在工業控制系統的現場中,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,使其獲得廣泛應用。本系統利用光耦將驅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試的時候更加安全;在電壓采樣電路中利用線性光耦實現模擬量與數字量之間的隔離,且輸出跟隨輸入變化,保證較高的線性度。
1 系統概述
本系統以DSP芯片TMS320LF2812為核心,IPM芯片為驅動,運用矢量控制算法控制永磁同步電機。主要包括弱電控制、強電驅動以及信號采集3部分。其中弱電控制部分是系統的控制核心,主要完成對電機的控制、信號量的設定;強電驅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交流電轉化為頻率可控的三相交流電來驅動電機;信號采集部分則由電流、電壓、測速傳感器組成,負責對電機進行電流、電壓和轉速的檢測,為系統提供反饋信號。
為避免高電壓信號及模擬信號串入控制電路對系統造成干擾,本設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行隔離。
2 光電隔離電路的應用
2.1 低壓控制電路與強電驅動部分之間的光電隔離設計
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,本設計采用光電隔離器件進行隔離。
2.1.1 隔離器件的選擇
為實現低壓數字電路和高壓驅動電路之間的電氣隔離,本設計采用光耦隔離,另外,由于SVPWM算法輸出信號頻率較高,需要反應速度較快的光耦,故設計中選用一款專用的IPM驅動芯片HCPL-4504。
HCPL-4504是美國安捷倫公司專為IPM等功率器件設計的高速光電隔離接口芯片,瞬間共模比為15 kV/μs,內部集成高靈敏度光傳感器,可以準確、快速反應信號變化狀況,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 電路原理的設計
原理圖如圖1所示。
由于HCPL-4504需要的驅動電流為16 mA,而DSP輸出為3.3 V TTL電平標準,其輸出的電流只有nA數量級,系統采用電平轉換驅動芯片進行驅動。
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,R3越小,可以驅動的IPM的功率越大,根據系統要求,本設計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狀態,而在電壓采樣電路中,利用的是信號的線性關系,顯然以上光耦不能滿足系統的要求。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,為模擬信號傳輸的簡單化、高精度化帶來了方便。
2.2.2 HCNR201的結構及工作原理
HCNR201光電耦合器的內部結構如圖2所示。
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D1通過驅動電流If時,發出紅外光(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,從而產生控制電流I1。該電流用來調節If以補償D1的非線性。輸出光電二極管D3產生的輸出電流I2與D1發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。
主要技術指標如下:
●線性度:±0.05%;
●線性系數:5%;
●隔離電壓:1 414 V;
●具有0~15 V的輸入/輸出范圍。
2.2.3 電壓檢測電路設計
系統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調節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中的鋁砷化鎵發光二極管(LED)受到意外的沖擊。R3可以控制LED的發光強度,對控制通道增益起一定作用。