淺談基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測(cè)及過流保護(hù)設(shè)計(jì)與選型

摘要：根據(jù)機(jī)載電子設(shè)備健康監(jiān)測(cè)和視情維修的要求，發(fā)射裝置內(nèi)場(chǎng)測(cè)試儀需增加對(duì)被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行精確電流監(jiān)測(cè)的功能;同時(shí)，為避免測(cè)試期間因過流而導(dǎo)致的產(chǎn)品或測(cè)試設(shè)備損壞，亟需實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)過流保護(hù)?；诖诵枨螅O(shè)計(jì)了一種基于霍爾傳感器的實(shí)現(xiàn)方案。硬件方面，電路由敏感器件、電流監(jiān)測(cè)調(diào)理電路和過流保護(hù)控制電路組成，一方面將工作電流轉(zhuǎn)化為對(duì)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(dòng)態(tài)電流閾值實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。軟件方面，在測(cè)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(bào)警等模塊，實(shí)現(xiàn)了電路控制、狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。通過該設(shè)計(jì)，測(cè)試儀的智能化程度得到有效提升，滿足了健康監(jiān)測(cè)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(cái)產(chǎn)損失和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

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

0引言
隨著航空裝備的快速發(fā)展，通用型的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(ATS)逐步成為機(jī)載電子設(shè)備可靠運(yùn)行的必要保證，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)某類機(jī)載設(shè)備進(jìn)行功能和性能測(cè)試。此類測(cè)試設(shè)備一般與被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行同步研發(fā)設(shè)計(jì)，如空空測(cè)試儀、發(fā)射裝置測(cè)試儀等。這些測(cè)試設(shè)備在測(cè)試產(chǎn)品時(shí)，通過運(yùn)行自動(dòng)的測(cè)試流程，一方面為被測(cè)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(cè)試信號(hào)，檢驗(yàn)被測(cè)產(chǎn)品的功能和性能是否正常。
為了防止被測(cè)產(chǎn)品或測(cè)試設(shè)備故障導(dǎo)致的短路及過流問題，測(cè)試設(shè)備需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)措施。傳統(tǒng)的方案是安裝保險(xiǎn)絲或空氣斷路器，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但由于不同測(cè)試條件下的測(cè)試電流往往并不相同，只能保護(hù)電流的極限狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)保護(hù)。另一方面，隨著健康監(jiān)測(cè)和視情維修的理念逐步被引入航空裝備的維護(hù)體系，在測(cè)試過程中對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的工作電流監(jiān)測(cè)成為了故障診斷和視情維修判斷的重要依據(jù)，也成為測(cè)試設(shè)備*的設(shè)計(jì)要求之一。
近年來，在機(jī)載發(fā)射裝置的研制過程中，因缺乏有效的電流監(jiān)測(cè)及過流保護(hù)措施，而在測(cè)試過程中損壞被測(cè)產(chǎn)品或測(cè)試設(shè)備的情況時(shí)有發(fā)生，這不僅造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)造成研制進(jìn)度的延誤。因此，對(duì)測(cè)試設(shè)備的供電電流進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過流保護(hù)已成為測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)所面臨的一個(gè)迫切問題。本文以發(fā)射裝置內(nèi)場(chǎng)測(cè)試儀為平臺(tái)，提出了一種基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測(cè)及過流保護(hù)方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)測(cè)，并可以按照設(shè)定值進(jìn)行有效的過流保護(hù)。同時(shí)，該方案具有良好的通用性和可移植性，能夠?yàn)橥愒O(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1硬件設(shè)計(jì)
機(jī)載發(fā)射裝置用于在飛機(jī)上安裝和運(yùn)載，并按規(guī)定的發(fā)射程序控制和實(shí)施的發(fā)射。發(fā)射裝置內(nèi)場(chǎng)測(cè)試儀的功能是通過模擬飛機(jī)和系統(tǒng)的電氣接口，完成對(duì)機(jī)載發(fā)射裝置的電氣功能測(cè)試。測(cè)試儀的基本工作原理如圖1所示。

圖1測(cè)試儀基本工作原理

測(cè)試時(shí)，測(cè)試儀通過測(cè)試電纜與發(fā)射裝置連接，發(fā)射裝置的工作電源由測(cè)試儀模擬飛機(jī)提供。為了監(jiān)測(cè)發(fā)射裝置工作過程中的電流情況，同時(shí)避免發(fā)射裝置和測(cè)試儀損壞，在供電電路上設(shè)計(jì)了電流監(jiān)測(cè)及過流保護(hù)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(chǎng)強(qiáng)度，然后轉(zhuǎn)化為電壓輸出。利用霍爾傳感器進(jìn)行電流測(cè)試具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。該芯片采用SOIC8封裝，內(nèi)阻僅為1.2mΩ，輸出精度在25℃時(shí)可達(dá)1.5%，在-40℃～85℃全溫度范圍內(nèi)可達(dá)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(cè)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(cè)調(diào)理電路，一部分為過流保護(hù)控制電路。
電流監(jiān)測(cè)調(diào)理電路用于對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，由運(yùn)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(cè)試靈敏度由100mV/A提高到300mV/A，同時(shí)將零位點(diǎn)由0.5VCC調(diào)整至0V，便于采集和計(jì)算。該電路的輸出信號(hào)通過測(cè)試儀的AD采集板卡進(jìn)行采集后由測(cè)試軟件進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)測(cè)的功能。
過流保護(hù)控制電路用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀的過流保護(hù)功能。之所以通過硬件電路直接實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)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(hù)控制電路由比較器、達(dá)林頓管等器件組成。比較器的參考電平根據(jù)需求由測(cè)試儀的DA板卡設(shè)置，根據(jù)不同的被測(cè)產(chǎn)品和測(cè)試流程可以隨時(shí)更改參考電平，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電流的動(dòng)態(tài)過流保護(hù)功能。一旦實(shí)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(dòng)達(dá)林頓管控制繼電器動(dòng)作，切斷電源輸出。同時(shí)，為防止電流在限額附近波動(dòng)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(jì)了箝位二極管，一旦比較器翻轉(zhuǎn)，二極管導(dǎo)通，會(huì)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試儀輸出電源的電流監(jiān)測(cè)和過流保護(hù)功能。

2軟件設(shè)計(jì)
測(cè)試儀的測(cè)試軟件基于LabVIEW進(jìn)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(dòng)層，示意圖如圖3所示。其中，板卡驅(qū)動(dòng)層直接對(duì)硬件板卡資源進(jìn)行控制，負(fù)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(dòng)層之上、但不直接和操作者進(jìn)行交互的一層，實(shí)現(xiàn)底層板卡驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層的隔離，它負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)軟、硬件資源的統(tǒng)一調(diào)度，包括測(cè)試軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)管理、測(cè)試流程的生成和管理、報(bào)表的存儲(chǔ)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(jī)交互功能和調(diào)用測(cè)試序列的功能。

圖3測(cè)試平臺(tái)的軟件框架
對(duì)于電流監(jiān)測(cè)功能而言，首先在中間層設(shè)置電流保護(hù)閾值，此閾值不是固定不變的，而是根據(jù)不同被測(cè)產(chǎn)品和不同測(cè)試流程動(dòng)態(tài)變化的，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的目的。電流保護(hù)閾值按2檔進(jìn)行設(shè)計(jì)，1檔為提示值，用于電流值略微超出正常范圍、但還不會(huì)損壞產(chǎn)品的情況;第2檔為保護(hù)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(dòng)層控制相應(yīng)DA板卡輸出參考電平給電流保護(hù)電路，另一方面調(diào)用AD板卡對(duì)電流指示信號(hào)進(jìn)行采集并在應(yīng)用層進(jìn)行顯示和記錄。
含電流監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能的測(cè)試流程圖如圖4所示。

圖4測(cè)試軟件工作流程圖
測(cè)試過程中，如某一時(shí)刻產(chǎn)品的工作電流達(dá)到提示值，測(cè)試流程繼續(xù)進(jìn)行，但會(huì)在測(cè)試界面上以黃燈提示，并將此時(shí)的電流值、工作流程、日歷時(shí)間等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，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(shí)刻產(chǎn)品的工作電流達(dá)到保護(hù)值，硬件電路直接控制測(cè)試儀給產(chǎn)品斷電，同時(shí)測(cè)試流程中斷，并在測(cè)試界面上以紅燈顯示，達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品和測(cè)試儀的目的。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的性能，分別對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)性能測(cè)試和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，靜態(tài)性能測(cè)試主要考核電路的電流監(jiān)控能力，動(dòng)態(tài)性能測(cè)試主要考核電路的過流保護(hù)能力。
靜態(tài)性能測(cè)試:使用功率電阻對(duì)電路的輸出電源加載，使用電流表測(cè)試輸出電源上的實(shí)際電流，電壓表測(cè)試電流指示信號(hào)的電壓值。在0A~10A的范圍內(nèi)，測(cè)得其輸入-輸出關(guān)系如圖5所示。

圖5靜態(tài)性能測(cè)試特性曲線
可見，電流指示信號(hào)的電壓值與實(shí)際電流值線性度較好，靈敏度與設(shè)計(jì)參數(shù)一致。
動(dòng)態(tài)性能測(cè)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(hù)后的電源信號(hào)，記錄該信號(hào)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(hù)波形
由圖可見，從電源上電到超限保護(hù)僅用了不到3ms時(shí)間，而所用保護(hù)繼電器的動(dòng)作時(shí)間指標(biāo)為≤6ms，從而可知超限保護(hù)時(shí)間主要取決于繼電器動(dòng)作的速度，翻轉(zhuǎn)電路的動(dòng)作時(shí)間可忽略不計(jì)，該時(shí)間足以滿足在被測(cè)產(chǎn)品或測(cè)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(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)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(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。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(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)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(duì)發(fā)射裝置內(nèi)場(chǎng)測(cè)試儀無法實(shí)現(xiàn)精確的電流監(jiān)測(cè)及缺乏動(dòng)態(tài)過流保護(hù)功能的問題，設(shè)計(jì)了一種基于霍爾器件的電流監(jiān)測(cè)及過流保護(hù)電路，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活。經(jīng)過靜態(tài)性能測(cè)試和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，該方案能夠準(zhǔn)確、有效地實(shí)現(xiàn)所需功能，這對(duì)于降低發(fā)射裝置的研制風(fēng)險(xiǎn)、加快研制進(jìn)度有著重要的意義，同時(shí)可為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供有效的參考。

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