使用光隔离的调制器在电机控制中进行安全、准确的隔离电流传感

介绍

在工业电机或伺服控制应用中，准确的电流测量是控制回路的一部分。目前的测量不仅需要尽可能准确，还需要安全可靠。

工业电机或伺服控制系统通常包含高压，在过流或短路等故障事件中，这些情况需要快速检测和整流，以防止灾难性的系统故障或在最坏的情况下，人员伤害。光耦合器不仅有助于提供断土回路的隔离，排除共模噪声和瞬态，还提供必要的绝缘，以满足要求的安全标准和法规要求。

光隔离调制器架构

用于电流测量的隔离调制器的输入通常连接到一个小的并联电阻，该电阻将通过它的电流转换为一个小电压，通常约为±200mV，以限制并联电阻中的功率耗散。然后，西格玛调制器将模拟输入信号过采样到一个单一的高速比特流中，然后通过光隔离屏障进行传输。然后，在隔离侧接收的调制器数据发送到处理器进行进一步处理。然后，一个Sinc3抽取过滤器可以很容易地在FPGA或微处理器上实现，以恢复所需的信号。抽取过滤器将高速过采样比特流平均或抽取到一个较低的速率，通常称为抽取比率。图1显示了一个孤立的西格玛三角洲采集系统的方框图。

图1。光隔离调制器框图

这种方法有几个优点。首先，在调制器输出后，可以很容易地放置在单通道上。其次，接收到的位流中任何可能由共模瞬态引起的错误都会被抽取过滤器平均出来。其结果是一个非常鲁棒的隔离方案，在运动控制等高噪声环境中，在初级和二级或瞬态免疫之间提供了良好的共态排斥。由于是光学的，与传统的霍尔缺陷传感器不同，该设备也不受磁干扰的影响。

图2显示了新的 ACPL-798J外部时钟，光隔离调制器的方框图。与通常的单端LVTTL接口相比，LVDS接口进一步改善了传感器和处理器之间的连接，允许系统设计者拥有一个健壮的接口。ACPL-798J还具有1%的±增益精度和75 dB的信噪比，相当于12位有效位数(ENOB)。

图2。ACPL-798J框图

光隔离调制器的类型

有两种类型的光学隔离西格玛调制器，内部时钟和外部时钟。外部时钟类型比内部时钟类型有一定的优势。例如，外部时钟类型通常具有更高的时钟速度。外部时钟类型还允许有一个通用的主时钟，以便更容易地恢复数据和通道到通道的同步，例如同时测量相位电流。

表1.解密比与滤波器延迟时间说明和ENOB

抽取比率(R)	Fs=20MHZ	Fs=10MHz
吞吐量（Fs/R）KHz	有效比特数（ENOB）	Fiter延迟（μs）	螺母速率（Fs/R）KHz	有效位数（ENOB）	滤波器延迟(s)
756	781	17	17只	391	17	756
128	156.2	11	6.4	78.1	11	12.8
64	312.5	11	3.2	156.2	11	6.4
32	625	10	1.6	312.5	10	3.2

速度和精度

在电机或伺服控制中，被驱动的电机负载是感应负载。从下面的电感器阻抗方程中，我们可以推断出，电压取决于通过电感器的电流的变化速率。

因此，在电机上出现危险的电压水平之前，需要尽快对相位间短路或接地短路等故障条件进行检测和整正。电机控制器对此类故障作出反应所需的典型反应时间通常小于10µs。一种常见的方法是使用并行运行抽取比的单独过滤器(igure 3)。

过滤器可以保持较小的抽取比，以提供快速响应，以跟踪和响应故障条件，同时有另一个过滤器与较高的抽取比并行，以在正常控制回路操作中更好的分辨率。通过以这种方式划分系统，可以快速感知并作出反应来纠正任何故障情况。表1显示了通过选择适当的抽取比率，分辨率和速度之间的交易。

图3.光隔离西格玛增量调制器方框图

目前利用光学隔离西格玛调制器进行的测量，通过选择适当的过滤方案来保持精度和速度之间的灵活性。只有光联轴器才能通过IEC安全标准IEC60747-5-5进行加固认证隔离主动光隔离调制器提供了一种精确、安全、可靠的电流测量方法。

审核编辑：汤梓红