光电耦合器在伺服系统中的应用

摘要：光电耦合器是一种发光器件和光电器件组成一体，完成电-光-电转换的器件。在此介绍了高速光耦、线性光耦的结构和原理及其在伺服系统中的应用，充分体现了光耦体积小、响应速度快、隔离效果好、具有较强的抗干扰能力的优点。
关键词：光电耦合器；线性光耦；伺服系统

    在工业控制系统的现场中，存在着各种各样的干扰，需要不同的方法来抗干扰，隔离就是其中的一种。由于光耦具有体积小、信号单向传输、输出信号对输入端无相互影响、共模抑制比大等特点，使其获得广泛应用。本系统利用光耦将驱动电路的控制部分和主回路隔离，避免主回路中的强电干扰控制回路中的弱电信号，同时保证人工在线调试的时候更加安全；在电压采样电路中利用线性光耦实现模拟量与数字量之间的隔离，且输出跟随输入变化，保证较高的线性度。

1 系统概述
    本系统以DSP芯片TMS320LF2812为核心，IPM芯片为驱动，运用矢量控制算法控制永磁同步电机。主要包括弱电控制、强电驱动以及信号采集3部分。其中弱电控制部分是系统的控制核心，主要完成对电机的控制、信号量的设定；强电驱动部分是由逆变电路、整流桥和单相交流电源组成，将AC 220 V交流电转化为频率可控的三相交流电来驱动电机；信号采集部分则由电流、电压、测速传感器组成，负责对电机进行电流、电压和转速的检测，为系统提供反馈信号。
    为避免高电压信号及模拟信号串入控制电路对系统造成干扰，本设计在低压控制电路与强电功率电路之间，信号采集电路中均使用光电隔离器对电路进行隔离。

2 光电隔离电路的应用
2．1 低压控制电路与强电驱动部分之间的光电隔离设计
    用低压器件测量、控制高电压，如没有电气隔离，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁，本设计采用光电隔离器件进行隔离。
2．1．1 隔离器件的选择
    为实现低压数字电路和高压驱动电路之间的电气隔离，本设计采用光耦隔离，另外，由于SVPWM算法输出信号频率较高，需要反应速度较快的光耦，故设计中选用一款专用的IPM驱动芯片HCPL-4504。
    HCPL-4504是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的高速光电隔离接口芯片，瞬间共模比为15 kV／μs，内部集成高灵敏度光传感器，可以准确、快速反应信号变化状况，极短的寄生延时适合于IPM，是功率器件接口的完美解决方案。
2．1．2 电路原理的设计
    原理图如图1所示。

    由于HCPL-4504需要的驱动电流为16 mA，而DSP输出为3．3 V TTL电平标准，其输出的电流只有nA数量级，系统采用电平转换驱动芯片进行驱动。
    HCPL-4504的典型电路中建议，C1选取10～100PpF，R3选取10～20 k，R3的选择与IPM的功率有关，R3越小，可以驱动的IPM的功率越大，根据系统要求，本设计C1选择68pF，R3选择10k。
2．2 电压采样电路中的光电隔离电路
2．2．1 隔离器件的选择
    以上电路，光耦的次级处于开关状态，而在电压采样电路中，利用的是信号的线性关系，显然以上光耦不能满足系统的要求。线性光耦的特点是输出信号随输入信号变化而成比例变化，为模拟信号传输的简单化、高精度化带来了方便。
2．2．2 HCNR201的结构及工作原理
    HCNR201光电耦合器的内部结构如图2所示。

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    HCNR201光电耦合器是一种由三个光电元件D1、D2、D3组成的器件。当D1通过驱动电流If时，发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2、D3上，反馈光电二极管吸收D2光通量的一部分，从而产生控制电流I1。该电流用来调节If以补偿D1的非线性。输出光电二极管D3产生的输出电流I2与D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K1=I1／If，正向增益K2=I2／If，则传输增益K3=K2／K1=I2／I1。
主要技术指标如下：
    ●线性度：±0．05％；
    ●线性系数：5％；
    ●隔离电压：1 414 V；
    ●具有0～15 V的输入／输出范围。
2．2．3 电压检测电路设计
    系统母线电压检测电路如图3所示，信号为正极性输入，正极性输出。隔离电路中，R1调节初级运算放大器的输入偏置电流的大小，C1起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免HCNR201中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。R3可以控制LED的发光强度，对控制通道增益起一定作用。

2．2．4 运算放大器的选择
    运放可以是单电源供电或正负电源供电，HCNR201是电流驱动型器件，其LED的工作电流为1 mA～20 mA，因此，运算放大器A1的驱动电流也必须达到20 mA，同时，根据输入电压范围，也要求运算放大器有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电的LM2904集成运算放大器，其输出电流可达40mA。
2．2．5 电阻器的选择
    A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中，Rf是等效反馈电阻器。该等效电路是典型的同相型放大器，故U+=U-，且U+=Uin，因此Uin=U-。

    由图3知，If=(UO1-UD1)／R3
    由图4可见，I1=U-／R1
    因为K1=0．005，I1=0．005If
    所以(UO1-UD1)／R3=200×U-／R1
    假设，R1=200R3
    则UO1=Uin+UD1
    由图2知Vin=I1×R1，Vout=I2×R2
    因为是线性光耦合器模拟信号隔离，且本系统要求线性关系为
   
    本系统中，Vin=0～10 V，R1=10／20×10-3×0．005=100 k，R2=33 k，R3=500 Ω。
    由于器件参数的离散性，I1近似等于0．005If，K3=I2／I1≈1，所以，此时R1、R2、R3的值仅为估算值，实际调节到线性度最佳时，R1=100 k，R2=36 k，R3=220 Ω。
    应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好，电路简单，有效地解决了模拟信号与应用系统的电气隔离问题。

3 结论
    实践证明，本系统在低电压控制电路与高压驱动电路之间，模拟量与数字量之间，有效地利用了光电隔离电路，提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的可靠性。