3种双向电流检测方法的实验比较

刘春玉，黄 亮，张立炎，周 波，张昌辉

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070;2.湖北省电力公司嘉鱼县供电公司，湖北 咸宁 437000)

随着科学技术的发展，越来越多的硬件电路的设计需用到双向电流检测，相对于单向电流检测电路，双向电流检测更为灵活，不仅能检测正负电流的大小，而且能判断电流方向，具有较高的实际应用价值。对于双向电流检测系统的要求是:结果精确、方法可靠、结构简单。

笔者介绍了3种双向电流的检测方法，以三相全控整流桥电路来控制蓄电池的充放电[1－2]为例，对蓄电池充放电进行了研究。采用600 Ah的充放电蓄电池，其最大充电电流为60 A，放电最大电流为100 A。

1 双向电流检测的基本原理

双向电流检测的硬件结构由电流传感器、I/V变换器、信号调理电路、A/D转换器和单片机组成[3]，如图 1 所示。

图1 双向电流检测硬件结构图

电流传感器采用LEM公司的LA100－P[4]。LA100－P的原副边匝比为1∶2 000，原边额定有效值电流为100 A，副边额定有效值电流为50 mA，电流测量范围为±150 A。LA100－P可以把最大充电60 A、放电100 A的蓄电池电流转换成－30～+50 mA的电流信号。

I/V变换器采用的是无源I/V变换，利用精密采样电阻把电流信号转换成电压信号。根据不同的A/D转换器模拟输入通道的电压范围选择不同的精密电阻。

信号调理电路是将非标准电信号转换成标准电信号。根据不同的采样方法，信号调理电路的组成也不一样:对于提升电压法，它包括电压跟随电路、加法电路和滤波电路;对于绝对值电路法，它包括电压跟随电路、绝对值电路、比较电路和滤波电路;对于新型AD芯片，它仅有滤波电路。

A/D转换器的选择要考虑到多种因素[5]，如分辨率、数据总线接口、采样速率、通道数和基准电压等。一种方案是采用 TMS320F2812[6]单片机内部自带的A/D转换器，它包括一个12位、12.5 mSPS、16通道的单极性AD模块;而另一种方案是采用 Analog公司的 AD芯片 AD7321，AD7321是 13 位、串行、500 kSPS、2 通道、2.5 V内部基准电压源的双极性AD芯片。

笔者选用TI公司的TMS320F2812为核心控制单元，它内部自带一个12位A/D转换器。

2 单极性AD采样电路

市面上最常见的是单极性AD芯片，包括单片机内部的AD芯片，绝大多数也是单极性的，它只能识别正电压信号，对于负电压信号则需要将其转换成正电压信号。

笔者采用TMS320F2812单片机内部的AD模块，其模拟输入电压范围为0～3 V，超过该电压就会烧毁DSP芯片，一般情况下输入最大值在3 V的80%左右。对于－60～+100 A转换成－30～+50 mA的电流信号，可以通过电压提升法或者绝对值电路法把该电流信号转换成0～2.4 V左右的电压信号，同时得出电流的方向。

2.1 电压提升法

电压提升法的思想是把－30～+50 mA的电流信号通过I/V变换器转换成－0.9～+1.5 V的电压信号，然后通过加法电路把电压提升到0～+2.4 V。电压提升法电路图如图2所示。

图2 电压提升法电路图

传感器检测到的电流信号Ia通过30 Ω的精密采样电阻R1转换成电压信号V1:

I/V变换器与加法电路之间的电压跟随器是必不可少的，否则采样电阻R1和R4将通过运算放大器并联在一起，会改变采样的电压值。

加法电路是为了把－0.9～+1.5 V电压信号提升 0.9 V[7]，因为:

可取 V2=5 V，R3=50 kΩ，R4=9 kΩ，R5=9 kΩ。R3、R4、R5必须为精密电阻，否则测量结果会有较大的误差。则:

V3再通过一个反向电路得到V4:

这样就实现了将－60～+100 A的电流信号转换成0～+2.4 V的电压信号。电流方向的判断是在DSP内部完成的，当电压值小于0.9 V时，蓄电池处于充电状态;当电压值大于0.9 V时，蓄电池为放电状态。最后电压信号经过滤波，输入给 AD 模块[8]。

2.2 绝对值电路法

绝对值电路法[9－10]的思想是把 －30 ～ +50 mA的电流信号通过I/V变换器转换成－1.5～+2.5 V的电压信号，同时跟0 V进行比较得出电流的方向，然后通过绝对值电路把电压转换成0～+2.5 V的电压信号。绝对值电路法电路图如图3所示，电流方向比较电路如图4所示。

图3 绝对值电路法电路图

图4 电流方向比较电路

传感器检测到的电流信号Ia通过50 Ω的精密采样电阻R1转换成电压信号V5:

电压跟随器也是必不可少的，否则会使R10和R12并联。

对于绝对值电路，取 R12=10 kΩ，R13=20 kΩ，R15=10 kΩ，R16=10 kΩ，R17=10 kΩ，电阻都必须为精密电阻。绝对值电路的前级运放组成反向电路，后级运放组成加法电路。

当 V5≥0 时，D2关断，D1导通:

当 V5＜0 时，D2导通，D1关断:

由式(6)和式(7)，可得:

由此实现了把－60～+100 A的电流信号转换成0～+2.4 V的电压信号，然后滤波输入给AD模块。

电流方向比较电路是把I/V变换后的电压信号与0电压比较。当蓄电池充电时，采样电压V5＜0，V9=12 V，然后经过电平转换变成DSP能识别的高电平;当蓄电池充电时，采样电压V5＞0，V9=－12 V，经过电平转换变成DSP能识别的低电平。

3 新型双极性AD芯片法

对于正负电流的检测，还可以考虑使用外接的新型双极性AD芯片，其模拟量输入通道可以检测正负电压信号。笔者采用 Analog公司的AD7321[11]，其模拟通道输入范围为软件可编程的 ±10 V，±5 V，±2.5 V，0～ +10 V，笔者选择±5 V。AD7321有内部基准电压源，不需要外接，因此使用起来非常简单。AD7321电流检测硬件电路如图5所示。

图5 AD7321电流检测硬件电路

把传感器检测到的－30～+50 mA的电流信号Ia通过100 Ω的精密采样电阻 R20转换成－3～+5 V的电压信号V11:

然后把采样得到的电压信号通过滤波电路输入给AD7321的模拟输入通道VIN0。

AD7321与DSP芯片TMS320F2812之间通过串行接口连接在一起。串行时钟SCLK提供转换和控制信息的时钟信号。片选启动数据传输和转换过程，一次转换共需16个时钟信号。DSP通过DIN引脚向AD7321写入寄存器的值，AD7321有2个可编程的寄存器:控制寄存器和范围寄存器。数据转换结束后通过DOUT输出给DSP，包括2个零位、通道标识位、符号位和12位数据转换结果共16位数据。AD转换流程如图6所示。

4 实验结果与分析

4.1 信号完整性分析

由于电压提升法和绝对值电路法对I/V变换后的电压信号进行了变换，不能从理论上保证输出信号完整或者没有失真，因此必须通过实验来对这两个电路全程电压进行校验。新型AD芯片则是直接把I/V变换的电压传送给AD芯片，因此不需要进行信号完整性校验。

图6 AD转换流程图

给输入电压一个正弦信号，用示波器测量其输入(下面的)、输出(上面的)波形。在波形上，信号完整性得到了验证。在数据上，电压提升电路的输出电压比输入电压提升了0.9 V，从－0.899～1.5 V提到0.013～+2.41 V，其界面图如图7所示;绝对值电路的输出电压从－1.5～+2.5 V变成了0～+2.5 V，其界面图如图8所示。

图7 电压提升法校验界面图

图8 绝对值电路法校验界面图

4.2 数据比较

将TMS320F2812单片机转换的数据通过上位机显示，用钳形表测量实际数据，在上位机上读取3种方法的电流值。实验数据比较如表1所示。电压提升法的采样最大误差为1 A，精度略大于1%;绝对值电路法的采样最大误差为0.6 A，精度小于1%;新型AD芯片法的采样最大误差为0.7 A，精度小于1%。

表1 3种方法读取电流值的实验数据比较

5 结论

笔者介绍的3种电流采样电路都能较好地实现双向电流的检测，3种采样电路各有特点:电压提升法的电路结构简单，元器件价格便宜，电路易于实现。但其以牺牲采样精度为代价，因此采样精度较低;绝对值电路法的电路结构复杂，方向检测必须外接电路，其采样精度较高;新型AD芯片法的电路结构简单，采样精度高，但芯片较贵。

如果使用控制芯片内部AD，控制精度要求不高时，推荐使用电压提升法;控制精度要求高时，推荐使用绝对值电路法;如果要求电路尽可能简单准确，在成本允许的条件下，推荐使用新型双极性AD芯片法。

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