Práce s Hallovými proudovými senzory: ACS758 / Habr

Možná bych se měl trochu představit – jsem obyčejný obvodový inženýr, který se zajímá i o programování a některé další oblasti elektroniky: DSP, FPGA, radiokomunikace a některé další. V poslední době jsem se zcela ponořil do SDR přijímačů. Zpočátku jsem chtěl svůj první článek (doufám, že ne poslední) věnovat nějakému vážnějšímu tématu, ale pro mnohé se stane pouze čtením a nebude užitečný. Proto je zvolené téma vysoce specializované a čistě aplikované. Také bych rád poznamenal, že pravděpodobně všechny články a otázky v nich budou posuzovány spíše z pohledu obvodového inženýra, a ne programátora nebo kohokoli jiného. Tak pojďme na to!

Nedávno jsem dostal zakázku na návrh „systému monitorování zásobování energií bytových domů“, zákazník se zabývá výstavbou venkovských domů, takže někteří z vás už možná viděli mé zařízení. Toto zařízení měřilo odběrové proudy na každé vstupní fázi a napětí a současně odesílalo data rádiovým kanálem do již instalovaného systému „Inteligentní domácnost“ + dokázalo vypnout startér na vstupu do domu. Dnes si ale nebudeme povídat o něm, ale o jeho malé, ale velmi důležité součásti – proudovém senzoru. A jak jste již z názvu článku pochopili, budou se jednat o „bezkontaktní“ proudové senzory od společnosti Allegro – ACS758-100.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Datový list k senzoru, o kterém budu mluvit, najdete zde. Jak asi tušíte, číslo „100“ na konci označení je maximální proud, který senzor dokáže měřit. Abych byl upřímný – mám o tom pochybnosti, zdá se mi, že svorky prostě dlouhodobě nevydrží 200 A, i když pro měření rozběhového proudu je to docela vhodné. V mém zařízení 100A senzor bez problémů propouští alespoň 35 A a objevují se špičky odběru až do 60 A.

Obrázek 1 – Vnější vzhled senzoru ACS758-100(50/200)

Než přejdu k hlavní části článku, doporučuji vám seznámit se se dvěma zdroji. Pokud máte základní znalosti elektroniky, budou pro vás nadbytečné a klidně tento odstavec přeskočte. Zbytek doporučuji projít si pro obecné pochopení a rozvoj:

1) Hallův jev. Jev a princip činnosti
2) Moderní proudové senzory
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Začněme tím nejdůležitějším, a to značením. V 90 % případů kupuji komponenty na www.digikey.com. Komponenty dorazí do Ruska do 5-6 dnů, na webu je snad všechno, také velmi pohodlné parametrické vyhledávání a dokumentace. Takže kompletní seznam senzorů rodiny si tam můžete prohlédnout na vyžádání „ACS758„Také jsem si tam koupil senzory –“ ACS758LCB-100B.

Všechno je popsáno v datovém listu ohledně značení, ale i tak upozorním na klíčový bod „100V„:

1) 100 — toto je limit měření v ampérech, to znamená, že můj senzor dokáže měřit až 100 A;
2) “В„- toto je písmeno, kterému byste měli věnovat zvláštní pozornost, místo něj tam může být i písmeno „U„. Snímač s písmenem B může měřit střídavý proud a podle toho i stejnosměrný proud. Senzor s písmenem U lze měřit pouze stejnosměrný proud.

Také na začátku datového listu je k tomuto tématu vynikající tabulka:

Obrázek 2 – Typy proudových senzorů řady ACS758

Jedním z nejdůležitějších důvodů pro použití takového senzoru bylo také — galvanická izolaceNapájecí svorky 4 a 5 nejsou elektricky propojeny se svorkami 1,2,3, XNUMX a XNUMX. U tohoto senzoru je spojení pouze ve formě indukovaného pole.

V této tabulce se objevil další důležitý parametr – závislost výstupního napětí na proudu. Krása tohoto typu senzorů spočívá v tom, že mají napěťový výstup, nikoli proudový jako klasické proudové transformátory, což je velmi pohodlné. Například výstup senzoru lze připojit přímo ke vstupu ADC mikrokontroléru a snímat hodnoty.

Můj senzor má tuto hodnotu rovnou 20 mV/ATo znamená, že když svorkami 1-4 senzoru protéká proud 5 A, napětí na jeho výstupu se zvýší o 20 mVMyslím, že logika je jasná.

Dalším bodem je, jaké napětí bude na výstupu? Vzhledem k tomu, že napájení je „lidské“, tj. unipolární, pak při měření střídavého proudu musí existovat „referenční bod“. V tomto senzoru se tento referenční bod rovná 1/2 napájení (Vcc). Toto řešení se často používá a je pohodlné. Když proud protéká jedním směrem, výstup bude „1/2 Vcc + I*0.02 V„, v druhé půlperiodě, kdy proud teče v opačném směru, bude výstupní napětí již „1/2 Vcc — I*0.02 VNa výstupu dostaneme sinusoid, kde „nula“ je 1/2VccPokud měříme stejnosměrný proud, pak na výstupu budeme mít „1/2 Vcc + I*0.02 V„pak při zpracování dat na ADC jednoduše odečteme konstantní složku 1/2 Vcc a pracujeme se skutečnými daty, tedy se zbytkem I*0.02 V.

Nyní je čas vyzkoušet v praxi to, co jsem popsal výše, respektive si přečíst v datovém listu. Pro práci se senzorem a ověření jeho možností jsem si postavil tento „mini-stojánek“:

Obrázek 3 – Platforma pro testování proudových senzorů

První věc, kterou jsem se rozhodl udělat, bylo přivést napětí k senzoru a změřit jeho výstup, abych se ujistil, že je nulový. 1/2 VccSchéma zapojení naleznete v datovém listu, ale já, který jsem se chtěl jen seznámit, neztrácel čas a nalepil filtrační kondenzátor na napájecí zdroj + RC řetězec dolní propusti na pin Vout. V reálném zařízení se bez nich neobejdete! Výsledkem je tento obrázek:

Obrázek 4 – Výsledek měření „nuly“

Když je dodáváno napájení 5V z mého šálu STM32VL-Discovery Viděl jsem tyto výsledky – 2.38VPrvní otázka, která vyvstala, byla: „…Proč 2,38 a ne 2.5, jak je popsáno v datovém listu?» Otázka byla zodpovězena téměř okamžitě – při ladění jsem změřil napájecí sběrnici a bylo tam 4.76-4.77V. A věc se má tak, že napájení jde z USB, tam je už 5V, za USB je lineární stabilizátor LM7805 a to zjevně není LDO s úbytkem 40 mV. Tam je těch přibližně 250 mV úbytek. No nic, není to kritické, hlavní je vědět, že „nula“ je 2.38V. To je konstanta, kterou budu odečítat při zpracování dat z ADC.

Nyní provedeme první měření, prozatím pouze s pomocí osciloskopu. Změřím zkratový proud mého nastavitelného zdroje, ten se rovná 3.06АToto ukazuje vestavěný ampérmetr a tok dal stejný výsledek. Pojďme tedy připojit napájecí výstupy k pinu 4 a 5 senzoru (na fotce mám kroucenou dvojlinku vyhozenou) a uvidíme, co dostaneme:

Obrázek 5 – Měření zkratového proudu napájecího zdroje

Jak vidíme, napětí na vout zvýšil z 2.38 V na 2.44 VPokud se podíváme na výše uvedenou závislost, měli bychom dostat 2.38 V + 3.06 A * 0.02 V/A, což odpovídá hodnotě 2.44 V. Výsledek odpovídá očekávání, při proudu 3 A jsme dosáhli nárůstu na „nulu“ rovného 60 mVZávěr – senzor funguje, s ním již můžete pracovat pomocí MK.

Nyní je třeba připojit proudový senzor k jednomu z pinů ADC na mikrokontroléru STM32F100RBT6. Samotný kámen je velmi průměrný, systémová frekvence je pouze 24 MHz, ale tato deska toho hodně přežila a osvědčila se. Vlastním ji asi 5 let, protože jsem ji dostal zdarma v době, kdy je ST rozdával nalevo a napravo.

Nejdříve jsem ze zvyku chtěl za senzor umístit operační zesilovač se ziskem „1“, ale po pohledu na strukturální schéma jsem si uvědomil, že je už uvnitř. Jediné, co je třeba zvážit, je, že při maximálním proudu bude výstupní výkon roven výkonu senzoru Vcc, tedy asi 5V, a STM dokáže měřit od 0 do 3.3V, takže v tomto případě je nutné umístit odporový dělič napětí, například 1:1,5 nebo 1:2. Můj proud je zanedbatelný, takže tento bod prozatím zanedbám. Moje testovací zařízení vypadá nějak takto:

Obrázek 6 – Sestavení našeho „ampérmetru“

Také jsem si pro vizualizaci výsledků našrouboval čínský displej na ovladači ILI9341, naštěstí byl po ruce, ale nikdy jsem se k němu nedostal. Abych pro něj napsal plnohodnotnou knihovnu, zabil jsem pár hodin a šálek kávy, naštěstí se datasheet ukázal být překvapivě informativní, což je u ručních prací synů Jackieho Chana vzácné.

Nyní musíme napsat funkci pro měření Vout pomocí ADC mikrokontroléru. Nebudu zacházet do detailů, o STM32 už existuje moře informací a lekcí. Tak se na to podívejme:

uint16_t get_adc_value()

Dále, pro získání výsledků měření ADC ve spustitelném kódu hlavního těla nebo přerušení je třeba napsat následující:

data_adc = get_adc_value(); 

Po předchozí deklaraci proměnné data_adc:

extern uint16_t data_adc; 

Výsledkem je proměnná data_adc, která nabývá hodnoty od 0 do 4095, protože ADC v STM32 je 12bitový. Dále musíme získaný výsledek převést „v papoušcích“ do pro nás známější formy, tj. do ampérů. Proto musíme nejprve vypočítat hodnotu dělení. Poté, co stabilizátor na sběrnici 3.3 V ukázal můj osciloskop 3.17 V, jsem se neobtěžoval zjistit, s čím to souvisí. Proto vydělením 3.17 V číslem 4095 dostaneme hodnotu 0.000774V – to je hodnota dělení. To znamená, že po obdržení výsledku z ADC, například 2711, jej jednoduše vynásobím číslem 0.000774V a dostanu 2.09V.

V našem problému je napětí pouze „meziproduktem“, stále ho musíme převést na ampéry. K tomu musíme od výsledku odečíst 2.38 V a zbytek vydělit 0.02 [V/A]. Dostali jsme následující vzorec:

float I_out = ((((float)data_adc * presc)-2.38)/0.02); 

Je čas nahrát firmware do mikrokontroléru a podívat se na výsledky:

Obrázek 7 – Výsledky měření dat ze senzoru a jejich zpracování

Změřil jsem vlastní spotřebu obvodu, jak vidíte, 230 mA. Po změření stejné věci s ověřeným tokem se ukázalo, že spotřeba byla 201 mA. No, přesnost na jedno desetinné místo je už teď velmi dobrá. Vysvětlím proč. Rozsah měřeného proudu je 0..100 A, tj. přesnost do 1 A je 1 % a přesnost do desetin ampéru je již. 0,1%! A upozorňuji, že toto je bez jakýchkoli obvodových řešení. Byl jsem dokonce příliš líný na to, abych na zdroj pověsil filtrační kondenzátory.

Teď musím změřit zkratový proud (SC) mého zdroje. Otočím knoflík na maximum a zobrazí se mi následující obrázek:

Obrázek 8 – Měření zkratového proudu

Zde jsou údaje na samotném zdroji s jeho nativním ampérmetrem:

Obrázek 9 – Hodnota na stupnici krevního tlaku

Ve skutečnosti to ukazovalo 3.09 A, ale když jsem fotil, cívka se zahřála, její odpor se zvýšil a proud podle toho klesl, ale to není tak hrozné.

Závěrem ani nevím, co říct. Doufám, že můj článek alespoň nějak pomůže začínajícím radioamatérům na jejich nelehké cestě. Možná se někomu bude líbit moje forma prezentace materiálu, pak budu moci i nadále pravidelně psát o práci s různými komponenty. Svá přání k tomuto tématu můžete vyjádřit v komentářích, pokusím se je zohlednit.

A samozřejmě přikládám zdrojový kód programu, možná někdo bude potřebovat knihovnu pro práci s displejem nebo ADC. Samotný projekt je v Keilu 5.

Moderní automobil má mnoho elektronických součástek, které zajišťují nejen pohodlí, ale i bezpečnost jízdy. Jedním z klíčových prvků, které zajišťují stabilní provoz motoru, je zapalovací systém. Pokud tento systém nefunguje správně, může to vést k vážným následkům, od nestabilního provozu motoru až po úplné selhání. V této části se podíváme na příznaky, které mohou naznačovat možné problémy v tomto důležitém systému, a také na metody, které pomohou určit jejich příčinu.

Prvním krokem k řešení jakéhokoli problému je jeho identifikace. V případě zapalovacího systému to nemusí být tak jednoduché, jak se zdá, protože mnoho příznaků může souviset s jinými součástmi vozu. Pokud si však všimnete, že motor běží nepravidelně, zhasíná na volnoběh nebo má potíže se startováním, může to být známkou toho, že je něco v nepořádku. Je důležité tyto příznaky neignorovat a začít hledat příčinu, abyste se v budoucnu vyhnuli vážnějším poruchám.

Jakmile zjistíte, že problém souvisí se zapalovacím systémem, dalším krokem je jeho lokalizace. Existuje několik metod, které vám v tomto procesu mohou pomoci. Některé z nich vyžadují specializované vybavení, zatímco jiné lze provést svépomocí s využitím základních znalostí a nástrojů. V každém případě je správná diagnostika klíčem k úspěšné opravě a obnovení normálního provozu vozu.

Projevy problémů s ovládáním

Pokud dojde k poruše v činnosti určité systémové komponenty, lze pozorovat zjevné známky její nesprávné činnosti. Tyto známky se mohou objevovat v různých formách a intenzitách v závislosti na povaze a rozsahu narušení.

Jedním z prvních příznaků může být nestabilní provoz motoru, který se projevuje trháním nebo vynecháváním zapalování. Tato situace se může vyskytnout i za běžných provozních podmínek vozidla.

Dalším častým problémem je měnící se údaj rychloměru nebo počítadla kilometrů. To se může projevit jako nepřesné nebo kolísavé údaje, což ztěžuje sledování rychlosti a ujeté vzdálenosti.

Často se vyskytují potíže se startováním motoru. Auto může náhle odmítnout nastartovat nebo nastartovat s obtížemi, což může být způsobeno poruchou tohoto prvku.

Dalším důležitým ukazatelem je kontrolka poruchy na přístrojové desce. Tento signál indikuje, že v systému je problém, který je třeba diagnostikovat a opravit.

V některých případech lze pozorovat zvýšené vibrace nebo hluk vycházející z motoru. To může být způsobeno nesprávnou synchronizací mechanismů způsobenou poruchou dané součásti.

Proto se v případě výskytu některého z uvedených příznaků doporučuje provést důkladnou kontrolu a kontrolu odpovídajícího prvku systému, aby se předešlo možným následkům a zajistil se stabilní provoz vozidla.

Problémy se startováním motoru

Pokud motor nenastartuje, ale startér se normálně otáčí, může to znamenat problémy v procesu tvorby jisker nebo v přívodu paliva. V takových případech je třeba věnovat pozornost komponentům zodpovědným za synchronizaci motoru. Nesprávná funkce těchto prvků může vést k tomu, že motor nebude schopen dosáhnout požadovaných otáček pro spuštění, což se projeví charakteristickým cvakáním nebo úplným tichem po otočení klíčku.

Kromě toho, pokud motor startuje, ale s obtížemi, a po nastartování běží nestabilně, může to být také způsobeno problémy v elektronickém řídicím systému. Nerovnoměrný chod motoru, trhání a vynechávání zapalování – to vše signalizuje potřebu kontroly a případně výměny určitých součástí, na kterých závisí správný provoz motoru.

V každém případě, pokud se při startování motoru setkáte s problémy, doporučuje se kontaktovat odborníky, kteří provedou podrobnou analýzu a odstraní příčinu poruchy. Zanedbání takových problémů může vést k závažnějším následkům a nákladným opravám.

Nestabilní volnoběh motoru

Při provozu automobilu často nastávají situace, kdy motor začne běžet nerovnoměrně, zejména při nízkých otáčkách. To se může projevit trháním, poklesy nebo nestabilním provozem, což nejen snižuje jízdní komfort, ale může také naznačovat vážné problémy v systému řízení motoru.

Jedním z klíčových faktorů ovlivňujících stabilitu motoru při volnoběhu je prvek zodpovědný za generování signálů potřebných k řízení přívodu paliva a zapalování. Pokud tento prvek selže nebo nefunguje správně, může motor začít běžet přerušovaně, což se projevuje nerovnoměrným volnoběhem.

Pro identifikaci a odstranění problému je nutné provést důkladnou analýzu provozu motoru a zkontrolovat všechny komponenty, na kterých závisí jeho stabilní provoz. Je důležité vzít v úvahu, že nestabilita volnoběžných otáček může být způsobena nejen problémy s prvkem generujícím signály, ale také dalšími faktory, jako je znečištění palivového systému nebo porucha zapalovacího systému.

Postupy pro identifikaci zdroje problému

Pokud máte podezření na poruchu v činnosti určité součásti, je důležité provést řadu testů, abyste určili přesné místo poruchy. Tyto postupy vám umožní nejen lokalizovat problém, ale také podniknout nezbytné kroky k jeho odstranění.

Vizuální kontrola – první krok v procesu detekce. Umožňuje odhalit zjevné poškození nebo vady, které mohou naznačovat, že prvek nefunguje. Je důležité věnovat pozornost přítomnosti prasklin, oxidace nebo jiných vnějších známek, které mohou naznačovat potřebu výměny.

Měření elektrických parametrů – další krok. Pomocí multimetru nebo podobného zařízení se kontroluje napětí a odpor v obvodu. Tato data pomáhají určit, zda odpovídají standardním hodnotám, a identifikovat možné odchylky, které mohou naznačovat poruchu.

Testování v pracovním režimu – závěrečná fáze. Zapnutím systému a pozorováním jeho chování se můžete ujistit, že problém skutečně souvisí s touto součástí. Tato metoda umožňuje nejen potvrdit diagnózu, ale také vyhodnotit účinnost opatření přijatých k odstranění poruchy.