使用光隔離的調(diào)制器在電機(jī)控制中進(jìn)行安全、準(zhǔn)確的隔離電流傳感

介紹

在工業(yè)電機(jī)或伺服控制應(yīng)用中，準(zhǔn)確的電流測(cè)量是控制回路的一部分。目前的測(cè)量不僅需要盡可能準(zhǔn)確，還需要安全可靠。

工業(yè)電機(jī)或伺服控制系統(tǒng)通常包含高壓，在過(guò)流或短路等故障事件中，這些情況需要快速檢測(cè)和整流，以防止災(zāi)難性的系統(tǒng)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(tài)，還提供必要的絕緣，以滿足要求的安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求。

光隔離調(diào)制器架構(gòu)

用于電流測(cè)量的隔離調(diào)制器的輸入通常連接到一個(gè)小的并聯(lián)電阻，該電阻將通過(guò)它的電流轉(zhuǎn)換為一個(gè)小電壓，通常約為±200mV，以限制并聯(lián)電阻中的功率耗散。然后，西格瑪調(diào)制器將模擬輸入信號(hào)過(guò)采樣到一個(gè)單一的高速比特流中，然后通過(guò)光隔離屏障進(jìn)行傳輸。然后，在隔離側(cè)接收的調(diào)制器數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理。然后，一個(gè)Sinc3抽取過(guò)濾器可以很容易地在FPGA或微處理器上實(shí)現(xiàn)，以恢復(fù)所需的信號(hào)。抽取過(guò)濾器將高速過(guò)采樣比特流平均或抽取到一個(gè)較低的速率，通常稱為抽取比率。圖1顯示了一個(gè)孤立的西格瑪三角洲采集系統(tǒng)的方框圖。

圖1。光隔離調(diào)制器框圖

這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，在調(diào)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(tài)引起的錯(cuò)誤都會(huì)被抽取過(guò)濾器平均出來(lái)。其結(jié)果是一個(gè)非常魯棒的隔離方案，在運(yùn)動(dòng)控制等高噪聲環(huán)境中，在初級(jí)和二級(jí)或瞬態(tài)免疫之間提供了良好的共態(tài)排斥。由于是光學(xué)的，與傳統(tǒng)的霍爾缺陷傳感器不同，該設(shè)備也不受磁干擾的影響。

圖2顯示了新的 ACPL-798J外部時(shí)鐘，光隔離調(diào)制器的方框圖。與通常的單端LVTTL接口相比，LVDS接口進(jìn)一步改善了傳感器和處理器之間的連接，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者擁有一個(gè)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(dāng)于12位有效位數(shù)(ENOB)。

圖2。ACPL-798J框圖

光隔離調(diào)制器的類型

有兩種類型的光學(xué)隔離西格瑪調(diào)制器，內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。外部時(shí)鐘類型比內(nèi)部時(shí)鐘類型有一定的優(yōu)勢(shì)。例如，外部時(shí)鐘類型通常具有更高的時(shí)鐘速度。外部時(shí)鐘類型還允許有一個(gè)通用的主時(shí)鐘，以便更容易地恢復(fù)數(shù)據(jù)和通道到通道的同步，例如同時(shí)測(cè)量相位電流。

表1.解密比與濾波器延遲時(shí)間說(shuō)明和ENOB

速度和精度

在電機(jī)或伺服控制中，被驅(qū)動(dòng)的電機(jī)負(fù)載是感應(yīng)負(fù)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(guò)電感器的電流的變化速率。

因此，在電機(jī)上出現(xiàn)危險(xiǎn)的電壓水平之前，需要盡快對(duì)相位間短路或接地短路等故障條件進(jìn)行檢測(cè)和整正。電機(jī)控制器對(duì)此類故障作出反應(yīng)所需的典型反應(yīng)時(shí)間通常小于10μs。一種常見(jiàn)的方法是使用并行運(yùn)行抽取比的單獨(dú)過(guò)濾器(igure 3)。

過(guò)濾器可以保持較小的抽取比，以提供快速響應(yīng)，以跟蹤和響應(yīng)故障條件，同時(shí)有另一個(gè)過(guò)濾器與較高的抽取比并行，以在正?？刂苹芈凡僮髦懈玫姆直媛?。通過(guò)以這種方式劃分系統(tǒng)，可以快速感知并作出反應(yīng)來(lái)糾正任何故障情況。表1顯示了通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)某槿”嚷剩直媛屎退俣戎g的交易。

圖3.光隔離西格瑪增量調(diào)制器方框圖

目前利用光學(xué)隔離西格瑪調(diào)制器進(jìn)行的測(cè)量，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾方案來(lái)保持精度和速度之間的靈活性。只有光聯(lián)軸器才能通過(guò)IEC安全標(biāo)準(zhǔn)IEC60747-5-5進(jìn)行加固認(rèn)證隔離主動(dòng)光隔離調(diào)制器提供了一種精確、安全、可靠的電流測(cè)量方法。

審核編輯：湯梓紅