电压电流检测电路优化设计

电机控制需要对逆变器输入侧直流电压、电流和输出侧交流电压、交流电流进行检测。主电路的电压与电流经过传感器后转变为弱电信号，再经过信号调理电路转变为适合数字控制器接收的电压信号。下面介绍几种典型的检测方案。

1.互感器

互感器本质上就是变压器，输出信号与检测信号之间实现了电气隔离，但只能用来检测交流量。下面将简单介绍电流互感器。

电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。一次绕组匝数（N₁）较少，直接串联于电源线路中。当一次绕组流过待测电流时，产生的交变磁通在二次绕组上感应出相应电压。二次绕组匝数（N₂）较多，经由负载Z形成闭合回路，如图8-26所示。

图8-26 穿心式电流互感器结构原理图

由于电流互感器二次绕组匝数较多，所以二次绕组绝对不允许开路，否则可能出现高电压，危及人身和仪表安全；分析等效电路可知，在待测电路中接入电流互感器后，相当于串联了的阻抗。因而在电流互感器中，二次绕组的负载阻抗不能很高，这样才不会明显影响到待测电流；为安全起见，二次绕组回路应设保护性接地点，并可靠连接。

电流互感器也可以用来测量含有直流分量的脉冲电流，图8-26中给出了一种常用于测量DC/DC变换器中高频脉冲电流的电路。

2.霍尔传感器

在磁场B的作用下，载流导体中的电荷受到洛伦兹力偏向一侧，从而产生了电压V_H，这就是霍尔效应。根据霍尔效应，可以设计开环或闭环的电流测量电路，如图8-27所示。图中采用补偿电路，利用霍尔电压产生一个补偿电流I_S，该电流与待测电流I_P在铁心中产生的合成磁通保持为零，故而称为零磁通传感器，这种方式可以提高传感器的性能。

图8-27 霍尔效应示意图及闭环方式测量电路

霍尔传感器的输出信号有电压与电流两种方式，图8-27给出的是后者，所以在检测电路中需要外部串联测量电阻R_m（一般在百欧姆以下，根据使用手册选取）。图8-28给出了电流霍尔传感器的外部电气连接。图中还给出了电流霍尔传感器实物图（型号为LA100-P），它是采用闭环方式测量电流的，待测电流范围为100A，准确度为0.45%，供电电压为双极性±15V，二次额定输出电流为50mA。

图8-28 电流霍尔传感器电路连接示意图及其实物外形图(www.xing528.com)

测量电压的霍尔传感器通常是利用高阻值的电阻并联在待测电路中，将电压信号转换为一个小电流，然后在电流测量的基础上间接获得待测电压。一次侧的串联电阻通常需要从外部接入（如LV100、LV200系列），如图8-29所示，也有内置一次侧电阻的电压霍尔传感器（如图中的AV100）。

图8-29 电压霍尔传感器

3.隔离运放

图8-30给出了HCPL7800系列隔离运放芯片的引脚图及电路示意图，可以看出待测电路与输出电路分别由两路隔离电源供电，从而可以实现隔离测量。从图8-31的工作原理图中可以看出，经过了Σ-ΔADC后，待测电压转换为数字信息，经过合适的编码后以光的方式传输给后端检测电路，从而实现了电气隔离。后端检测得到一次侧电压的数字编码后，再经过解码和滤波后转换为精确的模拟电压输出。

图8-30 隔离运放芯片引脚与电路示意图

图8-31 隔离运放的工作原理图

4.检测电阻

直接采用电阻串联或并联在电路中对电流、电压进行检测是一种比较简单、成本较低的测量方法，也可以认为是真实度非常高的一种方法，但它是一种非隔离的测量方式。

串入小阻值的电阻到待测电路中测量电流，电阻上会有损耗；如果期望电压信号较大，那么损耗会比较明显。

并入电路测量电压时，需要采用高阻值的电阻进行测量，但阻值较高的电阻容易带来较多的噪声电压；同时有可能会把较高的电压引入到后端的信号调理电路中。