脈寬調(diào)制整流器中模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸

朱藝鋒

(河南理工大學(xué)電氣學(xué)院，河南 焦作454003)

0 引言

在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象往往有一定距離，電磁干擾不可避免地要混入連接導(dǎo)線(xiàn)[1-2］，快速準(zhǔn)確地捕捉現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)是進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)。特別在像磁懸浮列車(chē)那樣控制對(duì)象和控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離分離的場(chǎng)合，需要將傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換后再送到控制器進(jìn)行處理[3］。為了消除這些干擾，除了合理地處理接地問(wèn)題外[4］，還必須使輸入電路與輸出電路彼此隔離，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸[5］。模擬信號(hào)隔離傳輸?shù)姆椒ǚ譃橹苯痈綦x法[6-7］和間接隔離法[8-9］，其中，直接隔離法包括變壓器隔離法和光電隔離法，間接隔離法包括隔離放大器法和調(diào)制解調(diào)法。直接隔離法原理簡(jiǎn)單但是傳輸距離短，調(diào)制解調(diào)法傳輸距離長(zhǎng)但傳輸精度低。相比而言，采用壓頻轉(zhuǎn)換器，以頻率形式傳輸模擬信號(hào)是遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)而又不損失精度的最好解決方法[10］。但文獻(xiàn)[1-10］都沒(méi)有對(duì)模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，僅限于理論分析，對(duì)于隔離傳輸?shù)木唧w性能沒(méi)有論述。本文利用AD650構(gòu)成壓頻和頻壓轉(zhuǎn)換電路，先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成±5 V，后經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換線(xiàn)性變成一定頻率的方波脈沖列，經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的控制中心，接著再將脈沖列送入頻壓轉(zhuǎn)換電路還原成電壓信號(hào)，最終送入模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入控制器進(jìn)行處理。通過(guò)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，深入分析該系統(tǒng)的工作性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

圖1為模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸系統(tǒng)框圖。功率變流器的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，即電壓采樣、壓頻轉(zhuǎn)換(VFC)、光纖傳輸和頻壓轉(zhuǎn)換(FVC)。電壓采樣部分完成從功率變換器如PWM整流器上取出整流器輸入側(cè)線(xiàn)電壓信號(hào)，經(jīng)電流霍爾傳感器(LEM)變換和電阻采樣后得到±5 V的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)波，而后作為輸入信號(hào)送到壓頻轉(zhuǎn)換部分。在壓頻轉(zhuǎn)換中，將輸入電壓信號(hào)線(xiàn)性變換成一定頻率(幾十到幾百kHz)的方波脈沖列，而后傳到光纖傳輸部分。在光纖傳輸部分，電脈沖信號(hào)變成光信號(hào)進(jìn)行高速遠(yuǎn)距離傳輸，送到位于控制中心的頻壓轉(zhuǎn)換部分。頻壓轉(zhuǎn)換部分將脈沖列還原成電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)會(huì)有微小程度的電壓脈動(dòng)，可以加裝阻容(RC)低通濾波器予以改善。濾波器輸出的模擬信號(hào)最終送入ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并送入控制器進(jìn)行處理。高頻的脈沖列相當(dāng)于高頻率的數(shù)字信號(hào)，和光纖傳輸一樣，都有高抗干擾、高抗衰減性能。大功率環(huán)境下，對(duì)電壓采樣和壓頻轉(zhuǎn)換部分，以及開(kāi)關(guān)電源部分，用屏蔽罩進(jìn)行屏蔽。壓頻轉(zhuǎn)換原理可描述如下:輸入電壓信號(hào)經(jīng)輸入電阻變?yōu)殡娏餍盘?hào)，經(jīng)積分器對(duì)積分電容充電，同時(shí)電容電壓值和內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，一旦到達(dá)閥值，內(nèi)部開(kāi)關(guān)斷開(kāi)積分回路，變?yōu)閮?nèi)部恒流源對(duì)電容的反向積分，仍與閥值電壓比較，直到基準(zhǔn)電壓大小時(shí)再次重復(fù)上述過(guò)程，與此同時(shí)輸出脈沖列，從而實(shí)現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換。電壓越大，脈沖列頻率越高。頻壓轉(zhuǎn)換的原理與此類(lèi)似。

圖1 模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及分析

目前，壓頻轉(zhuǎn)換核心芯片很多。一般從功能、頻率范圍、轉(zhuǎn)換線(xiàn)性度方面進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)要求工作頻率高、線(xiàn)性度好，輸入電壓范圍寬，據(jù)此選用美國(guó)AD公司的高性能壓頻轉(zhuǎn)換器件AD650。AD650電路既能用作電壓頻率轉(zhuǎn)換器，又可用作頻率電壓轉(zhuǎn)換器。圖2給出了模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸原理接線(xiàn)圖。

圖2 模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離隔離傳輸原理接線(xiàn)圖

2.1 壓頻轉(zhuǎn)換電路參數(shù)選擇

VFC電路主要有3個(gè)參數(shù)需要選擇，即輸入電阻Rin、積分電容Cin、定時(shí)電容Co。輸入電阻Rin會(huì)限制輸入電壓范圍，一般輸入電流不超過(guò)1 mA，有:

輸入電阻Rin和積分電容Cin決定了滿(mǎn)度頻率。一般說(shuō)來(lái)，Co越高，輸入電流越小(Rin越大)，線(xiàn)性度越好，滿(mǎn)刻度頻率也越低。可以根據(jù)文獻(xiàn)[6］來(lái)選擇滿(mǎn)刻度頻率所要求的Rin和Co。Rin確定之后，并給定期望的滿(mǎn)刻度頻率，則定時(shí)電容Co的大小也就確定了。積分電容Cin可以通過(guò)下面方程來(lái)選擇:

2.2 頻壓轉(zhuǎn)換電路參數(shù)選擇

FVC電路主要有3個(gè)參數(shù)需要選擇，即積分電阻Rint、積分電容Cint、定時(shí)電容Cos。選擇參數(shù)之前，應(yīng)先確定最大及最小輸入頻率fmax、fmin，最大輸出電壓Vomax，要求的響應(yīng)時(shí)間tres及允許的電壓脈動(dòng)Vrip，而后計(jì)算如下，

定時(shí)電容:

積分電阻:

積分電容:

式中，N=6，如果輸出電壓脈動(dòng)太大，可以減小。

輸出電壓的脈動(dòng)Vrip可由下式得到:

其中，T=1/fin;R=Rint;C=Cint。

FVC電路的輸出電壓可由下式得到:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)接入直流母線(xiàn)電壓為200 V、開(kāi)關(guān)頻率為1.25 kHz的三相兩電平PWM整流器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試原理框圖如圖1所示，主要測(cè)試整流器A相和B相的輸入線(xiàn)電壓波形。測(cè)試波形如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 整流器開(kāi)關(guān)全關(guān)斷時(shí)的波形

圖4 整流器工作時(shí)整體SPWM波形

從圖3可以看出:隔離傳輸系統(tǒng)輸入電壓信號(hào)uin、霍爾電流傳感器輸出電壓信號(hào)uLEM、隔離傳輸系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)uo波形均為正弦波，系統(tǒng)輸出電壓uo波形對(duì)真實(shí)輸入電壓波形uin的跟蹤效果很好。uo波形有7.6 V的直流偏置，這在軟件中很容易處理，不會(huì)影響控制策略的實(shí)施。

圖4為整流器工作時(shí)整體SPWM的波形，圖5為整流器工作時(shí)局部SPWM放大的波形。從圖4和圖5可以看出:在輸入為SPWM波形情況下，隔離系統(tǒng)的跟蹤效果也很好。有一個(gè)不太理想的地方在于，2.5 kHz頻率下LEM輸出的波形已非標(biāo)準(zhǔn)方波，而是以一個(gè)斜坡信號(hào)與真實(shí)SPWM波的階躍信號(hào)相對(duì)應(yīng)。然后，隔離傳輸系統(tǒng)的輸出信號(hào)跟蹤這些斜坡信號(hào)，使得波形有微小失真。這是由電容積分效應(yīng)造成的。SPWM波經(jīng)隔離系統(tǒng)之后有大約20 μs的延時(shí)，這個(gè)延時(shí)可以通過(guò)軟件中的適當(dāng)算法予以補(bǔ)償或是其他處理得到解決，最終不會(huì)影響控制效果。

圖5 整流器工作時(shí)SPWM局部放大波形

4 結(jié)論

(1)輸出信號(hào)的延時(shí)主要是由FVC積分電容Cint的積分過(guò)程延時(shí)和RC濾波延時(shí)引起的。Cint越小，引起的延時(shí)越小，但輸出電壓脈動(dòng)會(huì)增加。低通濾波器參數(shù)RC乘積越小，引起的延時(shí)越小，但濾波效果會(huì)下降。

(2)采用基于壓頻轉(zhuǎn)換、光纖傳輸和頻壓轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行功率變換器模擬信號(hào)的隔離傳輸，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，信號(hào)在傳輸過(guò)程中有低于20 μs的延時(shí)，失真度小，線(xiàn)性度高，可靠性好，可用于電壓不超過(guò)±5 V、頻率不超過(guò)5 kHz的模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離隔離傳輸控制系統(tǒng)。

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