脈寬調(diào)制整流器中模擬信號的遠距離隔離傳輸

朱藝鋒

(河南理工大學電氣學院，河南 焦作454003)

0 引言

在計算機測控系統(tǒng)中，計算機與被控對象往往有一定距離，電磁干擾不可避免地要混入連接導線[1-2］，快速準確地捕捉現(xiàn)場參數(shù)是進行有效控制的基礎。特別在像磁懸浮列車那樣控制對象和控制系統(tǒng)遠距離分離的場合，需要將傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬信號傳輸?shù)娇刂浦行倪M行模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換后再送到控制器進行處理[3］。為了消除這些干擾，除了合理地處理接地問題外[4］，還必須使輸入電路與輸出電路彼此隔離，并對信號進行遠距離傳輸[5］。模擬信號隔離傳輸?shù)姆椒ǚ譃橹苯痈綦x法[6-7］和間接隔離法[8-9］，其中，直接隔離法包括變壓器隔離法和光電隔離法，間接隔離法包括隔離放大器法和調(diào)制解調(diào)法。直接隔離法原理簡單但是傳輸距離短，調(diào)制解調(diào)法傳輸距離長但傳輸精度低。相比而言，采用壓頻轉(zhuǎn)換器，以頻率形式傳輸模擬信號是遠距離傳輸模擬信號而又不損失精度的最好解決方法[10］。但文獻[1-10］都沒有對模擬信號的遠距離隔離傳輸進行系統(tǒng)的實驗研究，僅限于理論分析，對于隔離傳輸?shù)木唧w性能沒有論述。本文利用AD650構(gòu)成壓頻和頻壓轉(zhuǎn)換電路，先將模擬信號轉(zhuǎn)換成±5 V，后經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換線性變成一定頻率的方波脈沖列，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h處的控制中心，接著再將脈沖列送入頻壓轉(zhuǎn)換電路還原成電壓信號，最終送入模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入控制器進行處理。通過詳細的實驗研究，深入分析該系統(tǒng)的工作性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

圖1為模擬信號遠距離隔離傳輸系統(tǒng)框圖。功率變流器的模擬信號遠距離隔離傳輸系統(tǒng)主要由4個部分組成，即電壓采樣、壓頻轉(zhuǎn)換(VFC)、光纖傳輸和頻壓轉(zhuǎn)換(FVC)。電壓采樣部分完成從功率變換器如PWM整流器上取出整流器輸入側(cè)線電壓信號，經(jīng)電流霍爾傳感器(LEM)變換和電阻采樣后得到±5 V的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號波，而后作為輸入信號送到壓頻轉(zhuǎn)換部分。在壓頻轉(zhuǎn)換中，將輸入電壓信號線性變換成一定頻率(幾十到幾百kHz)的方波脈沖列，而后傳到光纖傳輸部分。在光纖傳輸部分，電脈沖信號變成光信號進行高速遠距離傳輸，送到位于控制中心的頻壓轉(zhuǎn)換部分。頻壓轉(zhuǎn)換部分將脈沖列還原成電壓信號。該電壓信號會有微小程度的電壓脈動，可以加裝阻容(RC)低通濾波器予以改善。濾波器輸出的模擬信號最終送入ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并送入控制器進行處理。高頻的脈沖列相當于高頻率的數(shù)字信號，和光纖傳輸一樣，都有高抗干擾、高抗衰減性能。大功率環(huán)境下，對電壓采樣和壓頻轉(zhuǎn)換部分，以及開關(guān)電源部分，用屏蔽罩進行屏蔽。壓頻轉(zhuǎn)換原理可描述如下:輸入電壓信號經(jīng)輸入電阻變?yōu)殡娏餍盘?，?jīng)積分器對積分電容充電，同時電容電壓值和內(nèi)部的基準電壓進行比較，一旦到達閥值，內(nèi)部開關(guān)斷開積分回路，變?yōu)閮?nèi)部恒流源對電容的反向積分，仍與閥值電壓比較，直到基準電壓大小時再次重復上述過程，與此同時輸出脈沖列，從而實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換。電壓越大，脈沖列頻率越高。頻壓轉(zhuǎn)換的原理與此類似。

圖1 模擬信號遠距離隔離傳輸系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)參數(shù)計算及分析

目前，壓頻轉(zhuǎn)換核心芯片很多。一般從功能、頻率范圍、轉(zhuǎn)換線性度方面進行選擇，本設計要求工作頻率高、線性度好，輸入電壓范圍寬，據(jù)此選用美國AD公司的高性能壓頻轉(zhuǎn)換器件AD650。AD650電路既能用作電壓頻率轉(zhuǎn)換器，又可用作頻率電壓轉(zhuǎn)換器。圖2給出了模擬信號遠距離隔離傳輸原理接線圖。

圖2 模擬信號遠距離隔離傳輸原理接線圖

2.1 壓頻轉(zhuǎn)換電路參數(shù)選擇

VFC電路主要有3個參數(shù)需要選擇，即輸入電阻Rin、積分電容Cin、定時電容Co。輸入電阻Rin會限制輸入電壓范圍，一般輸入電流不超過1 mA，有:

輸入電阻Rin和積分電容Cin決定了滿度頻率。一般說來，Co越高，輸入電流越小(Rin越大)，線性度越好，滿刻度頻率也越低?？梢愿鶕?jù)文獻[6］來選擇滿刻度頻率所要求的Rin和Co。Rin確定之后，并給定期望的滿刻度頻率，則定時電容Co的大小也就確定了。積分電容Cin可以通過下面方程來選擇:

2.2 頻壓轉(zhuǎn)換電路參數(shù)選擇

FVC電路主要有3個參數(shù)需要選擇，即積分電阻Rint、積分電容Cint、定時電容Cos。選擇參數(shù)之前，應先確定最大及最小輸入頻率fmax、fmin，最大輸出電壓Vomax，要求的響應時間tres及允許的電壓脈動Vrip，而后計算如下，

定時電容:

積分電阻:

積分電容:

式中，N=6，如果輸出電壓脈動太大，可以減小。

輸出電壓的脈動Vrip可由下式得到:

其中，T=1/fin;R=Rint;C=Cint。

FVC電路的輸出電壓可由下式得到:

3 實驗結(jié)果

將本模擬信號隔離傳輸系統(tǒng)接入直流母線電壓為200 V、開關(guān)頻率為1.25 kHz的三相兩電平PWM整流器系統(tǒng)進行測試，測試原理框圖如圖1所示，主要測試整流器A相和B相的輸入線電壓波形。測試波形如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 整流器開關(guān)全關(guān)斷時的波形

圖4 整流器工作時整體SPWM波形

從圖3可以看出:隔離傳輸系統(tǒng)輸入電壓信號uin、霍爾電流傳感器輸出電壓信號uLEM、隔離傳輸系統(tǒng)輸出電壓信號uo波形均為正弦波，系統(tǒng)輸出電壓uo波形對真實輸入電壓波形uin的跟蹤效果很好。uo波形有7.6 V的直流偏置，這在軟件中很容易處理，不會影響控制策略的實施。

圖4為整流器工作時整體SPWM的波形，圖5為整流器工作時局部SPWM放大的波形。從圖4和圖5可以看出:在輸入為SPWM波形情況下，隔離系統(tǒng)的跟蹤效果也很好。有一個不太理想的地方在于，2.5 kHz頻率下LEM輸出的波形已非標準方波，而是以一個斜坡信號與真實SPWM波的階躍信號相對應。然后，隔離傳輸系統(tǒng)的輸出信號跟蹤這些斜坡信號，使得波形有微小失真。這是由電容積分效應造成的。SPWM波經(jīng)隔離系統(tǒng)之后有大約20 μs的延時，這個延時可以通過軟件中的適當算法予以補償或是其他處理得到解決，最終不會影響控制效果。

圖5 整流器工作時SPWM局部放大波形

4 結(jié)論

(1)輸出信號的延時主要是由FVC積分電容Cint的積分過程延時和RC濾波延時引起的。Cint越小，引起的延時越小，但輸出電壓脈動會增加。低通濾波器參數(shù)RC乘積越小，引起的延時越小，但濾波效果會下降。

(2)采用基于壓頻轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和頻壓轉(zhuǎn)換的方法進行功率變換器模擬信號的隔離傳輸，具有很強的抗干擾能力，信號在傳輸過程中有低于20 μs的延時，失真度小，線性度高，可靠性好，可用于電壓不超過±5 V、頻率不超過5 kHz的模擬信號的遠距離隔離傳輸控制系統(tǒng)。

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