光電耦合器在伺服系統中的應用

摘要：光電耦合器是一種發光器件和光電器件組成一體，完成電-光-電轉換的器件。在此介紹了高速光耦、線性光耦的結構和原理及其在伺服系統中的應用，充分體現了光耦體積小、響應速度快、隔離效果好、具有較強的抗干擾能力的優點。
關鍵詞：光電耦合器；線性光耦；伺服系統

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。