光電耦合器在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

張文新，王永珍

(國營第785廠，山西太原030024)

在工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場中，存在著各種各樣的干擾，需要不同的方法來抗干擾，隔離就是其中的一種。由于光耦具有體積小、信號單向傳輸、輸出信號對輸入端無相互影響、共模抑制比大等特點(diǎn)，使其獲得廣泛應(yīng)用［1］。本系統(tǒng)利用光耦將驅(qū)動電路的控制部分和主回路隔離，避免主回路中的強(qiáng)電干擾控制回路中的弱電信號，同時(shí)保證人工在線調(diào)試的時(shí)候更加安全;在電壓采樣電路中利用線性光耦實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離，且輸出跟隨輸入變化，保證較高的線性度。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)以DSP芯片TMS320LF2812為核心，IPM芯片為驅(qū)動，運(yùn)用矢量控制算法控制永磁同步電機(jī)。主要包括弱電控制、強(qiáng)電驅(qū)動以及信號采集3部分。其中弱電控制部分是系統(tǒng)的控制核心，主要完成對電機(jī)的控制、信號量的設(shè)定;強(qiáng)電驅(qū)動部分是由逆變電路、整流橋和單相交流電源組成，將AC 220 V交流電轉(zhuǎn)化為頻率可控的三相交流電來驅(qū)動電機(jī);信號采集部分則由電流、電壓、測速傳感器組成，負(fù)責(zé)對電機(jī)進(jìn)行電流、電壓和轉(zhuǎn)速的檢測，為系統(tǒng)提供反饋信號。

為避免高電壓信號及模擬信號串入控制電路對系統(tǒng)造成干擾，本設(shè)計(jì)在低壓控制電路與強(qiáng)電功率電路之間，信號采集電路中均使用光電隔離器對電路進(jìn)行隔離。

2 光電隔離電路的應(yīng)用

2.1 低壓控制電路與強(qiáng)電驅(qū)動部分之間的光電隔離設(shè)計(jì)

用低壓器件測量、控制高電壓，如沒有電氣隔離，高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀，本設(shè)計(jì)采用光電隔離器件進(jìn)行隔離。

2.1.1 隔離器件的選擇

為實(shí)現(xiàn)低壓數(shù)字電路和高壓驅(qū)動電路之間的電氣隔離，本設(shè)計(jì)采用光耦隔離，另外，由于SVPWM算法輸出信號頻率較高，需要反應(yīng)速度較快的光耦，故設(shè)計(jì)中選用一款專用的IPM驅(qū)動芯片HCPL-4504。

HCPL-4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設(shè)計(jì)的高速光電隔離接口芯片，瞬間共模比為15 kV/μs，內(nèi)部集成高靈敏度光傳感器，可以準(zhǔn)確、快速反應(yīng)信號變化狀況，極短的寄生延時(shí)適合于IPM，是功率器件接口的完美解決方案。

2.1.2 電路原理的設(shè)計(jì)

原理圖如圖1所示。

圖1 HCPL－4504的電路原理

由于HCPL-4504需要的驅(qū)動電流為16 mA，而DSP輸出為3.3 V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，其輸出的電流只有nA數(shù)量級，系統(tǒng)采用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動。

HCPL-4504的典型電路中建議，C1選取10～100PpF，R3選取10～20 k，R3的選擇與IPM的功率有關(guān)，R3越小，可以驅(qū)動的IPM的功率越大，根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)C1選擇68pF，R3 選擇10k。

2.2 電壓采樣電路中的光電隔離電路

2.2.1 隔離器件的選擇

以上電路，光耦的次級處于開關(guān)狀態(tài)，而在電壓采樣電路中，利用的是信號的線性關(guān)系，顯然以上光耦不能滿足系統(tǒng)的要求。線性光耦的特點(diǎn)是輸出信號隨輸入信號變化而成比例變化，為模擬信號傳輸?shù)暮唵位?、高精度化帶來了方便?/p>

2.2.2 HCNR201 的結(jié)構(gòu)及工作原理

HCNR201光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HCNR201的內(nèi)部結(jié)

HCNR201光電耦合器是一種由三個(gè)光電元件D1、D2、D3組成的器件。當(dāng)D1通過驅(qū)動電流If時(shí)，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在D2、D3上，反饋光電二極管吸收D2光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流I1。該電流用來調(diào)節(jié)If以補(bǔ)償D1的非線性。輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流I2與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益 K1=I1/If，正向增益 K2=I2/If，則傳輸增益 K3=K2/K1=I2/I1。

主要技術(shù)指標(biāo)如下:

● 線性度:±0.05%;

●線性系數(shù):5%;

●隔離電壓:1 414 V;

● 具有0～15 V的輸入/輸出范圍［2］。

2.2.3 電壓檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)母線電壓檢測電路如圖3所示，信號為正極性輸入，正極性輸出。隔離電路中，R1調(diào)節(jié)初級運(yùn)算放大器的輸入偏置電流的大小，C1起反饋?zhàn)饔?，同時(shí)濾除了電路中的毛刺信號，避免HCNR201中的鋁砷化鎵發(fā)光二極管(LED)受到意外的沖擊。R3可以控制LED的發(fā)光強(qiáng)度，對控制通道增益起一定作用。

圖3 電壓檢測電

2.2.4 運(yùn)算放大器的選擇

運(yùn)放可以是單電源供電或正負(fù)電源供電，HCNR201是電流驅(qū)動型器件，其LED的工作電流為1 mA～20 mA，因此，運(yùn)算放大器A1的驅(qū)動電流也必須達(dá)到20 mA，同時(shí)，根據(jù)輸入電壓范圍，也要求運(yùn)算放大器有相應(yīng)的共模輸入和輸出能力。本設(shè)計(jì)電路采用單電源供電的LM2904集成運(yùn)算放大器，其輸出電流可達(dá)40 mA。

2.2.5 電阻器的選擇

A1組成驅(qū)動級的等效電路如圖4所示。圖中，Rf是等效反饋電阻器。該等效電路是典型的同相型放大器，故U+=U－，且 U+=Uin，因此 Uin=U－［3］。

圖4 運(yùn)放等效電路

由圖3知，If=(UO1－UD1)/R3

由圖4可見，I1=U－/R1

因?yàn)?K1=0.005，I1=0.005If

所以(UO1－UD1)/R3=200×U－/R1

假設(shè)，R1=200R3

則UO1=Uin+UD1

由圖2知Vin=I1×R1，Vout=I2×R2

又因K3=I2/I1=1

所以R1=3R2

本系統(tǒng)中，Vin=0～10 V，R1=10/20 ×10－3×0.005=100 k，R2=33 k，R3=500 Ω。

由于器件參數(shù)的離散性，I1近似等于0.005If，K3=I2/I1≈1，所以，此時(shí)R1、R2、R3的值僅為估算值，實(shí)際調(diào)節(jié)到線性度最佳時(shí)，R1=100 k，R2=36 k，R3=220 Ω。

應(yīng)用線性光耦合器組成的模擬信號隔離電路的線性度好，電路簡單，有效地解決了模擬信號與應(yīng)用系統(tǒng)的電氣隔離問題。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，本系統(tǒng)在低電壓控制電路與高壓驅(qū)動電路之間，模擬量與數(shù)字量之間，有效地利用了光電隔離電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的可靠性。

［1］陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［2］武漢力源電子股份有限公司.HCNR201精密線性光耦合器數(shù)據(jù)手冊［Z］.1999.

［3］童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，1995.