劉春玉，黃 亮，張立炎，周 波，張昌輝

(1.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070;2.湖北省電力公司嘉魚縣供電公司，湖北 咸寧 437000)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的硬件電路的設(shè)計需用到雙向電流檢測，相對于單向電流檢測電路，雙向電流檢測更為靈活，不僅能檢測正負電流的大小，而且能判斷電流方向，具有較高的實際應用價值。對于雙向電流檢測系統(tǒng)的要求是:結(jié)果精確、方法可靠、結(jié)構(gòu)簡單。

筆者介紹了3種雙向電流的檢測方法，以三相全控整流橋電路來控制蓄電池的充放電[1－2]為例，對蓄電池充放電進行了研究。采用600 Ah的充放電蓄電池，其最大充電電流為60 A，放電最大電流為100 A。

1 雙向電流檢測的基本原理

雙向電流檢測的硬件結(jié)構(gòu)由電流傳感器、I/V變換器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機組成[3]，如圖 1 所示。

圖1 雙向電流檢測硬件結(jié)構(gòu)圖

電流傳感器采用LEM公司的LA100－P[4]。LA100－P的原副邊匝比為1∶2 000，原邊額定有效值電流為100 A，副邊額定有效值電流為50 mA，電流測量范圍為±150 A。LA100－P可以把最大充電60 A、放電100 A的蓄電池電流轉(zhuǎn)換成－30～+50 mA的電流信號。

I/V變換器采用的是無源I/V變換，利用精密采樣電阻把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。根據(jù)不同的A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道的電壓范圍選擇不同的精密電阻。

信號調(diào)理電路是將非標準電信號轉(zhuǎn)換成標準電信號。根據(jù)不同的采樣方法，信號調(diào)理電路的組成也不一樣:對于提升電壓法，它包括電壓跟隨電路、加法電路和濾波電路;對于絕對值電路法，它包括電壓跟隨電路、絕對值電路、比較電路和濾波電路;對于新型AD芯片，它僅有濾波電路。

A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要考慮到多種因素[5]，如分辨率、數(shù)據(jù)總線接口、采樣速率、通道數(shù)和基準電壓等。一種方案是采用 TMS320F2812[6]單片機內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，它包括一個12位、12.5 mSPS、16通道的單極性AD模塊;而另一種方案是采用 Analog公司的 AD芯片 AD7321，AD7321是 13 位、串行、500 kSPS、2 通道、2.5 V內(nèi)部基準電壓源的雙極性AD芯片。

筆者選用TI公司的TMS320F2812為核心控制單元，它內(nèi)部自帶一個12位A/D轉(zhuǎn)換器。

2 單極性AD采樣電路

市面上最常見的是單極性AD芯片，包括單片機內(nèi)部的AD芯片，絕大多數(shù)也是單極性的，它只能識別正電壓信號，對于負電壓信號則需要將其轉(zhuǎn)換成正電壓信號。

筆者采用TMS320F2812單片機內(nèi)部的AD模塊，其模擬輸入電壓范圍為0～3 V，超過該電壓就會燒毀DSP芯片，一般情況下輸入最大值在3 V的80%左右。對于－60～+100 A轉(zhuǎn)換成－30～+50 mA的電流信號，可以通過電壓提升法或者絕對值電路法把該電流信號轉(zhuǎn)換成0～2.4 V左右的電壓信號，同時得出電流的方向。

2.1 電壓提升法

電壓提升法的思想是把－30～+50 mA的電流信號通過I/V變換器轉(zhuǎn)換成－0.9～+1.5 V的電壓信號，然后通過加法電路把電壓提升到0～+2.4 V。電壓提升法電路圖如圖2所示。

圖2 電壓提升法電路圖

傳感器檢測到的電流信號Ia通過30 Ω的精密采樣電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓信號V1:

I/V變換器與加法電路之間的電壓跟隨器是必不可少的，否則采樣電阻R1和R4將通過運算放大器并聯(lián)在一起，會改變采樣的電壓值。

加法電路是為了把－0.9～+1.5 V電壓信號提升 0.9 V[7]，因為:

可取 V2=5 V，R3=50 kΩ，R4=9 kΩ，R5=9 kΩ。R3、R4、R5必須為精密電阻，否則測量結(jié)果會有較大的誤差。則:

V3再通過一個反向電路得到V4:

這樣就實現(xiàn)了將－60～+100 A的電流信號轉(zhuǎn)換成0～+2.4 V的電壓信號。電流方向的判斷是在DSP內(nèi)部完成的，當電壓值小于0.9 V時，蓄電池處于充電狀態(tài);當電壓值大于0.9 V時，蓄電池為放電狀態(tài)。最后電壓信號經(jīng)過濾波，輸入給 AD 模塊[8]。

2.2 絕對值電路法

絕對值電路法[9－10]的思想是把 －30 ～ +50 mA的電流信號通過I/V變換器轉(zhuǎn)換成－1.5～+2.5 V的電壓信號，同時跟0 V進行比較得出電流的方向，然后通過絕對值電路把電壓轉(zhuǎn)換成0～+2.5 V的電壓信號。絕對值電路法電路圖如圖3所示，電流方向比較電路如圖4所示。

圖3 絕對值電路法電路圖

圖4 電流方向比較電路

傳感器檢測到的電流信號Ia通過50 Ω的精密采樣電阻R1轉(zhuǎn)換成電壓信號V5:

電壓跟隨器也是必不可少的，否則會使R10和R12并聯(lián)。

對于絕對值電路，取 R12=10 kΩ，R13=20 kΩ，R15=10 kΩ，R16=10 kΩ，R17=10 kΩ，電阻都必須為精密電阻。絕對值電路的前級運放組成反向電路，后級運放組成加法電路。

當 V5≥0 時，D2關(guān)斷，D1導通:

當 V5＜0 時，D2導通，D1關(guān)斷:

由式(6)和式(7)，可得:

由此實現(xiàn)了把－60～+100 A的電流信號轉(zhuǎn)換成0～+2.4 V的電壓信號，然后濾波輸入給AD模塊。

電流方向比較電路是把I/V變換后的電壓信號與0電壓比較。當蓄電池充電時，采樣電壓V5＜0，V9=12 V，然后經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換變成DSP能識別的高電平;當蓄電池充電時，采樣電壓V5＞0，V9=－12 V，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換變成DSP能識別的低電平。

3 新型雙極性AD芯片法

對于正負電流的檢測，還可以考慮使用外接的新型雙極性AD芯片，其模擬量輸入通道可以檢測正負電壓信號。筆者采用 Analog公司的AD7321[11]，其模擬通道輸入范圍為軟件可編程的 ±10 V，±5 V，±2.5 V，0～ +10 V，筆者選擇±5 V。AD7321有內(nèi)部基準電壓源，不需要外接，因此使用起來非常簡單。AD7321電流檢測硬件電路如圖5所示。

圖5 AD7321電流檢測硬件電路

把傳感器檢測到的－30～+50 mA的電流信號Ia通過100 Ω的精密采樣電阻 R20轉(zhuǎn)換成－3～+5 V的電壓信號V11:

然后把采樣得到的電壓信號通過濾波電路輸入給AD7321的模擬輸入通道VIN0。

AD7321與DSP芯片TMS320F2812之間通過串行接口連接在一起。串行時鐘SCLK提供轉(zhuǎn)換和控制信息的時鐘信號。片選啟動數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換過程，一次轉(zhuǎn)換共需16個時鐘信號。DSP通過DIN引腳向AD7321寫入寄存器的值，AD7321有2個可編程的寄存器:控制寄存器和范圍寄存器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過DOUT輸出給DSP，包括2個零位、通道標識位、符號位和12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果共16位數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 信號完整性分析

由于電壓提升法和絕對值電路法對I/V變換后的電壓信號進行了變換，不能從理論上保證輸出信號完整或者沒有失真，因此必須通過實驗來對這兩個電路全程電壓進行校驗。新型AD芯片則是直接把I/V變換的電壓傳送給AD芯片，因此不需要進行信號完整性校驗。

圖6 AD轉(zhuǎn)換流程圖

給輸入電壓一個正弦信號，用示波器測量其輸入(下面的)、輸出(上面的)波形。在波形上，信號完整性得到了驗證。在數(shù)據(jù)上，電壓提升電路的輸出電壓比輸入電壓提升了0.9 V，從－0.899～1.5 V提到0.013～+2.41 V，其界面圖如圖7所示;絕對值電路的輸出電壓從－1.5～+2.5 V變成了0～+2.5 V，其界面圖如圖8所示。

圖7 電壓提升法校驗界面圖

圖8 絕對值電路法校驗界面圖

4.2 數(shù)據(jù)比較

將TMS320F2812單片機轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過上位機顯示，用鉗形表測量實際數(shù)據(jù)，在上位機上讀取3種方法的電流值。實驗數(shù)據(jù)比較如表1所示。電壓提升法的采樣最大誤差為1 A，精度略大于1%;絕對值電路法的采樣最大誤差為0.6 A，精度小于1%;新型AD芯片法的采樣最大誤差為0.7 A，精度小于1%。

表1 3種方法讀取電流值的實驗數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)論

筆者介紹的3種電流采樣電路都能較好地實現(xiàn)雙向電流的檢測，3種采樣電路各有特點:電壓提升法的電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件價格便宜，電路易于實現(xiàn)。但其以犧牲采樣精度為代價，因此采樣精度較低;絕對值電路法的電路結(jié)構(gòu)復雜，方向檢測必須外接電路，其采樣精度較高;新型AD芯片法的電路結(jié)構(gòu)簡單，采樣精度高，但芯片較貴。

如果使用控制芯片內(nèi)部AD，控制精度要求不高時，推薦使用電壓提升法;控制精度要求高時，推薦使用絕對值電路法;如果要求電路盡可能簡單準確，在成本允許的條件下，推薦使用新型雙極性AD芯片法。

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