脉宽调制整流器中模拟信号的远距离隔离传输

朱艺锋

(河南理工大学电气学院，河南 焦作454003)

0 引言

在计算机测控系统中，计算机与被控对象往往有一定距离，电磁干扰不可避免地要混入连接导线[1-2］，快速准确地捕捉现场参数是进行有效控制的基础。特别在像磁悬浮列车那样控制对象和控制系统远距离分离的场合，需要将传感器转换后的模拟信号传输到控制中心进行模数(AD)转换后再送到控制器进行处理[3］。为了消除这些干扰，除了合理地处理接地问题外[4］，还必须使输入电路与输出电路彼此隔离，并对信号进行远距离传输[5］。模拟信号隔离传输的方法分为直接隔离法[6-7］和间接隔离法[8-9］，其中，直接隔离法包括变压器隔离法和光电隔离法，间接隔离法包括隔离放大器法和调制解调法。直接隔离法原理简单但是传输距离短，调制解调法传输距离长但传输精度低。相比而言，采用压频转换器，以频率形式传输模拟信号是远距离传输模拟信号而又不损失精度的最好解决方法[10］。但文献[1-10］都没有对模拟信号的远距离隔离传输进行系统的实验研究，仅限于理论分析，对于隔离传输的具体性能没有论述。本文利用AD650构成压频和频压转换电路，先将模拟信号转换成±5 V，后经压频转换线性变成一定频率的方波脉冲列，经光纤传输到远处的控制中心，接着再将脉冲列送入频压转换电路还原成电压信号，最终送入模数转换(ADC)芯片转换成数字信号送入控制器进行处理。通过详细的实验研究，深入分析该系统的工作性能。

1 系统构成及工作原理

图1为模拟信号远距离隔离传输系统框图。功率变流器的模拟信号远距离隔离传输系统主要由4个部分组成，即电压采样、压频转换(VFC)、光纤传输和频压转换(FVC)。电压采样部分完成从功率变换器如PWM整流器上取出整流器输入侧线电压信号，经电流霍尔传感器(LEM)变换和电阻采样后得到±5 V的正弦脉宽调制(SPWM)信号波，而后作为输入信号送到压频转换部分。在压频转换中，将输入电压信号线性变换成一定频率(几十到几百kHz)的方波脉冲列，而后传到光纤传输部分。在光纤传输部分，电脉冲信号变成光信号进行高速远距离传输，送到位于控制中心的频压转换部分。频压转换部分将脉冲列还原成电压信号。该电压信号会有微小程度的电压脉动，可以加装阻容(RC)低通滤波器予以改善。滤波器输出的模拟信号最终送入ADC芯片转换成数字信号并送入控制器进行处理。高频的脉冲列相当于高频率的数字信号，和光纤传输一样，都有高抗干扰、高抗衰减性能。大功率环境下，对电压采样和压频转换部分，以及开关电源部分，用屏蔽罩进行屏蔽。压频转换原理可描述如下:输入电压信号经输入电阻变为电流信号，经积分器对积分电容充电，同时电容电压值和内部的基准电压进行比较，一旦到达阀值，内部开关断开积分回路，变为内部恒流源对电容的反向积分，仍与阀值电压比较，直到基准电压大小时再次重复上述过程，与此同时输出脉冲列，从而实现压频转换。电压越大，脉冲列频率越高。频压转换的原理与此类似。

图1 模拟信号远距离隔离传输系统框图

2 系统参数计算及分析

目前，压频转换核心芯片很多。一般从功能、频率范围、转换线性度方面进行选择，本设计要求工作频率高、线性度好，输入电压范围宽，据此选用美国AD公司的高性能压频转换器件AD650。AD650电路既能用作电压频率转换器，又可用作频率电压转换器。图2给出了模拟信号远距离隔离传输原理接线图。

图2 模拟信号远距离隔离传输原理接线图

2.1 压频转换电路参数选择

VFC电路主要有3个参数需要选择，即输入电阻Rin、积分电容Cin、定时电容Co。输入电阻Rin会限制输入电压范围，一般输入电流不超过1 mA，有:

输入电阻Rin和积分电容Cin决定了满度频率。一般说来，Co越高，输入电流越小(Rin越大)，线性度越好，满刻度频率也越低。可以根据文献[6］来选择满刻度频率所要求的Rin和Co。Rin确定之后，并给定期望的满刻度频率，则定时电容Co的大小也就确定了。积分电容Cin可以通过下面方程来选择:

2.2 频压转换电路参数选择

FVC电路主要有3个参数需要选择，即积分电阻Rint、积分电容Cint、定时电容Cos。选择参数之前，应先确定最大及最小输入频率fmax、fmin，最大输出电压Vomax，要求的响应时间tres及允许的电压脉动Vrip，而后计算如下，

定时电容:

积分电阻:

积分电容:

式中，N=6，如果输出电压脉动太大，可以减小。

输出电压的脉动Vrip可由下式得到:

其中，T=1/fin;R=Rint;C=Cint。

FVC电路的输出电压可由下式得到:

3 实验结果

将本模拟信号隔离传输系统接入直流母线电压为200 V、开关频率为1.25 kHz的三相两电平PWM整流器系统进行测试，测试原理框图如图1所示，主要测试整流器A相和B相的输入线电压波形。测试波形如图3、图4和图5所示。

图3 整流器开关全关断时的波形

图4 整流器工作时整体SPWM波形

从图3可以看出:隔离传输系统输入电压信号uin、霍尔电流传感器输出电压信号uLEM、隔离传输系统输出电压信号uo波形均为正弦波，系统输出电压uo波形对真实输入电压波形uin的跟踪效果很好。uo波形有7.6 V的直流偏置，这在软件中很容易处理，不会影响控制策略的实施。

图4为整流器工作时整体SPWM的波形，图5为整流器工作时局部SPWM放大的波形。从图4和图5可以看出:在输入为SPWM波形情况下，隔离系统的跟踪效果也很好。有一个不太理想的地方在于，2.5 kHz频率下LEM输出的波形已非标准方波，而是以一个斜坡信号与真实SPWM波的阶跃信号相对应。然后，隔离传输系统的输出信号跟踪这些斜坡信号，使得波形有微小失真。这是由电容积分效应造成的。SPWM波经隔离系统之后有大约20 μs的延时，这个延时可以通过软件中的适当算法予以补偿或是其他处理得到解决，最终不会影响控制效果。

图5 整流器工作时SPWM局部放大波形

4 结论

(1)输出信号的延时主要是由FVC积分电容Cint的积分过程延时和RC滤波延时引起的。Cint越小，引起的延时越小，但输出电压脉动会增加。低通滤波器参数RC乘积越小，引起的延时越小，但滤波效果会下降。

(2)采用基于压频转换、光纤传输和频压转换的方法进行功率变换器模拟信号的隔离传输，具有很强的抗干扰能力，信号在传输过程中有低于20 μs的延时，失真度小，线性度高，可靠性好，可用于电压不超过±5 V、频率不超过5 kHz的模拟信号的远距离隔离传输控制系统。

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