光电耦合器在伺服系统中的应用

张文新;王永珍

【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。%Optocoupler is a device that composed of light-emitting devices and optoelectronic devices; it completes electric- light- electricity conversion. This article describes the main structures and principles of the ordinary optical coupler and linear optocoupler, and its application in the servo system. The advantages of small size, fast response, good isolation, high linearity, strong anti-interference ability are fully reflected. 【期刊名称】《山西电子技术》 【年(卷),期】2012(000)001 【总页数】2页(P20-21)

【关键词】光电耦合器;线性光耦;伺服系统 【作 者】张文新;王永珍

【作者单位】国营第785厂,山西太原030024;国营第785厂,山西太原030024 【正文语种】中 文 【中图分类】TP211.6

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［1］。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是美捷司专为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。

图1 HCPL－4504的电路原理

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。 图2 HCNR201的内部结

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］。 2.2.3 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。 图3 电压检测电 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40 mA。 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－［3］。 图4 运放等效电路

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 所以

又因K3=I2/I1=1 所以R1=3R2

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。 参考文献

［1］陈汝全.电子技术常用器件应用手册［M］.北京:机械工业出版社，1994. ［2］武汉力源电子股份有限公司.HCNR201精密线性光耦合器数据手册［Z］.1999.

［3］童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，1995.