機器中使用的電機大小不一，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)動機車，對于需要能夠相當快地切換高電壓和電流的控制電路來說，這些電感負載會對其造成嚴重破壞。

檢測電機狀態(tài)時同樣如此。 例如，由于隨著驅(qū)動器波形切換極性和負載而形成的電動勢反沖，串聯(lián)式電流傳感器會承受巨大的尖峰和浪涌。 此外，這些電機感應(yīng)數(shù)據(jù)必須實時可靠，才能實現(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（及重電感負載）與驅(qū)動器和感應(yīng)電路隔離的技術(shù)。 這有助于保護通常敏感的模擬前端，它們在承受較高電壓時很容易被損壞。

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時間間隙

最簡單的隔離技術(shù)實際上是半隔離解決方案。 它基于這樣一個事實：當繼電器或接觸器處于打開位置時，會形成一個與電流回路串聯(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，當繼電器或接觸器切換到“接通”位置時，將不會發(fā)生電流隔離。 如果控制板與驅(qū)動電源一樣參考相同的接地，那么任何噪聲影響也會參考相同的接地。 這不僅使接地浪涌干擾控制電路，還會抵消在傳感器級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。 例如，由于隨著驅(qū)動器波形切換極性和負載而形成的電動勢反沖，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、傳感器和驅(qū)動器全部能夠以相互參考的方式有效浮動。 實際上，系統(tǒng)將在某一點（如地面）使用并參考一個主要接地。 但是，為了進行實際分析，它們均被隔離。

隔離選項

有幾種很好的技術(shù)和方法可幫助我們保護驅(qū)動器和感應(yīng)電路。 在設(shè)計階段使用的一種簡單方法就是，確保您的設(shè)計中存在滯后（圖 1）。 該時間窗可防止在使用絕對閾值時發(fā)生狀態(tài)振蕩。

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

一種經(jīng)驗證有效的常見技術(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，可進行級聯(lián)以使用低電平邏輯信號來控制非常高的功率水平。

此外，各種有用的輸出級（包括數(shù)字輸出、開集、達林頓復(fù)合晶體管、開漏、柵極驅(qū)動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，光電隔離是一種很好的技術(shù)，使各零件保持高達 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）。 請注意，在某種情況下，電壓會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行電弧放電。

另外，單個封裝中采用多個隔離器成為單獨控制三相電機的有效解決方案。 請注意，所有 LED 驅(qū)動器應(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驅(qū)動器來驅(qū)動三相電機的線圈，且不要使用第四個驅(qū)動器作為轉(zhuǎn)速計接回控制器。 請對轉(zhuǎn)速計使用單獨的光電隔離器。

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。 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 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 的配置中進行切換。 請注意，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)動和控制之外，還可用于隔離監(jiān)控電機速度、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)。 此時會變得有點困難，因為還會傳遞模擬信號，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)標準化和線性化，傳感器的值便會饋送到壓控振蕩器，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，而脈沖寬度對應(yīng)于標準化范圍內(nèi)的值。 PWM 的優(yōu)勢是每個樣本都可以表示一個讀數(shù)。 采用 VCO 方法，門控累加器的響應(yīng)時間會變得更慢，但卻具有使脈沖噪聲平均化的優(yōu)勢，因為一個損壞的讀數(shù)將僅存在一兩個錯誤。

線性光電隔離器不像數(shù)字光電隔離器那樣常見，但它們確實存在。 例如，Vishay IL300-F-X007 線性光電隔離器。 此零件使用兩個檢波二極管，一個位于輸出級，另一個可在驅(qū)動級的反饋環(huán)路中使用。 這允許使用運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）。 隨著輸入信號的增加，保持隔離時的輸出電流也會不斷增加。

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

證據(jù)表明，增強型勢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)計可提供相當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壘將輸入級與輸出級分離，并達到 7,000 V 峰值和 10000 V 的浪涌額定電壓，符合多種 VDE、UL 和 CSA 標準。

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

通過在電機相傳導(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。 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現(xiàn)隔離式電機電流檢測算法的主要候選對象，并提供 TMDXDOCK28377D 評估套件來幫助設(shè)計工程師。

總結(jié)

電機的使用數(shù)量是如此眾多，每一個設(shè)計都有自己的故事，但共同的需求是保護微控制器和傳感器接口遠離電機負載和狀況快速變化的危險。 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。