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、具有較強的抗干擾能力的優(yōu)點。
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,使其獲得廣泛應(yīng)用。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,避免主回路中的強電干擾控制回路中的弱電信號,同時保證人工在線調(diào)試的時候更加安全;在電壓采樣電路中利用線性光耦實現(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,運用矢量控制算法控制永磁同步電機。主要包括弱電控制、強電驅(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,主要完成對電機的控制、信號量的設(shè)定;強電驅(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;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)計在低壓控制電路與強電功率電路之間,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 低壓控制電路與強電驅(qū)動部分之間的光電隔離設(shè)計
用低壓器件測量、控制高電壓,如沒有電氣隔離,高電壓、強電流很容易串入低壓器件,并將其燒毀,本設(shè)計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
原理圖如圖1所示。
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?br />
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光電元件D1、D2、D3組成的器件。當(dāng)D1通過驅(qū)動電流If時,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 電壓檢測電路設(shè)計
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)初級運算放大器的輸入偏置電流的大小,C1起反饋作用,同時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)光強度,對控制通道增益起一定作用。
2.2.4 運算放大器的選擇
運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,運算放大器A1的驅(qū)動電流也必須達(dá)到20 mA,同時,根據(jù)輸入電壓范圍,也要求運算放大器有相應(yīng)的共模輸入和輸出能力。本設(shè)計電路采用單電源供電的LM2904集成運算放大器,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-。
由圖3知,If=(UO1-UD1)/R3
由圖4可見,I1=U-/R1
因為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
因為是線性光耦合器模擬信號隔離,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R1、R2、R3的值僅為估算值,實際調(diào)節(jié)到線性度最佳時,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。