基于TLC2274新的電流采樣方案及其在DSP中的實現

摘要：介紹了一種新的電流采樣方案，提出了實用電路，闡述其工作原理，并給出了在TMS320LF240x DSP中實現的子程序。 關鍵詞： 電流采樣 數字信號處理器 運算放大器

引言 在絕大多數電機調速以及其它控制系統中都要用到電流采樣，以用于電流反饋控制。目前在高性能的電機變頻調速系統中，數字信號處理品（DSP）越來越多地被使用。其中以德州儀器（TI）公司TMS320C/LF240(X)為代表的C2000系列的DSP用得較多。現有的電流采樣方法大多采用文獻[2]的模數采樣方案，如下圖1所示： 

圖1所示方案的原理是：首先用電流互感器或電流傳感器（如瑞士LEM公司的LTS系列傳感器等）采樣兩相電流值；然后將采樣結果經運算放大器使電流值變換到-2.5~+2.5v 的電壓區間中，最后再加上+2.5v的電壓偏移量形成0~5v的電壓送給DSP采樣。這種方法的優點是電路簡單，易實現，但其不足之處是采樣精度低、誤差大。如圖1（b）, 交流相電流的其中一個峰值轉換為直流電壓時一個為5v，一個為0v，由于電壓死區的存在，使得0v 附近的出現較大誤差。

新的電流采樣方案 新的電流采樣方案中采用的運算放大器是TLC2274[1]。TLC2274是德州儀器公司用先進的LinCMOS工藝制造，具有Rail-to-Rail輸出能力的高性能四運算放大器，它比目前常用的CMOS運放有更好的噪聲、功耗和輸入失調電壓性能。TLC2274所具有的低噪聲和高輸入阻抗非常適宜用于諸如電壓/電流傳感器之類的小信號的計算、放大。而且它的最低工作電壓可以低至正負2.2V 。 基于下列電路，如圖2所示。圖2中為一個雙減法電流采樣電路，第一路運放U8B的輸出電壓為： 選R2 = R1, R3 = Rf1, 則有

圖2 雙減法電流采樣電路

同理可得第二路運放U8A的輸出為：

其主要思路為：LEM傳感器輸出的Ui= v，此電壓先后施加到由TLC2274構成的兩個減法電路上，第一路以Ui減去傳感器采樣結果的中值參考電壓Uref (2.5v), 然后再線性放大到DSP的A/D采樣所要求的電壓范圍(0~Ud)。對于TMS320C/F20x和C/F24x 系列的DSP，Ud的值為5v；對于TMS320LC/F240x Ud為3.3v。第二路則相反，用中值參考電壓Uref 減去傳感器輸出電壓Ui，同樣也線性放大到合適的電壓范圍。Z1，Z2為兩個3.3v的穩壓二極管，對運放輸出電壓起到限幅作用。當Ui值大于Uref 時，Uo1輸出為正電壓，且電壓范圍是0~Ud，而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運放中，故而第二路運放不能輸出負電壓，而是鉗位在0v；當Ui值小于Uref 時，Uo2輸出為正電壓，同樣而由于二極管D1的存在使得第一路運放不能輸出負電壓，也是鉗位在0v。在一個正弦周期內的某一時刻只會有一路信號輸出0~Ud的電壓，這比圖1中的方法采樣窗口要寬一倍，從而提高了采樣精度。 兩路輸出分別送給DSP中兩個A/D采樣通道，但只有一路輸出值是有用的，我們可以編程區分出有用的信號。軟件流程如圖3：

圖3 軟件流程圖

這樣兩相電流實際需要4路A/D通道，比圖1中的方法要多用兩個A/D采樣通道，而目前DSP提供的A/D采樣通道足夠多的，以TMS320LF2407(A) 為例，其有16路A/D通道。B相電流采樣電路與A相相同，這樣我們就可以用一片TLC2274來實現兩相電流的采樣了。DSP實現的子程序已附于文后。

電路的改進 通過實驗不難發現，TLC2274可以在單電源供電的情況下工作，那么圖2所示的雙減法電路可以做一些改進。由于TLC2274是Rail-to-Rail輸出的，所以我們可以直接用系統的3.3v為其提供工作電壓Vcc，而Vdd處可以直接接地。將D1，D2，Z1，Z2去掉后再做實驗驗證，其工作還是正常的。但這樣做以后采樣精度有所降低，所以建議還是用正負雙電源供電。

本文受廣東省科技攻關項目(C31801)資助

附AD 采樣子程序 .bss Uo1, 1 .bss Uo2, 1 ;A相電流中間值 .bss Uo3, 1 .bss Uo4, 1 ;B相電流中間值 .bss Ia, 1 ; A相電流 .bss Ib, 1 ; B相電流 .bss Ic, 1 ; C相電流 ; ... ;設上述變量在同一個DP內 ADC_Proc: CALL StartADC ;調用AD采樣程序 CLRC C LDP #Uo1 LACL Uo1 SUB Uo2 BCND AP1, C ;Uo1>Uo2 LACL Uo2 NEG ; Uo2取反 B AP2 AP1: LACL Uo1 AP2: SACL Ia ;得到Ia ... RET StartADC:

參考文獻 1 slos106c TLC2274, TLC2274A, TLC2274Y Advanced LinCMOSE rail-to-rail quad operational amplifiers, www.ti.com 2 brpa076, Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240, www.ti.com 3. 劉和平 等，TMS320LF240x DSP結構、原理及應用，北京航空航天大學出版社，2002