光電耦合器在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：光電耦合器是一種發(fā)光器件和光電器件組成一體，完成電-光-電轉(zhuǎn)換的器件。在此介紹了高速光耦、線性光耦的結(jié)構(gòu)和原理及其在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了光耦體積小、響應(yīng)速度快、隔離效果好、具有較強(qiáng)的抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：光電耦合器；線性光耦；伺服系統(tǒng)

    在工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(hào)單向傳輸、輸出信號(hào)對(duì)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。本系統(tǒng)利用光耦將驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(dòng)，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(dòng)以及信號(hào)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(duì)電機(jī)的控制、信號(hào)量的設(shè)定；強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)；信號(hào)采集部分則由電流、電壓、測(cè)速傳感器組成，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流、電壓和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，為系統(tǒng)提供反饋信號(hào)。
    為避免高電壓信號(hào)及模擬信號(hào)串入控制電路對(duì)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(hào)采集電路中均使用光電隔離器對(duì)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(dòng)部分之間的光電隔離設(shè)計(jì)
    用低壓器件測(cè)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(dòng)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(hào)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(dòng)芯片HCPL-4504。
    HCPL-4504是美國(guó)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(hào)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。

    由于HCPL-4504需要的驅(qū)動(dòng)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(jí)，系統(tǒng)采用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
    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(dòng)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(jí)處于開關(guān)狀態(tài)，而在電壓采樣電路中，利用的是信號(hào)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(hào)隨輸入信號(hào)變化而成比例變化，為模擬信號(hào)傳輸?shù)暮?jiǎn)單化、高精度化帶來了方便。
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。

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    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(dòng)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。
2．2．3 電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)母線電壓檢測(cè)電路如圖3所示，信號(hào)為正極性輸入，正極性輸出。隔離電路中，R1調(diào)節(jié)初級(jí)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(hào)，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(duì)控制通道增益起一定作用。

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(dòng)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(dòng)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)40mA。
2．2．5 電阻器的選擇
    A1組成驅(qū)動(dòng)級(jí)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-。

    由圖3知，If=(UO1-UD1)／R3
    由圖4可見，I1=U-／R1
    因?yàn)镵1=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
    因?yàn)槭蔷€性光耦合器模擬信號(hào)隔離，且本系統(tǒng)要求線性關(guān)系為
   
    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(hào)隔離電路的線性度好，電路簡(jiǎn)單，有效地解決了模擬信號(hào)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(dòng)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。