使用光隔離的調制器在電機控制中進行安 全、準確的隔離電流傳感

介紹

在工業電機或伺服控制應用中，準確的電流測量是控制回路的一部分。目前的測量不僅需要盡可能準確，還需要安全可靠。工業電機或伺服控制系統通常包含高壓，在過流或短路等故障事件中，這些情況需要快速檢測和整流，以防止災難性的系統故障或在最壞的情況下，人員傷害。光耦合器不僅有助于提供斷土回路的隔離，排除共模噪聲和瞬態，還提供必要的絕緣，以滿足要求的安全標準和法規要求。

光隔離調制器架構

用于電流測量的隔離調制器的輸入通常連接到一個小的并聯電阻，該電阻將通過它的電流轉換為一個小電壓，通常約為±200mV，以限制并聯電阻中的功率耗散。然后，西格瑪調制器將模擬輸入信號過采樣到一個單一的高速比特流中，然后通過光隔離屏障進行傳輸。然后，在隔離側接收的調制器數據發送到處理器進行進一步處理。然后，一個Sinc3抽取過濾器可以很容易地在FPGA或微處理器上實現，以恢復所需的信號。抽取過濾器將高速過采樣比特流平均或抽取到一個較低的速率，通常稱為抽取比率。圖1顯示了一個孤立的西格瑪三角洲采集系統的方框圖。

圖1。光隔離調制器框圖

這種方法有幾個優點。首先，在調制器輸出后，可以很容易地放置在單通道上。其次，接收到的位流中任何可能由共模瞬態引起的錯誤都會被抽取過濾器平均出來。其結果是一個非常魯棒的隔離方案，在運動控制等高噪聲環境中，在初級和二級或瞬態免疫之間提供了良好的共態排斥。由于是光學的，與傳統的霍爾缺陷傳感器不同，該設備也不受磁干擾的影響。

圖2顯示了新的 ACPL-798J外部時鐘，光隔離調制器的方框圖。與通常的單端LVTTL接口相比，LVDS接口進一步改善了傳感器和處理器之間的連接，允許系統設計者擁有一個健壯的接口。ACPL-798J還具有1%的±增益精度和75 dB的信噪比，相當于12位有效位數（ENOB）。

圖2。ACPL-798J框圖

光隔離調制器的類型

有兩種類型的光學隔離西格瑪調制器，內部時鐘和外部時鐘。外部時鐘類型比內部時鐘類型有一定的優勢。例如，外部時鐘類型通常具有更高的時鐘速度。外部時鐘類型還允許有一個通用的主時鐘，以便更容易地恢復數據和通道到通道的同步，例如同時測量相位電流。

表1.解密比與濾波器延遲時間說明和ENOB

速度和精度

在電機或伺服控制中，被驅動的電機負載是感應負載。從下面的電感器阻抗方程中，我們可以推斷出，電壓取決于通過電感器的電流的變化速率。

因此，在電機上出現危險的電壓水平之前，需要盡快對相位間短路或接地短路等故障條件進行檢測和整正。電機控制器對此類故障作出反應所需的典型反應時間通常小于10μs。一種常見的方法是使用并行運行抽取比的單獨過濾器（igure 3）。

過濾器可以保持較小的抽取比，以提供快速響應，以跟蹤和響應故障條件，同時有另一個過濾器與較高的抽取比并行，以在正常控制回路操作中更好的分辨率。通過以這種方式劃分系統，可以快速感知并作出反應來糾正任何故障情況。表1顯示了通過選擇適當的抽取比率，分辨率和速度之間的交易。

圖3.光隔離西格瑪增量調制器方框圖

目前利用光學隔離西格瑪調制器進行的測量，通過選擇適當的過濾方案來保持精度和速度之間的靈活性。只有光聯軸器才能通過IEC安全標準IEC60747-5-5進行加固認證隔離主動光隔離調制器提供了一種精確、安全、可靠的電流測量方法。