淺談基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護設計與選型

摘要：根據機載電子設備健康監(jiān)測和視情維修的要求，發(fā)射裝置內場測試儀需增加對被測產品進行精確電流監(jiān)測的功能;同時，為避免測試期間因過流而導致的產品或測試設備損壞，亟需實現(xiàn)對被測產品的動態(tài)過流保護。基于此需求，設計了一種基于霍爾傳感器的實現(xiàn)方案。硬件方面，電路由敏感器件、電流監(jiān)測調理電路和過流保護控制電路組成，一方面將工作電流轉化為對應的指示電壓并調理輸出;另一方面根據設置的動態(tài)電流閾值實現(xiàn)過流保護。軟件方面，在測試儀原有的三層軟件框架基礎上，增加了電流閾值設定、電流指示、超限報警等模塊，實現(xiàn)了電路控制、狀態(tài)顯示和數(shù)據存儲等功能。通過該設計，測試儀的智能化程度得到有效提升，滿足了健康監(jiān)測的需求，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產損失和進度風險。

關鍵詞：發(fā)射裝置;內場測試儀;霍爾傳感器;電流監(jiān)測;過流保護;健康監(jiān)測

0引言
隨著航空裝備的快速發(fā)展，通用型的自動測試系統(tǒng)(ATS)逐步成為機載電子設備可靠運行的必要保證，用于實現(xiàn)對某類機載設備進行功能和性能測試。此類測試設備一般與被測產品進行同步研發(fā)設計，如空空測試儀、發(fā)射裝置測試儀等。這些測試設備在測試產品時，通過運行自動的測試流程，一方面為被測產品提供所需的電源，一方面通過發(fā)送和接收相應的測試信號，檢驗被測產品的功能和性能是否正常。
為了防止被測產品或測試設備故障導致的短路及過流問題，測試設備需要設計相應的保護措施。傳統(tǒng)的方案是安裝保險絲或空氣斷路器，這種方法雖然簡單，但由于不同測試條件下的測試電流往往并不相同，只能保護電流的極限狀態(tài)，無法實現(xiàn)動態(tài)保護。另一方面，隨著健康監(jiān)測和視情維修的理念逐步被引入航空裝備的維護體系，在測試過程中對被測產品的工作電流監(jiān)測成為了故障診斷和視情維修判斷的重要依據，也成為測試設備*的設計要求之一。
近年來，在機載發(fā)射裝置的研制過程中，因缺乏有效的電流監(jiān)測及過流保護措施，而在測試過程中損壞被測產品或測試設備的情況時有發(fā)生，這不僅造成了巨大的財產損失，還會造成研制進度的延誤。因此，對測試設備的供電電流進行準確監(jiān)測并實現(xiàn)動態(tài)過流保護已成為測試設備設計所面臨的一個迫切問題。本文以發(fā)射裝置內場測試儀為平臺，提出了一種基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護方案。經實驗驗證，該方案能夠準確地實現(xiàn)電流監(jiān)測，并可以按照設定值進行有效的過流保護。同時，該方案具有良好的通用性和可移植性，能夠為同類設備的設計提供參考。

1硬件設計
機載發(fā)射裝置用于在飛機上安裝和運載，并按規(guī)定的發(fā)射程序控制和實施的發(fā)射。發(fā)射裝置內場測試儀的功能是通過模擬飛機和系統(tǒng)的電氣接口，完成對機載發(fā)射裝置的電氣功能測試。測試儀的基本工作原理如圖1所示。

圖1測試儀基本工作原理

測試時，測試儀通過測試電纜與發(fā)射裝置連接，發(fā)射裝置的工作電源由測試儀模擬飛機提供。為了監(jiān)測發(fā)射裝置工作過程中的電流情況，同時避免發(fā)射裝置和測試儀損壞，在供電電路上設計了電流監(jiān)測及過流保護控制電路，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，感應流入電流所產生的磁場強度，然后轉化為電壓輸出。利用霍爾傳感器進行電流測試具有電路簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好等優(yōu)點。該芯片采用SOIC8封裝，內阻僅為1.2mΩ，輸出精度在25℃時可達1.5%，在-40℃～85℃全溫度范圍內可達4%。該芯片具有3種量程可選，分別為±5A、±20A和±30A，本文根據被測電流的大小選擇±20A量程，其輸出公式為： 

式中:IIN的單位為A。
后續(xù)調理電路分為兩部分，一部分為電流監(jiān)測調理電路，一部分為過流保護控制電路。
電流監(jiān)測調理電路用于對傳感器輸出信號進行調理，由運放及匹配電阻構成，其中R2/R3=5/3，R1/R4=1/3，從而有:

（2）

通過此電路，將測試靈敏度由100mV/A提高到300mV/A，同時將零位點由0.5VCC調整至0V，便于采集和計算。該電路的輸出信號通過測試儀的AD采集板卡進行采集后由測試軟件進行讀取，實現(xiàn)電流監(jiān)測的功能。
過流保護控制電路用于實現(xiàn)測試儀的過流保護功能。之所以通過硬件電路直接實現(xiàn)過流保護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速度和更高的可靠性。過流保護控制電路由比較器、達林頓管等器件組成。比較器的參考電平根據需求由測試儀的DA板卡設置，根據不同的被測產品和測試流程可以隨時更改參考電平，以實現(xiàn)對不同電流的動態(tài)過流保護功能。一旦實際電流超過要求值，傳感器輸出將超過參考電平，則比較器翻轉，從而驅動達林頓管控制繼電器動作，切斷電源輸出。同時，為防止電流在限額附近波動造成繼電器反復斷開閉合，在比較器的正輸入端和輸出端之間設計了箝位二極管，一旦比較器翻轉，二極管導通，會將正輸入端電平拉低，從而使比較器一直保持在翻轉狀態(tài)，需將系統(tǒng)斷電復位后方可恢復。
通過此電路的設計，實現(xiàn)了對測試儀輸出電源的電流監(jiān)測和過流保護功能。

2軟件設計
測試儀的測試軟件基于LabVIEW進行開發(fā)，軟件框架分為三層，由上到下分別為應用層、中間層、板卡驅動層，示意圖如圖3所示。其中，板卡驅動層直接對硬件板卡資源進行控制，負責控制板卡的輸出、采集、總線數(shù)據發(fā)送、接收等任務;中間層是建立在驅動層之上、但不直接和操作者進行交互的一層，實現(xiàn)底層板卡驅動層和應用層的隔離，它負責測試系統(tǒng)軟、硬件資源的統(tǒng)一調度，包括測試軟件的內部數(shù)據管理、測試流程的生成和管理、報表的存儲和管理等功能;應用層為直接和用戶交互的一層，它包括人機交互功能和調用測試序列的功能。

圖3測試平臺的軟件框架
對于電流監(jiān)測功能而言，首先在中間層設置電流保護閾值，此閾值不是固定不變的，而是根據不同被測產品和不同測試流程動態(tài)變化的，以實現(xiàn)精準控制的目的。電流保護閾值按2檔進行設計，1檔為提示值，用于電流值略微超出正常范圍、但還不會損壞產品的情況;第2檔為保護值，用于電流大幅超出正常范圍、且有可能損壞產品的情況。閾值設置完成后，通過板卡驅動層控制相應DA板卡輸出參考電平給電流保護電路，另一方面調用AD板卡對電流指示信號進行采集并在應用層進行顯示和記錄。
含電流監(jiān)測及保護功能的測試流程圖如圖4所示。

圖4測試軟件工作流程圖
測試過程中，如某一時刻產品的工作電流達到提示值，測試流程繼續(xù)進行，但會在測試界面上以黃燈提示，并將此時的電流值、工作流程、日歷時間等信息進行存儲，作為產品故障診斷和視情維修的重要判據來源。如某一時刻產品的工作電流達到保護值，硬件電路直接控制測試儀給產品斷電，同時測試流程中斷，并在測試界面上以紅燈顯示，達到保護產品和測試儀的目的。

3實驗結果與討論
為了驗證所設計電路的性能，分別對其進行了靜態(tài)性能測試和動態(tài)性能測試，靜態(tài)性能測試主要考核電路的電流監(jiān)控能力，動態(tài)性能測試主要考核電路的過流保護能力。
靜態(tài)性能測試:使用功率電阻對電路的輸出電源加載，使用電流表測試輸出電源上的實際電流，電壓表測試電流指示信號的電壓值。在0A~10A的范圍內，測得其輸入-輸出關系如圖5所示。

圖5靜態(tài)性能測試特性曲線
可見，電流指示信號的電壓值與實際電流值線性度較好，靈敏度與設計參數(shù)一致。
動態(tài)性能測試: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)視保護后的電源信號，記錄該信號從上電到被切斷的變化波形，如圖6所示。

圖6電源過流保護波形
由圖可見，從電源上電到超限保護僅用了不到3ms時間，而所用保護繼電器的動作時間指標為≤6ms，從而可知超限保護時間主要取決于繼電器動作的速度，翻轉電路的動作時間可忽略不計，該時間足以滿足在被測產品或測試儀損壞前切斷電源。

4安科瑞霍爾傳感器產品選型
4.1產品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

4.2產品選型
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結論
本文針對發(fā)射裝置內場測試儀無法實現(xiàn)精確的電流監(jiān)測及缺乏動態(tài)過流保護功能的問題，設計了一種基于霍爾器件的電流監(jiān)測及過流保護電路，該方案結構簡單、使用靈活。經過靜態(tài)性能測試和動態(tài)性能測試，該方案能夠準確、有效地實現(xiàn)所需功能，這對于降低發(fā)射裝置的研制風險、加快研制進度有著重要的意義，同時可為同類設備的設計提供有效的參考。

【參考文獻】
[1]趙 文.基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測及過流保護設計
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[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2020.06版