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。