微机保护装置中光电隔离芯片的抗干扰作用。

微机保护装置中光电隔离芯片的抗干扰作用如下：

1、光电隔离芯片具有很强的抗干扰作用，它可以有效地隔离电压差和电磁干扰，使微机保护装置保持稳定工作。

2、它可以通过把微机和外部系统的电源电压和信号电压隔离开来，从而保护微机系统不受到电压和信号的干扰。

3、此外，光电隔离芯片还可以抑制电磁干扰，使微机保护装置的精度更高。

使用逻辑及分析仪后,仿真界面可以显示数据,不使用时,仿真界面没有数据

非隔离电源与隔离电源的区别为：触电风险不同、驱动效率不同、成本不同。

一、触电风险不同

1、非隔离电源：非隔离电源的负载端和输入端有直接连接，非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。

2、隔离电源：隔离电源的负载端和输入端是间接连接，因此触摸负载没有触电的危险。

二、驱动效率不同

1、非隔离电源：非隔离电源的驱动效率较高，电压范围在110-300V之间。

2、隔离电源：隔离电源的驱动效率较低，电压范围在60V-300V之间。

三、成本不同

1、非隔离电源：非隔离电源采用的电路结构是DC/DC的升压或降压电路方案，因此相对电路较简单，因而成本也相对较低。

2、隔离电源：隔离电源采用的电路结构是AC/DC的反激式电路方案，因此相对电路较复杂、成本较高。

常用的光电隔离芯片有哪些？最好是多路的。线形度最好在1%-2%。

1工作原理调零仪支持增量式和总线式编码器，两种编码器的凋零原理略有区别：

(1)增量式编码器调零原理：增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和z相；A、B两组脉冲相位差90。，从而可方便地判断出旋转方向，而z相为每转只产生一个脉冲，用于基准点定位。当伺服电机锁定在0电角度时，z相刚好发出脉冲信号，此位置即为编码器调零的理想位置，实际调零时z相位置可以在给定的偏差范围内。z相位置的调整强由工人拨动编码器码盘来实现。

(2)总线式编码器调零原理：总线式编码器多为绝对式编码器，可以直接读出角度坐标的绝对值，其调零的工作流程较为简单：电机首先锁定到0电角度，读出此时坐标的绝对值后，由主控芯片将位置绝对值和电机的一些相关信息存人编码器自带的EEPROM中即可。总线式编码器凋零原理简单，难点在r总线式编码器没有相应的解码芯片支持，需利用FPGA解码后再通过sPI总线传给ARM芯片。

2硬件结构调零仪组成可以分为控制板、驱动板以及仪器外壳。驱动板接收控制板的svPwM信号，反馈一定的控制信号给控制板(过流信号等)，放大后驱动电机工作。控制板与驱动板通过2 x7接口连接如图 l所示。

调零仪通电后，软件从EEPROM中渎取系统参数，并根据参数值发出相应的控制信号给驱动板，同时编码器将位置信息反馈(如果是总线式编码器需要利用FPGA解析总线协议)给控制板，A／D读取电机电流值，实现电机控制。

2．1控制板控制板由以下几个部分组成：

(1)控制部分调零仪使用LM3S8962芯片，通过霍尔传感器采集伺服电机的uVw三相反馈电流闭合电流环，产生驱动系统的6路PwM开关信号。

LM3S8962芯片是采用ARM cotex—M3内核的一款处理器，其专门针对工业应用方案而设计，功耗低(同时内置电池唤醒的体眠模块)，运算速度快，同时集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如PwM波发生器，A／D转换，高速同步通信接口SSI，以及大容量程序存储器等。

(2)光电隔离为了保证信号的准确性和设备的安全，控制板上的开关、LED指示灯、编码器均采用了光电隔离。考虑到调零仪工作时可能出现误操作带电插拔编码器的情况，编码器利用可控隔离电源芯片产生的隔离5 V和隔离地供电，这样编码器与控制板即使某一个出现问题也不会影响到另外一个。编码器接口：增量式编码器采用的是标准的DBl5接口，包括3相的A、B、z差分信号和隔离5v、隔离地；总线式编码器采用的是标准的1．)B9接口，包括两根信号线(多摩川编码器)或四根信号线(Biss协议编码器)以及两根隔离电源线，再通过隔离RS485芯片与FPGA相连，由FPcA实现解码后通过sPI总线传给ARM控制芯片。

(3)编码器接口由于LM8962芯片自带QEI接口，故增量式编码器的信号在经过光电隔离后可以直接与。ARM相连；Biss协议和多摩川编码器在经过一个隔离RS485芯片后，利用FPGA解析总线协议，再通过SSI接口反馈给控制芯片。

(4)其他外设主要包括操作面板、状态灯和开关、EEPROM；其中，操作面板包括一个LcD屏和4个按键，主要用于参数的设置以及状态的显示；状态灯和开关则分别用来指示系统状态和控制系统的工作；EEPROM用于存储系统相关参数(如锁定电流，误差限等)。

2．2驱动板驱动板如图2所示，主要有：

(1)整流滤波电路将220 V交流电整流成310 v直流母线电压，提供给智能功率模块(IPM)和开关电源模块，后者将产生调零仪上的其他部件所需要的各种电压，如控制板的24 V，IPM的上三桥、下三桥供电电源，等等。

(2)智能功率模块(IPM) 内部是三相两电平桥电路，每相的上F桥开关管中间接控制板输出的PwM6路信号(经过光耦隔离)，通过6个开关管的开闭，输出幅值为310 V的u、V、w三相PwM电压给电机，驱动电机工作。在凋零仪中使用的是三菱PS21869模块，采用第五代IGBT(绝缘栅型双极性晶体管)工艺，内置栅极驱动和保护电路(短路和欠压保护)，同时支持上三桥统一供电，无需使用四路单独隔离电源，极大的简化了驱动板电路。

(3)电流采样电路IPM输出A、B、c三相电流，先经过了一个电流霍尔传感器，再流人电机，传感器内部利用霍尔效应，输出电压信号，经过电压跟随和放大，由LM8962自带的A／D读出电流值。

3控制模块3．1控制模块调零仪采用磁场定向控制原理(Fild 0rientedconf r(1l，F0c)来实现矢量控制(Vector contr01)，同时利用空间矢量PwM(space Vetor PwM)控制模式来控制电机。对于永磁同步电机(PMsM)，转子机械位置和磁通位置相同，这样通过对机械位置的检测即可得到转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比异步电机得到简化。其基本控制框如图3所示。

3．2软件流程由于系统工作时会在多个状态间切换(开机 >

锁定一>旋转一>调零一>返回开机状态)，同时也有可能处于设置参数的状态，使用传统的程序流程图的话，程序代码里会出现大量的等待语句和判断程序流程的if语句，这样会使得代码复杂、低效，不容易读懂，以及调试困难。因此，软件系统实际上使用了状态机的编程思想。有限状态机FsM(Finitestate Machine)思想广泛应用于硬件控制电路设计，也是软件上常用的一种处理方法(软件上称为FMM——有限消息机)。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件，将连续处理变为离散数字处理，符合计算机的工作特点。由于总线式编码器工作步骤和参数设置状态迁移较为简单，仅以增最式编码器的调零过程作为示意。打开电源后，初始化相关外设，LcD显示开机界面，当调零开关被按下后，电机锁定一段时间(可设置)后，电机旋转寻找z脉冲，找到后电机再重新锁定，此时LcD同时实时的显示编码器位最的偏差值。工人开始调整编码器位置，直至偏差值满足给定的误差限，双色指示灯变绿，工人将编码器固定后，按调零开关返回开机界面。图4为软件的状态机迁移图：

由于系统的参数设置与总线式编码器调零状态迁移比较简单，其状态迁移图并未绘制在系统总的流程图里。这也是状态机的一个优点：方便编程和调试，可将若干个状态合并为一个整体的状态，并人系统状态机迁移图里。

实际上，在初始化外设结束后主程序只有一条switch语句，在不停地判断当前的工作状态current—state，据此决定执行哪一个动作函数。在动作函数里面，程序在根据条件(或称为事件)的不同来执行具体的程序操作以及状态的更新与迁移。在实际的软件流程中，有条件是必须要中断来触发的，因此在中断任务巾必须仔细安排动作的执行以及程序状态的更新与迁移。

4系统仿真实验研究4．1仿真模型依据图3给出的系统控制框图，在simulink里面建立图5所示的仿真模型，对控制系统进行仿真。 供的永磁同步电机模块(PMsM)四。

电机的仿真模型使用的是simPowersystem工具箱提4．2仿真数据控制系统的输人为A、B两相电流(c相电流利用n+6+c=O得到，电流使用标幺值)，经过一系列的坐标变换与PID计算由sVPwM模块输出A、B、c三路PwM波的占空比，冉经过功率放大模块驱动PMsMj_作。图6为A相PwM波占空比的仿真波形。

由于电机刚启动时，实际电流与给定值误差较大(d轴电流的给定值属于阶跃信号)，导致输H{值变化幅度较大，大约在O 25 s之后电流控制稳定，亦即调节时间t=O．25 s。B、c相输出与A相类似，就不再重复。

5实验结果5．1实验平台调零仪实物如图7所示，其中，上层是控制板，下层是驱动板。实验时通过串口线与上位机相连，同时控制板上的测试点引出与示波器相连。

由于示波器本身的精度有限和有强电干扰等原因，很难对实际电流进行定量分析。因此，在利用示波器确认波形正确的前提下，实验利用控制板上的霍尔传感器采集数据进行分析，采集方法为：首先在软件中开辟一个大数组，将程序运行的前0．6 s的数据存入其中，再通过串口发送至上位机，利用Matlab进行定量分析。

5．2实验数据(1)控制板svPwM模块的输出控制板通过霍尔传感器采集A、B两相电流，经过坐标变换、PID计算以及sVPwM模块后，输出三路PwM波信号，驱动板收到信号后经过功率放大驱动电机工作。如图8所示，与图6的仿真波形相比，基本一致，说明在ARM程序中正确的实现了控制算法。 (2)电机三相电流实际值为了保证电机锁定位置的准确性，电机锁定时对锁定电流的精度有一定要求。为了验证电流环的控制精度，需要将三相电流的实际值输出观察与分析，如图9所示。

从图9中可以看出，PlD的控制策略以及PID参数选择是适当的，电流波形是比较准确的正弦波形，精度满足要求。经过计算，电流有效值、峰峰值的精度均满足要求。

6结语本文简要介绍了编码器零点调试仪主要模块的原理及实现。将所研制的调零仪原型机和市场上专用伺服驱动器调零功能(只能测试增量式编码器)进行了比较试验，试验结果表明所研究的调零仪调零精度已经达到设计要求，满足伺服电机编码器的调零指标。

分类: 理工学科 >> 工程技术科学

问题描述:

谢谢大家 阿

解析:

线性光耦；

介绍新型精密线性光耦器件HCNR200的工作原理，并且给出了两种用 HCNR200和运算放大器实现的检测电机电流的隔离传输电路，并推导出其外围电阻的计算方法。

关键词：线性光耦 线性隔离 模拟信号 线性度 HCNR200

现代电气测量、控制中，常常需要用低压器件去测量、控制高电压、强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。线性光耦HCNR200可以较好的实现模拟量与数字量之间隔离，隔离电压峰值达8000伏；输出跟随输入变化，线性度达001％。

HCNR200/201简介

HCNR200型线性光耦的原理如图 1所示。它是由发光二极管 D1、反馈光电二极管 D2、输出光电二极管 D3组成。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 (I1 = 0005 If )。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， K3的典型值为 1 。

图1 HCNR200结构示意图

电流检测电路

光电导模式下的电流检测电路设计

HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图2所示，信号为正极性输入，正极性输出。隔离电路中，R1调节初级运放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HCNR200的铝砷化镓发光二极管LED受到意外的冲击 。但是随着频率的提高，阻抗将变小， HCNR200的初级电流增大，增益随之变大，因而C1的引入对通道在高频时的通道增益有一定影响，虽然减小C1的值可以拓展带宽，但是这样会影响初级运放的增益，同时，初级运放输出的较大毛刺信号不易被滤除 。R3可以控制LED的发光强度，从而对控制通道增益起了一定作用。

光电压模式下的电流检测电路设计

HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图3所示，信号为正极性输入，正极性输出。R1、R2、R3、C1的作用与在光电导模式下作用基本相同。放大器A1调节电流If 。当输入电压Vin增加时，I1增加，同时放大器A1"+"输入端电压增加，促使电流If增加。由于D1与D2之间的联系，I1就会把"+"输入端电压重新拉回0V，形成负反馈。如果放大器A1的输入电流很小，那么流经R1的电流就为：Vin / R1＝I1 。显而易见，I1与Vin之间是线性比例关系。I1稳定线性变化，If也稳定线性变化。因为D3受到D1光照，I2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R2将I2转化成电压VOut=I2 R2 。

图2 光电导模式下的电流检测电路（略）

图3 光电压模式下的电流检测电路（略）

图4 驱动级等效电路（略）

运放的选择

HCNR200/201是电流驱动,其LED的工作电流要求为 1~ 20mA，因此运放A1的驱动电流也必须可以达到20mA，能达到这种输出电流能力的运放一般其输出级为双极型，因此选双极型运放较合适。同时，根据输入电压范围，也要求运放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HA17324集成运放,其输龅缌骺纱0mA。

电阻R1、R2、R3的选择

下面将以在光电导模式下电阻的选择加以讨论。

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。该等效电路是典型的同相型放大器，故 U+ =U-，且 U+ =Vin,则Vin =U+ =U-。

由图 2显见：

I f ＝ (Vo1－VD1) / R2 (1)

式中 VD 1为 D1的正向压降。

由图4显见：

If ＝ U- / R1

因为 If ＝ 0005I1 ，所以

(Vo1－VD 1) / R2 ＝ 200U- / R3

将式 ( 1 )代入上式

（Vo1－VD 1）/ R2 ＝ 200 Vin / R1 ，则

Vo1－VD 1 ＝ 200 Vin R2 / R1

令 R1＝200R2 ，则

Vo1=Vin +VD1 (2)

因为R2 =（Vo1－VD1）/ I1

将式 ( 2 )代入上式

R2=Vin / I1

R3的估算：

由图 2得

Vout ＝I2 R2

由图 2及式 ( 1)得

Vin = I1 R1

因为是线性光耦合器模拟信号隔离电路，所以令

Vout = Vin,则

I2 R2 = I1 R1

又因为 K3 = I2 / I1 = 1,所以 R2= R1。

由于器件参数的离散性， I1 近似等于 0005 If ，K3 = I2 / I1≈ 1所以 R1、R2、R3尚需在估算值附近调整， 力求获得最佳线性度。

例如，本设计中，Vin＝0 ～ 10V， Vcc1=Vcc2=15V。

R1＝Vin / I1＝10 / (20 10－3 0005)＝100 103

R2＝R1＝100 103

R3＝R1 0005＝500 ，但经调节后，最佳线性度时为220 。

结论

(1)应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路,线性度好,电路简单,有效地解决了模拟信号与单片机应用系统电气隔离问题。若驱动级、缓冲级采用组合型运算放大器,可使线性度提高。

(2)HCNR200可以广泛地应用在需要良好稳定性、线性度和带宽的模拟信号隔离场合。利用两片HCNR200，可以工作在双极信号输入双极性输出模式；同时，其还可以工作在交直流电路、变换器的隔离、热电偶的隔离、4~20mA模拟电流环发射／接收等多种模式下,因而可广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制等方面。

(3)将该器件用于电机电流测量中,电流反馈准确可靠,在实现电流闭环控制中发挥了作用。

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