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浅谈基于霍尔传感器的电流监测及过流保护设计与选型

更新时间:2021-05-31点击次数:83次
浅谈基于霍尔传感器的电流监测及过流保护设计与选型

摘要:根据机载电子设备健康监测和视情维修的要求,发射装置内场测试仪需增加对被测产品进行精确电流监测的功能;同时,为避免测试期间因过流而导致的产品或测试设备损坏,亟需实现对被测产品的动态过流保护。基于此需求,设计了一种基于霍尔传感器的实现方案。硬件方面,电路由敏感器件、电流监测调理电路和过流保护控制电路组成,一方面将工作电流转化为对应的指示电压并调理输出;另一方面根据设置的动态电流阈值实现过流保护。软件方面,在测试仪原有的三层软件框架基础上,增加了电流阈值设定、电流指示、超限报警等模块,实现了电路控制、状态显示和数据存储等功能。通过该设计,测试仪的智能化程度得到有效提升,满足了健康监测的需求,并有效降低了发射装置研制过程中因过流损坏而造成的财产损失和进度风险。

关键词:发射装置;内场测试仪;霍尔传感器;电流监测;过流保护;健康监测

0引言
随着航空装备的快速发展,通用型的自动测试系统(ATS)逐步成为机载电子设备可靠运行的必要保证,用于实现对某类机载设备进行功能和性能测试。此类测试设备一般与被测产品进行同步研发设计,如空空测试仪、发射装置测试仪等。这些测试设备在测试产品时,通过运行自动的测试流程,一方面为被测产品提供所需的电源,一方面通过发送和接收相应的测试信号,检验被测产品的功能和性能是否正常。
为了防止被测产品或测试设备故障导致的短路及过流问题,测试设备需要设计相应的保护措施。传统的方案是安装保险丝或空气断路器,这种方法虽然简单,但由于不同测试条件下的测试电流往往并不相同,只能保护电流的极限状态,无法实现动态保护。另一方面,随着健康监测和视情维修的理念逐步被引入航空装备的维护体系,在测试过程中对被测产品的工作电流监测成为了故障诊断和视情维修判断的重要依据,也成为测试设备不可或缺的设计要求之一。
近年来,在机载发射装置的研制过程中,因缺乏有效的电流监测及过流保护措施,而在测试过程中损坏被测产品或测试设备的情况时有发生,这不仅造成了巨大的财产损失,还会造成研制进度的延误。因此,对测试设备的供电电流进行准确监测并实现动态过流保护已成为测试设备设计所面临的一个迫切问题。本文以发射装置内场测试仪为平台,提出了一种基于霍尔传感器的电流监测及过流保护方案。经实验验证,该方案能够准确地实现电流监测,并可以按照设定值进行有效的过流保护。同时,该方案具有良好的通用性和可移植性,能够为同类设备的设计提供参考。

1硬件设计
机载发射装置用于在飞机上安装和运载,并按规定的发射程序控制和实施的发射。发射装置内场测试仪的功能是通过模拟飞机和系统的电气接口,完成对机载发射装置的电气功能测试。测试仪的基本工作原理如图1所示。

图1测试仪基本工作原理


测试时,测试仪通过测试电缆与发射装置连接,发射装置的工作电源由测试仪模拟飞机提供。为了监测发射装置工作过程中的电流情况,同时避免发射装置和测试仪损坏,在供电电路上设计了电流监测及过流保护控制电路,电路原理图如图2所示。

图2电路原理图


电路的核心器件选用AllegRo公司的ACS712霍尔式电流传感器,其基本原理是利用霍尔效应,感应流入电流所产生的磁场强度,然后转化为电压输出。利用霍尔传感器进行电流测试具有电路简单、灵敏度高、动态特性好等优点。该芯片采用SOIC8封装,内阻仅为1.2mΩ,输出精度在25℃时可达1.5%,在-40℃~85℃全温度范围内可达4%。该芯片具有3种量程可选,分别为±5A、±20A和±30A,本文根据被测电流的大小选择±20A量程,其输出公式为: 

式中:IIN的单位为A。
后续调理电路分为两部分,一部分为电流监测调理电路,一部分为过流保护控制电路。
电流监测调理电路用于对传感器输出信号进行调理,由运放及匹配电阻构成,其中R2/R3=5/3,R1/R4=1/3,从而有:

(2)


通过此电路,将测试灵敏度由100mV/A提高到300mV/A,同时将零位点由0.5VCC调整至0V,便于采集和计算。该电路的输出信号通过测试仪的AD采集板卡进行采集后由测试软件进行读取,实现电流监测的功能。
过流保护控制电路用于实现测试仪的过流保护功能。之所以通过硬件电路直接实现过流保护而没有采取软件判定再控制的方式,是为了获得更快的响应速度和更高的可靠性。过流保护控制电路由比较器、达林顿管等器件组成。比较器的参考电平根据需求由测试仪的DA板卡设置,根据不同的被测产品和测试流程可以随时更改参考电平,以实现对不同电流的动态过流保护功能。一旦实际电流超过要求值,传感器输出将超过参考电平,则比较器翻转,从而驱动达林顿管控制继电器动作,切断电源输出。同时,为防止电流在限额附近波动造成继电器反复断开闭合,在比较器的正输入端和输出端之间设计了箝位二极管,一旦比较器翻转,二极管导通,会将正输入端电平拉低,从而使比较器一直保持在翻转状态,需将系统断电复位后方可恢复。
通过此电路的设计,实现了对测试仪输出电源的电流监测和过流保护功能。

2软件设计
测试仪的测试软件基于LabVIEW进行开发,软件框架分为三层,由上到下分别为应用层、中间层、板卡驱动层,示意图如图3所示。其中,板卡驱动层直接对硬件板卡资源进行控制,负责控制板卡的输出、采集、总线数据发送、接收等任务;中间层是建立在驱动层之上、但不直接和操作者进行交互的一层,实现底层板卡驱动层和应用层的隔离,它负责测试系统软、硬件资源的统一调度,包括测试软件的内部数据管理、测试流程的生成和管理、报表的存储和管理等功能;应用层为直接和用户交互的一层,它包括人机交互功能和调用测试序列的功能。

图3测试平台的软件框架
对于电流监测功能而言,首先在中间层设置电流保护阈值,此阈值不是固定不变的,而是根据不同被测产品和不同测试流程动态变化的,以实现精准控制的目的。电流保护阈值按2档进行设计,1档为提示值,用于电流值略微超出正常范围、但还不会损坏产品的情况;第2档为保护值,用于电流大幅超出正常范围、且有可能损坏产品的情况。阈值设置完成后,通过板卡驱动层控制相应DA板卡输出参考电平给电流保护电路,另一方面调用AD板卡对电流指示信号进行采集并在应用层进行显示和记录。
含电流监测及保护功能的测试流程图如图4所示。

图4测试软件工作流程图
测试过程中,如某一时刻产品的工作电流达到提示值,测试流程继续进行,但会在测试界面上以黄灯提示,并将此时的电流值、工作流程、日历时间等信息进行存储,作为产品故障诊断和视情维修的重要判据来源。如某一时刻产品的工作电流达到保护值,硬件电路直接控制测试仪给产品断电,同时测试流程中断,并在测试界面上以红灯显示,达到保护产品和测试仪的目的。

3实验结果与讨论
为了验证所设计电路的性能,分别对其进行了静态性能测试和动态性能测试,静态性能测试主要考核电路的电流监控能力,动态性能测试主要考核电路的过流保护能力。
静态性能测试:使用功率电阻对电路的输出电源加载,使用电流表测试输出电源上的实际电流,电压表测试电流指示信号的电压值。在0A~10A的范围内,测得其输入-输出关系如图5所示。

图5静态性能测试特性曲线
可见,电流指示信号的电压值与实际电流值线性度较好,灵敏度与设计参数一致。
动态性能测试:在输出电源不上电的情况下,连接足以使电流超限的功率电阻,用示波器监视保护后的电源信号,记录该信号从上电到被切断的变化波形,如图6所示。

图6电源过流保护波形
由图可见,从电源上电到超限保护仅用了不到3ms时间,而所用保护继电器的动作时间指标为≤6ms,从而可知超限保护时间主要取决于继电器动作的速度,翻转电路的动作时间可忽略不计,该时间足以满足在被测产品或测试仪损坏前切断电源。

4安科瑞霍尔传感器产品选型
4.1产品介绍
霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。

4.2产品选型
4.2.1开口式开环霍尔电流传感器

4.2.2闭口式开环霍尔电流传感器

4.2.3闭环霍尔电流传感器

4.2.4直流漏电流传感器

5结论
本文针对发射装置内场测试仪无法实现精确的电流监测及缺乏动态过流保护功能的问题,设计了一种基于霍尔器件的电流监测及过流保护电路,该方案结构简单、使用灵活。经过静态性能测试和动态性能测试,该方案能够准确、有效地实现所需功能,这对于降低发射装置的研制风险、加快研制进度有着重要的意义,同时可为同类设备的设计提供有效的参考。

【参考文献】
[1]赵 文.基于霍尔传感器的电流监测及过流保护设计
[2]袁超.机载设备通用自动测试系统现状与发展[J].测控技术,2015,34(Z):112-114.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版

 

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