(xiàn)所需功能,這對于降低發(fā)射裝置的研制風(fēng)險、加快研制進度有著重要的意義,同時可為同類設(shè)備的設(shè)計提供有效的參考。

【參考文獻】
[1]趙 文.基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護設(shè)計
[2]袁超.機載設(shè)備通用自動測試系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].測控技術(shù),2015,34(Z):112-114.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版

 

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