0引言

交流伺服系统控制的实质是电机电流的控制，要实现交流伺服系统的高精度、快响应等特性，必须对电流进行快速、精确的采样及检测。介绍专用于交流伺服电机电流采样的光电隔离放大器HCPL-,并对利用其设计电流采样及检测电路论述。

1芯片概述

HCPL-是Agilent(安捷伦)公司专门为检测电机电流设计的光电隔离放大器。DIP-8封装　　(HCPL-#为SOP-8),其结构框图如图1。管脚信号分别为原级电源输入(1、4)、原级采样信号输入(2、3)、次级电源输入(8、5)、次级差分信号输出(7、6),实时的电机电流通过一个外部采样电阻得到模拟电压，通过原级采样信号输入端进

入芯片，在次级得到一个差分的输出电压，该差分的输出电压正比于电机的电流。

图1HCPL-的结构框图

HCPL-的推荐原级、次级电源电压为4.5～5.5V,电流为8.8mA,要求隔离供电；输入信号电压为-～+mV,额定增益8倍，5%容差，0.1%非线性，-0.2mV输入偏移电压，能抵抗至少10kV/μs的共模干扰，绝缘耐压Vac*1min。

2外部连接

图2是电机电流采样、检测及传输的连接示意图，其输入取自电机任意两相的线电流，输出送到AD转换器件进行变换处理。

(1)电源供应

HCPL-的原级工作电源要求在4.5～5.5V之间，通常采用开关电源供电、DC-DC供电等模式；但为达到最好的工作效果，最好从功率开关器件　　(IPM、IGBT)的门极驱动电路的电源中获取，然后通过一个三端稳压器输出5V电压。为使电源稳定，要求在靠近芯片管脚处安放滤波电容，如图2中C1、C2。

HCPL-的次级工作电源要求在4.5～5.5V之间，通常可采用开关电源供电、DC-DC供电等模式，同样要求安放滤波电容，消除纹波及高频噪声，如图2中C4。

(2)采样电阻

采样电阻和HCPL-的连接如图2,采样电阻R1的正端连接到Vn+,采样电阻的负端连接到

Vm-,把实时的电机电流转化为模拟电压输入芯片；

同时Vm和GND1连接，把供电电源的返回路径又

作为采样线连接到采样电阻的负端，因为电机在工作时有很大的电流流过采样线路，电路中的寄生电感会产生很大的电流尖峰，而此种连接能把这些暂态噪声视为共模信号，不会对采样电流信号形成干扰；另外，为消除采样电流输入信号中的高频噪声，采样电阻上采集到的电压信号必须经过由R2及C3组成的低通滤波器进入芯片。

采样电阻的选取是根据伺服驱动器的功率范围，选择合适的阻值。采样电阻较大，可使用HCPL-的整个输入范围，从而提高采样电路的准确性，但是过大的阻值也会带来问题：一方面可采集的电流范围太小，不能发挥出功率器件的最大输出能力；另一方面较大的阻值会使采样电阻上功率损耗比较大，带来严重的发热问题，从而影响电阻的精度和温升系数的非线性，甚至烧毁采样电阻；反之，采样电阻较小，虽然可以提高采样电路的采样能力，采集到较大的电机电流，但过小的采样电阻会使得采样电阻上输出电压减小，从而使得误差偏移量和干扰噪声在信号幅度中所占比重过大，降低采样精度。因此，采样电阻的计算一般是用推荐的输入电压除以正常工作情况下流经采样电阻的峰值电流，然后再乘以一个0.8～0.9的裕量系数。

为提高采样电路的快速性和灵敏性，要求采样

电阻具有较小的电感值。较小的温度系数，可避免电阻发热影响采样精度；为提高采样电阻的精度及分散功率损耗减少发热，可考虑把几个精密采样电阻并联或串联以抵消阻值的正负误差来提高精度。

(3)输出放大

经由采样电路采样到的电机电流信号通过AD转换芯片或者数字信号处理芯片内部AD转换模块转换成数字信号，在数字信号处理芯片中进行控制及算法处理。但因为HCPL-的输出信号是-1.6～+1.6V的差分电压信号，而AD转换部分通常要求输入信号是满足0～5V(或者0～3.3V)范围的单端信号，需要对采样到的差分电压信号进行偏置放大，转换成符合AD输入范围的信号。图2即是以接入参考电压为2.56V的0～5VAD转换器件。

TLV是4路5V单电源运放，偏置电压及增益电阻的取值主要是依据运算放大器的工作原理

及输入、输出信号的范围。为了让运算放大器起到

差分放大的作用，必须要求R3=R4,R5=R6;同

时为了让2点、3点的对地阻抗相同，以最大限度减少基极偏置电流所起的失调，根据经验以及运算放大器对基极偏置电流的要求，可以选择R3=R4=10kΩ;根据差分放大器的正常工作时的“虚短”及"虚断"原则，可得以下方程式：

根据运放的输入、输出范围及AD器件的参考电压值，可选取R5=15kΩ,使采样电流最大额度的对称分布在AD输入范围；可以选取Vref=2.56V,尽量消除HCPL-输出差分电压信号共模干扰；为保证放大电路的精度，R3、R4、R5、R6必须选用精密电阻。

图2中R7主要起限制电流作用，同时还可以隔离运放和后级电路避免相互串扰。C5、C6主要起频率匹配、低通滤波作用，消除高频噪声的干扰，但滤波频率的选择一定要综合考虑伺服驱动器的电流环工作频率，满足“香农定律”的要求。

3排版布局

各电源的滤波电容应该尽量靠近芯片电源输入引脚，避免电源中毛刺、噪声对芯片工作的影响；如果采用功率开关管的门级驱动电路的电源给采样电路提供电源，为消除地环对电路精度的影响，HCPL-的电源正极(1脚)应该是采样电路和门级驱动电路的唯一连接通路，而从三端稳压器到

HCPL-的电源负极(4脚)、再到采样电阻负极应该是门级驱动电流的唯一回路(实际应用中最好“铺地”处理);具体布局走线见图3。

图3HCPL-外围电路布局示意图

图4TLV外围电路布局示意图

表1外部输入输出信号与PLC寄存器的对应关系

(3)人机界面与PLC寄存器的通信联系对应关系，如表2。

采样输出差分信号(Vu+、Vu)必须靠近并

排走线，尽量做到等长，用地线进行“包裹”走线，以增强抗干扰能力，减少传输损耗；在偏置放大电路中，各增益电阻要求靠近芯片引脚布局，使模拟电路紧凑合理，以提高电路抗干扰能力，提高电路精度。具体布局走线见图4(C7在印制板另一面)。