用于電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器中的隔離技術(shù)

機(jī)器中使用的電機(jī)大小不一，有的比手指還小，有的比卡車還大。 無論是在儀表上定位指示器，還是驅(qū)動(dòng)機(jī)車，對(duì)于需要能夠相當(dāng)快地切換高電壓和電流的控制電路來說，這些電感負(fù)載會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重破壞。

檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)時(shí)同樣如此。 例如，由于隨著驅(qū)動(dòng)器波形切換極性和負(fù)載而形成的電動(dòng)勢(shì)反沖，串聯(lián)式電流傳感器會(huì)承受巨大的尖峰和浪涌。 此外，這些電機(jī)感應(yīng)數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)可靠，才能實(shí)現(xiàn)更精確的應(yīng)用，如醫(yī)用輸液泵和給藥系統(tǒng)。

本文將介紹一些可用于將電機(jī)（及重電感負(fù)載）與驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)電路隔離的技術(shù)。 這有助于保護(hù)通常敏感的模擬前端，它們?cè)诔惺茌^高電壓時(shí)很容易被損壞。

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時(shí)間間隙

最簡(jiǎn)單的隔離技術(shù)實(shí)際上是半隔離解決方案。 它基于這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)繼電器或接觸器處于打開位置時(shí)，會(huì)形成一個(gè)與電流回路串聯(lián)的氣隙，具有接近無窮大的電阻。 這是一種很好的隔離形式。

但是，當(dāng)繼電器或接觸器切換到“接通”位置時(shí)，將不會(huì)發(fā)生電流隔離。 如果控制板與驅(qū)動(dòng)電源一樣參考相同的接地，那么任何噪聲影響也會(huì)參考相同的接地。 這不僅使接地浪涌干擾控制電路，還會(huì)抵消在傳感器級(jí)使用的任何共模噪聲濾波技術(shù)效果。

傳感解決方案可以使用濾波、衰減、增益和箝位技術(shù)來保持非電隔離，但仍受到保護(hù)。 例如，由于隨著驅(qū)動(dòng)器波形切換極性和負(fù)載而形成的電動(dòng)勢(shì)反沖，串聯(lián)式電流傳感器可承受巨大的尖峰和浪涌。

在雙向感應(yīng)中，隔離是必須的。 這意味著，電機(jī)、傳感器和驅(qū)動(dòng)器全部能夠以相互參考的方式有效浮動(dòng)。 實(shí)際上，系統(tǒng)將在某一點(diǎn)（如地面）使用并參考一個(gè)主要接地。 但是，為了進(jìn)行實(shí)際分析，它們均被隔離。

隔離選項(xiàng)

有幾種很好的技術(shù)和方法可幫助我們保護(hù)驅(qū)動(dòng)器和感應(yīng)電路。 在設(shè)計(jì)階段使用的一種簡(jiǎn)單方法就是，確保您的設(shè)計(jì)中存在滯后（圖 1）。 該時(shí)間窗可防止在使用絕對(duì)閾值時(shí)發(fā)生狀態(tài)振蕩。

圖 1：在電機(jī)控制回路設(shè)計(jì)中采用滯后是一種簡(jiǎn)單而有效的方法，可幫助消除在達(dá)到感應(yīng)閾值時(shí)產(chǎn)生的某些打開和關(guān)閉震顫。

一種經(jīng)驗(yàn)證有效的常見技術(shù)是光伏隔離，也稱為光電隔離。 集成的單芯片器件提供了良好的性能水平，可進(jìn)行級(jí)聯(lián)以使用低電平邏輯信號(hào)來控制非常高的功率水平。

此外，各種有用的輸出級(jí)（包括數(shù)字輸出、開集、達(dá)林頓復(fù)合晶體管、開漏、柵極驅(qū)動(dòng)器以及雙向可控硅和 SCR）都集成到了這些隔離器件中。

與變阻器、浪涌抑制器和瞬態(tài)抑制器結(jié)合使用時(shí)，光電隔離是一種很好的技術(shù)，使各零件保持高達(dá) 50,000 V 的隔離，例如 TT Electronics OPI150 使用軸管結(jié)構(gòu)來處理非常高的電壓水平（圖 2）。 請(qǐng)注意，在某種情況下，電壓會(huì)變得足夠高并在單片器件上的引腳間產(chǎn)生電弧，特別是在具有細(xì)間距的小型封裝中。

圖 2：為了保持 50,000 V 的隔離，這些光電耦合隔離器需要大約 3 英寸的間隔。 單片式表面貼裝封裝將在非常高的電壓水平進(jìn)行電弧放電。

另外，單個(gè)封裝中采用多個(gè)隔離器成為單獨(dú)控制三相電機(jī)的有效解決方案。 請(qǐng)注意，所有 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)與隔離式電源軌位于同一側(cè)。 例如，不要使用四通道器件中的三個(gè)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的線圈，且不要使用第四個(gè)驅(qū)動(dòng)器作為轉(zhuǎn)速計(jì)接回控制器。 請(qǐng)對(duì)轉(zhuǎn)速計(jì)使用單獨(dú)的光電隔離器。

固態(tài)繼電器也利用光電隔離，并將各種出色特性（如 AC 輸出）與過零和電阻控制的版本相集成。

此外，20 mA 至 160 A 的電流范圍可直接由邏輯驅(qū)動(dòng)。 例如，Crydom HDC200D160 固態(tài)繼電接觸器。 適合 4 至 32 V 輸入，采用 SPST 配置，高達(dá) 160 A 的輸出電流水平可使用內(nèi)部 2.5 KV 光電隔離器在“開”、“關(guān)”或基于 PWM 的配置中進(jìn)行切換。 請(qǐng)注意，在全電流條件下即使導(dǎo)通電阻低至 4 mΩ，此零件也需要耗散 100 瓦。

深入了解

光伏隔離除了用于隔離驅(qū)動(dòng)和控制之外，還可用于隔離監(jiān)控電機(jī)速度、加速度、電流、相位角等數(shù)據(jù)并將之傳回的傳感器系統(tǒng)。 此時(shí)會(huì)變得有點(diǎn)困難，因?yàn)檫€會(huì)傳遞模擬信號(hào)，而不僅僅是數(shù)字開/關(guān)控制。

一種可有效使用的技術(shù)是壓頻轉(zhuǎn)換。 一經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和線性化，傳感器的值便會(huì)饋送到壓控振蕩器，從而促使光電隔離器回到控制器板。 控制器通過累加門控計(jì)數(shù)來恢復(fù)該值。

類似地，也可以使用脈沖寬度調(diào)制，而脈沖寬度對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化范圍內(nèi)的值。 PWM 的優(yōu)勢(shì)是每個(gè)樣本都可以表示一個(gè)讀數(shù)。 采用 VCO 方法，門控累加器的響應(yīng)時(shí)間會(huì)變得更慢，但卻具有使脈沖噪聲平均化的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橐粋€(gè)損壞的讀數(shù)將僅存在一兩個(gè)錯(cuò)誤。

線性光電隔離器不像數(shù)字光電隔離器那樣常見，但它們確實(shí)存在。 例如，Vishay IL300-F-X007 線性光電隔離器。 此零件使用兩個(gè)檢波二極管，一個(gè)位于輸出級(jí)，另一個(gè)可在驅(qū)動(dòng)級(jí)的反饋環(huán)路中使用。 這允許使用運(yùn)算放大器以線性方式偏置光電隔離器的發(fā)射器部分（圖 3）。 隨著輸入信號(hào)的增加，保持隔離時(shí)的輸出電流也會(huì)不斷增加。

圖 3：使用兩個(gè)緊密配合的由同一光電發(fā)射器照亮的光電檢測(cè)器時(shí)，一個(gè)可用于線性驅(qū)動(dòng)器反饋回路， 另一個(gè)可在保持電氣隔離的同時(shí)報(bào)告相同狀態(tài)。

證據(jù)表明，增強(qiáng)型勢(shì)壘也是為傳感器系統(tǒng)提供高電壓隔離的理想選擇。Texas Instruments 的 AMC1305x 高精度、增強(qiáng)型隔離式三角積分調(diào)制器是集成式傳感器系統(tǒng)的良好典范，其設(shè)計(jì)可提供相當(dāng)高分辨率模擬電平的單片式隔離（圖 4）。 它使用電容式雙隔離勢(shì)壘將輸入級(jí)與輸出級(jí)分離，并達(dá)到 7,000 V 峰值和 10000 V 的浪涌額定電壓，符合多種 VDE、UL 和 CSA 標(biāo)準(zhǔn)。

圖 4：在此單芯片隔離式傳感器接口和驅(qū)動(dòng)器中使用了一種電容式雙勢(shì)壘隔離技術(shù)。 數(shù)字濾波器可以 78000 樣本/秒的速率提取 16 位分辨率，同時(shí)受到高達(dá) 7,000 V 的隔離保護(hù)。請(qǐng)注意，浮動(dòng)式電源使感應(yīng)部分具有浮動(dòng)負(fù)載。

通過在電機(jī)相傳導(dǎo)路徑中使用分流電阻器，它可以獲取饋送給三角積分調(diào)制器的低電平信號(hào)。 該調(diào)制器的輸出將被饋送回控制微處理器，該處理器可使用數(shù)字濾波算法以 78000樣本/秒的速率提取 16 位分辨率。

TI 在其雙核 Delfino 處理器中沿用了三角積分濾波器作為實(shí)現(xiàn)隔離式電機(jī)電流檢測(cè)算法的主要候選對(duì)象，并提供 TMDXDOCK28377D 評(píng)估套件來幫助設(shè)計(jì)工程師。

總結(jié)

電機(jī)的使用數(shù)量是如此眾多，每一個(gè)設(shè)計(jì)都有自己的故事，但共同的需求是保護(hù)微控制器和傳感器接口遠(yuǎn)離電機(jī)負(fù)載和狀況快速變化的危險(xiǎn)。 正如本文所述，有多種優(yōu)秀的隔離技術(shù)可幫助您解決所面臨的問題。