雙向線性電流傳感器ACS706的原理、特點及在工業控制中的應用

作者：馬長軍，朱宏偉，鄒繼斌

在工業控制等諸多領域，隨著對控制性能要求的提高，伺服電機的使用越來越多，因此配套使用的伺服電機驅動器也隨之增長。此類系統通常要進行電流的閉環控制，因此需要使用電流傳感器來檢測電流。常用的電流傳感器有霍爾電流傳感器、電阻傳感器和光學電流傳感器等三種?？紤]到傳感器的成本、體積和電氣隔離性能等因素，霍爾型電流傳感器是該場合使用最多的一種。

以典型的三相電動機為例，要進行三相電流閉環控制，在低成本方案中通常使用兩個電流傳感器檢測電流。過去常用的高精度閉環補償式霍爾電流傳感器價格較高，增加了控制器成本，若使用傳統的直接測量式霍爾電流傳感器，則達不到預期的性能。因此就有學者提出取消電流傳感器，然后通過估算電流大小進行電流閉環控制。估算電流的方法自然給控制器的運算單元帶來負擔，同時該方法對電機參數比較敏感，對于一般設計者很難達到預期的檢測精度，也就達不到對電流進行有效控制的目的。

最近，Allegro公司結合其半導體設計加工技術和磁參數霍爾傳感技術而開發的ACS706系列電流傳感器，與高精度的閉環補償式霍爾電流傳感器相比，既保留了較高的精度，又降低了成本、縮小了體積。在低成本高性能的小功率伺服驅動器中，該系列傳感器是一個不錯的選擇。

ACS706系列電流傳感器原理、特點

ACS706系列電流傳感器是一種基于霍爾效應的雙向線性電流傳感器，可測的電流有5A，15A，20A等規格。傳導被測電流的導體部分與測量電路之間的交流隔離電壓有效值為2500V，直流隔離電壓為5000V。該器件采用SOIC8表貼封裝，運行溫度？40℃～＋85℃。

該傳感器管腳功能如圖1所示。其1腳和2腳合起來通到3腳和4腳，用來傳導待測電流，稱為初級銅導體。器件的輸出以Vcc/2為中心，隨著流過初級銅導體電流的增長而呈正向的線性增長。初級銅導體的典型的內阻為1.5m？，使得其損耗較小。銅導體的厚度允許器件最高可達3倍瞬時過流而不損壞。傳導電流的管腳與傳感引腳（5至8腳）之間電氣隔離，這就使得ACS706系列傳感器可以用在需要電氣隔離的場合，而不需要使用光隔離或者其他成本較高的隔離技術。

該電流傳感器的特點如下：

1）尺寸小， SOIC8封裝，節省空間；

2 ）輸出電壓正比于交直流電流，輸出靈敏度133mV/A，動態電流范圍大。

3）輸出偏移電壓穩定，磁滯近乎為零。

ACS706系列電流傳感器的原理如圖2所示，傳感器中加入了電壓調整模塊和溫度補償模塊。

ACS706系列電流傳感器為工業、汽車、商業及通訊系統應用提供了一個經濟、高精度的解決方案。該器件的封裝方便用戶使用。典型的應用領域包括電機控制、負載檢測與管理、開關電源和過流故障保護等。

針對傳感器溫度敏感性進行的實驗

在使用ACS704系列傳感器的時候，發現該傳感器的輸出電壓信號對器件的溫度比較敏感。在布置PCB時，若把器件放置在功率器件附近，由于發熱及傳導，系統長時間運行時，會使得電流傳感器溫度較高，由于該系列芯片沒有溫度補償環節，實驗中發現器件輸出的電壓信號偏移較大，從而引起較大的電流測量誤差，給驅動器的控制特性帶來較大的負面影響。

ACS706系列電流傳感器對ACS704系列進行了改進，加入了溫度補償環節和供電電壓的調整環節。兩者封裝完全兼容，所以可以方便的移植到原控制板中。應用ACS706系列傳感器，偏差較大的問題得到解決，器件的綜合指標滿足低成本高精度伺服驅動器使用場合的需求。

通過對上述兩種芯片的試用，不同的結果驅使我們想比較準確的把握兩種芯片的特性，尤其是溫度特性，因此設計了測量此類傳感器溫度敏感性的實驗。

實驗原理

隨機抽取ACS704ELC-005傳感器和ACS706ELC-05C傳感器各兩個，分別命名為1#704、2#704、1#706和2#706，按圖3連好線，將傳感器放入室內、烘箱或冷柜中，測試不同溫度下傳感器的輸出信號與電流的對應關系。 測試溫度變化范圍－40℃～＋120℃，溫度測試點分別為－40℃、－20℃、20℃、40℃、60℃、90℃和120℃。

電流從－5A ～ ＋5A每逢整數電流測試一組數據，共11個測試點，而且在同一溫度下，進行兩次實驗。

準確設定待測電流和供電電壓Vcc，記錄輸出電壓Vout和溫度值。

實驗結果及分析

在 不同溫度下對4片樣片進行測試， 1#704、2#704和1#706、2#706的輸出電壓與被測電流之間的關系分別如圖4和圖5所示。從實驗結果看，除了1#706器件在－40℃時出現異常輸出外，其余條件下器件的線性度較高，一致性較好。

器件在－40℃時異?？赡艿脑蚴窃撈骷诘蜏貙嶒炛敖浭芰?20℃的高溫實驗，而此溫度是超出器件允許使用溫度的，這樣可能造成了器件內部故障，而在低溫實驗時體現出來。實驗中發現，4個樣品中有2個器件是先做高溫實驗后作低溫實驗的，而恰好這兩個樣品出現了異?，F象，而其余兩個未發現異常問題?？紤]生產廠在數據手冊中標明可以在－40℃下運行，故筆者才產生上述推斷。

為了從總體上對比，將4個樣片各自在不同溫度下測量的結果進行平均（排除1#706樣片異常的數據），并將得到的4組數據進行對比，結果如圖6所示，可以看出ACS704系列的兩個傳感器的輸出電壓與待測電流之比（即斜率）比ACS706系列的稍小。而ACS706系列的斜率更接近于數據手冊中給出的典型值0.133V/A。

在被測電流為零時，對4個傳感器的輸出進行抽取，觀察其溫度特性，對比結果如圖7所示，從圖看出兩種傳感器沒有明顯區別，但中心值多數偏低于Vcc/2（2.5V）。

為 了放大觀察實驗結果，從圖4、圖5對應的實驗數據中計算4個樣 片不同溫度下的靈敏度（單位V/A）， 1#70 4、2#704和1#706、2#706的結果分別如圖8和圖9所示。比較可見，ACS706傳感器樣品的靈敏度更接近數據手冊中給出的典型值0.133V/A，而且參數更好的集中在該值附近，而ACS704傳感器樣品的靈敏度偏移較大，而且比較離散。

觀察全部曲線可以看出，在現有實驗條件下，該實驗測量的數據點可能存在較大的偏差，從而影響了對器件的客觀評價。但不可否認，總的趨勢是有一定的參考意義的。同時，在實際的使用場合，特別是伺服驅動器類的電磁干擾比較大的場合，測量結果偏差也會較大，該問題在編制控制軟件時要予以考慮。

傳感器在實際系統中的應用

ACS706系列傳感器低成本、高精度、小封裝以及良好的隔離特性使得其比較適合應用于伺服電機驅動系統，這樣既解決了使用傳統高精度傳感器成本高、體積大的問題，又避免了采用無電流傳感器方法帶來的電流估算難題。

下面是該傳感器在一款低成本永磁同步電機驅動器中的具體應用情況。

原理圖

所設計的驅動器采用兩個電流傳感器測量電機兩相電流，截取一路電流傳感部分原理圖如圖10所示。圖中，后端對傳感器信號處理部分的參數可根據用戶具體情況設定，如放大倍數和偏置電壓等。

PCB布板建議及實際應用示例

由于傳感器的封裝形式為SOIC8，尺寸較小，自然使得待測電流流過的管腳小、距離近，同時其測量的動態電流又相對較大，因此在進行PCB布板時要充分考慮電流流過的路徑，盡量增大導電銅皮的截面積，從而減小導通電阻，減小發熱。另外，在放置該器件時要使其與大功率發熱器件的焊盤保持一定距離，以便留有一定的散熱面積，否則容易把功率器件的發熱傳導至傳感器，引起較高的溫度。

依據使用經驗，在常用的雙層板情況下，建議按圖11布線，圖中左側圖形為底層圖形，右側為頂層圖形。

實現的硬件如圖12所示，可見使用該傳感器既節省空間，又能達到電氣隔離的目的。

實驗結果

如圖13所示，應用ACS706系列傳感器的伺服驅動器在驅動電機加速時的相電流波形正弦性較好，可見系統能夠平穩的控制電流。實驗結果表明，在伺服驅動系統中使用此類電流傳感器是成功的。

結束語

通過實驗分析，驗證了ACS706系列傳感器具有較高的精度，溫度穩定性較ACS704系列傳感器有所改進。將其用于實際系統的實驗結果表明，應用此類傳感器可以降低驅動器成本、減小體積，同時還可以保持較高的性能。設計時再仔細考慮PCB布線、發熱等因素，還可以更進一步地提高電流檢測環節的熱穩定性和精度。

實驗表明，應用時要符合此類傳感器的使用條件，否則可能出現不可預期的失效現象。

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