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

作者：馬長軍，朱宏偉，鄒繼斌
在工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，隨著對控制性能要求的提高，伺服電機的使用越來越多，因此配套使用的伺服電機驅(qū)動器也隨之增長。此類系統(tǒng)通常要進行電流的閉環(huán)控制，因此需要使用電流傳感器來檢測電流。常用的電流傳感器有霍爾電流傳感器、電阻傳感器和光學電流傳感器等三種?？紤]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合使用最多的一種。
以典型的三相電動機為例，要進行三相電流閉環(huán)控制，在低成本方案中通常使用兩個電流傳感器檢測電流。過去常用的高精度閉環(huán)補償式霍爾電流傳感器價格較高，增加了控制器成本，若使用傳統(tǒng)的直接測量式霍爾電流傳感器，則達不到預期的性能。因此就有學者提出取消電流傳感器，然后通過估算電流大小進行電流閉環(huán)控制。估算電流的方法自然給控制器的運算單元帶來負擔，同時該方法對電機參數(shù)比較敏感，對于一般設(shè)計者很難達到預期的檢測精度，也就達不到對電流進行有效控制的目的。
最近，Allegro公司結(jié)合其半導體設(shè)計加工技術(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)動器中，該系列傳感器是一個不錯的選擇。
ACS706系列電流傳感器原理、特點
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，可測的電流有5A，15A，20A等規(guī)格。傳導被測電流的導體部分與測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腳合起來通到3腳和4腳，用來傳導待測電流，稱為初級銅導體。器件的輸出以Vcc/2為中心，隨著流過初級銅導體電流的增長而呈正向的線性增長。初級銅導體的典型的內(nèi)阻為1.5m？，使得其損耗較小。銅導體的厚度允許器件最高可達3倍瞬時過流而不損壞。傳導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)用提供了一個經(jīng)濟、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)域包括電機控制、負載檢測與管理、開關(guān)電源和過流故障保護等。

針對傳感器溫度敏感性進行的實驗
在使用ACS704系列傳感器的時候，發(fā)現(xiàn)該傳感器的輸出電壓信號對器件的溫度比較敏感。在布置PCB時，若把器件放置在功率器件附近，由于發(fā)熱及傳導，系統(tǒng)長時間運行時，會使得電流傳感器溫度較高，由于該系列芯片沒有溫度補償環(huán)節(jié)，實驗中發(fā)現(xiàn)器件輸出的電壓信號偏移較大，從而引起較大的電流測量誤差，給驅(qū)動器的控制特性帶來較大的負面影響。

ACS706系列電流傳感器對ACS704系列進行了改進，加入了溫度補償環(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，器件的綜合指標滿足低成本高精度伺服驅(qū)動器使用場合的需求。
通過對上述兩種芯片的試用，不同的結(jié)果驅(qū)使我們想比較準確的把握兩種芯片的特性，尤其是溫度特性，因此設(shè)計了測量此類傳感器溫度敏感性的實驗。
實驗原理
隨機抽取ACS704ELC-005傳感器和ACS706ELC-05C傳感器各兩個，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，測試不同溫度下傳感器的輸出信號與電流的對應(yīng)關(guān)系。測試溫度變化范圍－40℃～＋120℃，溫度測試點分別為－40℃、－20℃、20℃、40℃、60℃、90℃和120℃。
電流從－5A～＋5A每逢整數(shù)電流測試一組數(shù)據(jù)，共11個測試點，而且在同一溫度下，進行兩次實驗。
準確設(shè)定待測電流和供電電壓Vcc，記錄輸出電壓Vout和溫度值。
實驗結(jié)果及分析
在不同溫度下對4片樣片進行測試，1#704、2#704和1#706、2#706的輸出電壓與被測電流之間的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。從實驗結(jié)果看，除了1#706器件在－40℃時出現(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℃時異?？赡艿脑蚴窃撈骷诘蜏貙嶒炛敖?jīng)受了120℃的高溫實驗，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，而在低溫實驗時體現(xiàn)出來。實驗中發(fā)現(xiàn)，4個樣品中有2個器件是先做高溫實驗后作低溫實驗的，而恰好這兩個樣品出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，而其余兩個未發(fā)現(xiàn)異常問題?？紤]生產(chǎn)廠在數(shù)據(jù)手冊中標明可以在－40℃下運行，故筆者才產(chǎn)生上述推斷。
為了從總體上對比，將4個樣片各自在不同溫度下測量的結(jié)果進行平均（排除1#706樣片異常的數(shù)據(jù)），并將得到的4組數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如圖6所示，可以看出ACS704系列的兩個傳感器的輸出電壓與待測電流之比（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)手冊中給出的典型值0.133V/A。
在被測電流為零時，對4個傳感器的輸出進行抽取，觀察其溫度特性，對比結(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）。
為了放大觀察實驗結(jié)果，從圖4、圖5對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)中計算4個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)有實驗條件下，該實驗測量的數(shù)據(jù)點可能存在較大的偏差，從而影響了對器件的客觀評價。但不可否認，總的趨勢是有一定的參考意義的。同時，在實際的使用場合，特別是伺服驅(qū)動器類的電磁干擾比較大的場合，測量結(jié)果偏差也會較大，該問題在編制控制軟件時要予以考慮。
傳感器在實際系統(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)用于伺服電機驅(qū)動系統(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，又避免了采用無電流傳感器方法帶來的電流估算難題。

下面是該傳感器在一款低成本永磁同步電機驅(qū)動器中的具體應(yīng)用情況。
原理圖
所設(shè)計的驅(qū)動器采用兩個電流傳感器測量電機兩相電流，截取一路電流傳感部分原理圖如圖10所示。圖中，后端對傳感器信號處理部分的參數(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，自然使得待測電流流過的管腳小、距離近，同時其測量的動態(tài)電流又相對較大，因此在進行PCB布板時要充分考慮電流流過的路徑，盡量增大導電銅皮的截面積，從而減小導通電阻，減小發(fā)熱。另外，在放置該器件時要使其與大功率發(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)熱傳導至傳感器，引起較高的溫度。
依據(jù)使用經(jīng)驗，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，又能達到電氣隔離的目的。
實驗結(jié)果
如圖13所示，應(yīng)用ACS706系列傳感器的伺服驅(qū)動器在驅(qū)動電機加速時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。實驗結(jié)果表明，在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中使用此類電流傳感器是成功的。
結(jié)束語
通過實驗分析，驗證了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。將其用于實際系統(tǒng)的實驗結(jié)果表明，應(yīng)用此類傳感器可以降低驅(qū)動器成本、減小體積，同時還可以保持較高的性能。設(shè)計時再仔細考慮PCB布線、發(fā)熱等因素，還可以更進一步地提高電流檢測環(huán)節(jié)的熱穩(wěn)定性和精度。
實驗表明，應(yīng)用時要符合此類傳感器的使用條件，否則可能出現(xiàn)不可預期的失效現(xiàn)象。