CN216387190U - 一种可调增益的电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调增益的电流检测电路，包括：MCU单元、可调节放大电路、零点调节电路、低通滤波放大电路和电阻采样单元；电阻采样单元通过低通滤波放大电路与零点调节电路连接，零点调节电路与MCU单元连接，零点调节电路通过可调节放大电路与MCU单元连接；低通滤波放大电路对输入的信号滤波后输出，零点调节电路将低通滤波放大电路输出的偏置电压通过调节电阻器使得零点调节电路输出信号最小输出为0V，可调节放大电路根据MCU单元对零点调节电路的输出信号进行可调增益放大，MCU单元根据零点调节电路的输出信号调整增益，控制可调节放大电路。本实用新型公开了电路简单、使用元器件少、占用空间小，减少了对于工控系统的占用空间。

Description

一种可调增益的电流检测电路

技术领域

本实用新型涉及电压放大技术领域，尤其涉及一种可调增益的电流检测电路。

背景技术

目前电机伺服系统采用的矢量控制方法，需要精确、实时检测电流。电流检测方法有：(1)利用交流互感器检测；(2)利用霍尔传感器检测；(3)利用精密采样电阻检测。交流互感器使强弱电隔离，抗干扰能力强，受温度影响小，但体积比较大。霍尔传感器也具有强弱电隔离作用，抗干扰能力强，但受温度影响比较大，体积也比较大。精密采样电阻没有隔离作用，抗干扰能力差，对控制器的设计和布线有很高的要求，但尺寸比较小，适合于安装尺寸受限的情况。一般利用精密采样电阻检测只能对输入信号进行固定增益的放大处理，当采集电路对输入信号幅度范围要求较高时就会出现采集精度低的情况，这对于电机的高精度的控制和散热是不利的。

发明内容

技术目的：针对现有技术中的缺陷，本实用新型公开了一种可调增益的电流检测电路，电路简单、使用元器件少、占用空间小，与以往的电路相比，有效减少了对于工控系统的占用空间。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种可调增益的电流检测电路，包括：MCU单元、可调节放大电路、零点调节电路、低通滤波放大电路和电阻采样单元；所述电阻采样单元通过低通滤波放大电路与零点调节电路连接，零点调节电路与MCU单元连接，零点调节电路还通过可调节放大电路与MCU单元连接；低通滤波放大电路用于对输入的信号滤波后输出，零点调节电路用于将低通滤波放大电路输出的偏置电压通过调节电阻器使得零点调节电路输出信号最小输出为0V，可调节放大电路用于根据MCU单元对零点调节电路的输出信号进行可调增益放大，MCU单元用于根据零点调节电路的输出信号调整增益，控制可调节放大电路。

优选地，所述电阻采样单元和低通滤波放大电路包括采样电阻R30和运算放大器U1，采样电阻R30检测电压后输出UA+信号和UA-信号，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2、电阻R1与UA+信号连接，运算放大器U1的负输入引脚通过电阻R4、电阻R3与UA-信号连接，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2连接VREF电源，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2、电容C1和电阻R4与运算放大器U1的负输入引脚连接，运算放大器U1的负输入引脚通过电阻R6与运算放大器U1的输出引脚连接，运算放大器U1的输出引脚通过电阻R7输出VOUT1信号，运算放大器U1的输出引脚通过电容C3接地，其中，UA+信号和UA-信号为电阻采样单元的输出信号，VOUT1信号为低通滤波放大电路的输出信号。

优选地，所述零点调节电路包括运算放大器U2和运算放大器U3，运算放大器U2的正输入引脚通过电阻R8连接5V电源，运算放大器U2的正输入引脚通过电阻R9接地，运算放大器U2的负输入引脚与运算放大器U2的输出引脚连接，VOUT1信号通过电阻R10与运算放大器U3的正输入引脚连接，VOUT1信号通过电阻R10、电阻R11接地，运算放大器U2的输出引脚通过电阻R12与运算放大器U3的负输入引脚连接，运算放大器U3的负输入引脚通过电阻R13与运算放大器U3的输出引脚连接，运算放大器U3的输出引脚输出VOUT2信号；其中，VOUT1信号为低通滤波放大电路的输出信号，VOUT2信号为零点调节电路的输出信号。

优选地，所述可调节放大电路包括运算放大器U4、多路复用器；运算放大器U4的正输入引脚通过电阻R15连接VOUT2信号，运算放大器U4的正输入引脚通过电阻R16接地，运算放大器U4的负输入引脚通过电阻R17接地，运算放大器U4的负输入引脚与多路复用器的引脚D连接，多路复用器的引脚S1至引脚S4分别通过电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端输出VOUT3信号，电阻R25的另一端通过电容C5接地；其中，VOUT2信号为零点调节电路的输出信号，VOUT3信号为可调节放大电路的输出信号，VOUT2信号、多路复用器的引脚EN、引脚C1和引脚C2与MCU单元连接。

有益效果：本实用新型电路简单、使用元器件少、占用空间小，与以往的电路相比，有效减少了对于工控系统的占用空间。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构框图；

图2为实施例中电阻采样单元和低通滤波放大电路的电路图；

图3为实施例中零点调节电路的电路图；

图4为实施例中可调节放大电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型的一种可调增益的电流检测电路做进一步的说明和解释。

实施例：

如附图1所示，一种可调增益的电流检测电路，包括：MCU单元、可调节放大电路、零点调节电路、低通滤波放大电路和电阻采样单元；所述电阻采样单元通过低通滤波放大电路与零点调节电路连接，零点调节电路与MCU单元连接，零点调节电路还通过可调节放大电路与MCU单元连接；低通滤波放大电路用于对输入的信号滤波后输出，零点调节电路用于将低通滤波放大电路输出的偏置电压通过调节电阻器使得零点调节电路输出信号最小输出为0V。可调节放大电路用于根据MCU单元对零点调节电路的输出信号进行可调增益放大，MCU单元用于根据零点调节电路的输出信号调整增益，控制可调节放大电路；

如附图2所示，电阻采样单元和低通滤波放大电路包括采样电阻R30和运算放大器U1，采样电阻R30检测电压后输出UA+信号和UA-信号，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2、电阻R1与UA+信号连接，运算放大器U1的负输入引脚通过电阻R4、电阻R3与UA-信号连接，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2连接VREF电源，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2、电容C1和电阻R4与运算放大器U1的负输入引脚连接，运算放大器U1的负输入引脚通过电阻R6与运算放大器U1的输出引脚连接，运算放大器U1的输出引脚通过电阻R7输出VOUT1信号，运算放大器U1的输出引脚通过电容C3接地，其中，UA+信号和UA-信号为电阻采样单元的输出信号，VOUT1信号为低通滤波放大电路的输出信号，即偏置电压。

电阻采样单元用于通过采样电阻R30检测电机的电流信号，采用差分采样的方式将所述电流信号转换为电压转换为电压信号传输至低通滤波放大电路。

本实施例中，R1=R3,R2=R4,R5=R6，VOUT1信号输出电压为：

当R1=R3=490Ω，R2=R4=510Ω,R5=R6=1KΩ，C1=33nF时滤波器的截止频率为16.8K。

本实施例中的低通滤波放大电路是由运算放大器和电阻、电容构成的有源滤波电路，根据输入信号的特点，选择合适的滤波电路形式及电路参数。主要是将输入的电流信号滤波，滤除信号中的高次谐波，有源滤波电路还具有一定的电压放大和缓冲作用。

如附图3所示，零点调节电路包括运算放大器U2和运算放大器U3，运算放大器U2的正输入引脚通过电阻R8连接5V电源，运算放大器U2的正输入引脚通过电阻R9接地，运算放大器U2的负输入引脚与运算放大器U2的输出引脚连接，VOUT1信号通过电阻R10与运算放大器U3的正输入引脚连接，VOUT1信号通过电阻R10、电阻R11接地，运算放大器U2的输出引脚通过电阻R12与运算放大器U3的负输入引脚连接，运算放大器U3的负输入引脚通过电阻R13与运算放大器U3的输出引脚连接，运算放大器U3的输出引脚输出VOUT2信号；其中，VOUT1信号为低通滤波放大电路的输出信号，VOUT2信号为零点调节电路的输出信号。

零点调节电路用于将低通滤波放大电路的输出信号，即VOUT1信号，通过调节电阻R8、电阻R9、电阻R10和电阻R11的阻值使得零点调节电路输出信号VOUT2信号最小输出为0V，进而增加可调增益的范围，提高电流检测的精度。

本实施例中，控制R7+R10=R11=R12=R13, VOUT2的输出电压为：

如附图4所示，可调节放大电路包括运算放大器U4、多路复用器；运算放大器U4的正输入引脚通过电阻R15连接VOUT2信号，运算放大器U4的正输入引脚通过电阻R16接地，运算放大器U4的负输入引脚通过电阻R17接地，运算放大器U4的负输入引脚与多路复用器的引脚D连接，多路复用器的引脚S1至引脚S4分别通过电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端输出VOUT3信号，电阻R25的另一端通过电容C5接地；其中，VOUT2信号为零点调节电路的输出信号，VOUT3信号为可调节放大电路的输出信号，也就是处理后电流检测的输出电压，VOUT2信号、VOUT3信号、多路复用器的引脚EN、引脚C1和引脚C2与MCU单元连接。

可调节放大电路的工作原理为：VOUT2信号、多路复用器的引脚EN、引脚C1和引脚C2与MCU单元连接，MCU单元中的ADC模块先检测零点调节电路的输出信号，即VOUT2信号，根据VOUT2信号的电压大小确定可调节放大电路的增益控制码来确认放大倍数，可调节放大电路通过多路复用器的引脚C1和引脚C2作为增益控制码，在两位增益控制码的控制下选择不同的电阻放大网络通道，即控制多路复用器的引脚S1至引脚S4的导通，实现不同比例的型号放大，电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24的不同阻值选取可以实现不同倍数的放大。增益多级放大进而提高电机电流检测的精度。

本实施例中设置两位增益控制码实现 1～20倍的放大，增益控制命令由MCU单元提供，根据VOUT2信号的电压范围决定可调增益放大的倍数，即根据检测不同的输入电压范围来改变增益。增益控制码对应的增益如表格1所示。

表格1

C1	C2	增益
			0	0	1
1	0	5
			0	1	10
1	1	20

选择通道1即控制多路复用器的引脚S1导通时输出电压：

选择通道2即控制多路复用器的引脚S2导通时输出电压：

选择通道3即控制多路复用器的引脚S3导通时输出电压：

选择通道4即控制多路复用器的引脚S4导通时输出电压：

本实施例中，运算放大器均采用TI公司型号为TLV4316的运算放大器，MCU单元采用TI公司型号为TMS320F28335PGFA的DSP，多路复用器采用TI公司型号为TMUX1104的多路复用器芯片。电流采样采用厚生公司型号为MS123WF200NT4E的精密电阻，以采集到更为准确的输出电流。

本实用新型的工作原理为：MCU单元根据检测电流采样电阻、低通滤波放大电路的抬高电压、可调放大电路的输出电压和放大倍数来计算得出电机电流。具体过程为：电阻采样单元中，采样电阻R30检测电机的电流信号，通过差分采样的方式输出差分信号，即UA+信号和UA-信号；UA+信号和UA-信号经过低通滤波放大电路进行滤波和放大，输出VOUT1信号；VOUT1信号通过零点调节电路输出VOUT2信号，VOUT2信号首先输入至MCU单元中，根据VOUT2信号的电压范围得到两位增益控制码的控制命令，VOUT2信号和控制命令输入至可调节放大电路中，可调节放大电路根据控制命令对VOUT2信号进行倍数放大，输出VOUT3信号，VOUT3信号输出至MCU单元中，MCU单元再根据VOUT3信号和控制命令以及采样电阻R30和低通滤波放大电路的抬高电压反推计算出电机电流。

本实用新型中通过VOUT3信号来计算电机电流，因为电机检测电流范围宽，变化快，根据输入电流的情况改变增益可以使检测电流的电压都尽量在满量程，从而提高电流检测的精度。

本实用新型电路简单、使用元器件少、占用空间小，与以往的电路相比，有效减少了对于工控系统的占用空间。此外，本实用新型进行了差分采样和滤波处理，增强了电路的抗干扰能力。采用了高精度电阻、精密电源、低功耗放大器，整个电路具有安全、稳定、可靠、精度高等优点。电路所使用的元器件都为模拟器件，成本较低，可有效降低整个系统的成本。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种可调增益的电流检测电路，其特征在于，包括：MCU单元、可调节放大电路、零点调节电路、低通滤波放大电路和电阻采样单元；所述电阻采样单元通过低通滤波放大电路与零点调节电路连接，零点调节电路与MCU单元连接，零点调节电路还通过可调节放大电路与MCU单元连接；低通滤波放大电路用于对输入的信号滤波后输出，零点调节电路用于将低通滤波放大电路输出的偏置电压通过调节电阻器使得零点调节电路输出信号最小输出为0V，可调节放大电路用于根据MCU单元对零点调节电路的输出信号进行可调增益放大，MCU单元用于根据零点调节电路的输出信号调整增益，控制可调节放大电路。

2.根据权利要求1所述的一种可调增益的电流检测电路，其特征在于：所述电阻采样单元和低通滤波放大电路包括采样电阻R30和运算放大器U1，采样电阻R30检测电压后输出UA+信号和UA-信号，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2、电阻R1与UA+信号连接，运算放大器U1的负输入引脚通过电阻R4、电阻R3与UA-信号连接，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2连接VREF电源，运算放大器U1的正输入引脚通过电阻R2、电容C1和电阻R4与运算放大器U1的负输入引脚连接，运算放大器U1的负输入引脚通过电阻R6与运算放大器U1的输出引脚连接，运算放大器U1的输出引脚通过电阻R7输出VOUT1信号，运算放大器U1的输出引脚通过电容C3接地，其中，UA+信号和UA-信号为电阻采样单元的输出信号，VOUT1信号为低通滤波放大电路的输出信号。

3.根据权利要求1所述的一种可调增益的电流检测电路，其特征在于：所述零点调节电路包括运算放大器U2和运算放大器U3，运算放大器U2的正输入引脚通过电阻R8连接5V电源，运算放大器U2的正输入引脚通过电阻R9接地，运算放大器U2的负输入引脚与运算放大器U2的输出引脚连接，VOUT1信号通过电阻R10与运算放大器U3的正输入引脚连接，VOUT1信号通过电阻R10、电阻R11接地，运算放大器U2的输出引脚通过电阻R12与运算放大器U3的负输入引脚连接，运算放大器U3的负输入引脚通过电阻R13与运算放大器U3的输出引脚连接，运算放大器U3的输出引脚输出VOUT2信号；其中，VOUT1信号为低通滤波放大电路的输出信号，VOUT2信号为零点调节电路的输出信号。

4.根据权利要求1所述的一种可调增益的电流检测电路，其特征在于：所述可调节放大电路包括运算放大器U4、多路复用器；运算放大器U4的正输入引脚通过电阻R15连接VOUT2信号，运算放大器U4的正输入引脚通过电阻R16接地，运算放大器U4的负输入引脚通过电阻R17接地，运算放大器U4的负输入引脚与多路复用器的引脚D连接，多路复用器的引脚S1至引脚S4分别通过电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端输出VOUT3信号，电阻R25的另一端通过电容C5接地；其中，VOUT2信号为零点调节电路的输出信号，VOUT3信号为可调节放大电路的输出信号，VOUT2信号、多路复用器的引脚EN、引脚C1和引脚C2与MCU单元连接。

Images