導(dǎo)讀：在諸多工業(yè)儀器設(shè)備中，都需要用到步進(jìn)電機(jī)。實(shí)際應(yīng)用中，需要檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)，然后在開發(fā)的基于伺服電機(jī)的系統(tǒng)中啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)都是模擬人類的呼吸運(yùn)動(dòng)，所以10毫秒的響應(yīng)時(shí)間就足夠了。
本文介紹了電機(jī)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的限制，并介紹了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)-電感耦合觸發(fā)電路，可以通過選擇合適的磁芯材料來滿足各種帶寬要求。
在諸多工業(yè)儀器設(shè)備中，都需要用到步進(jìn)電機(jī)。實(shí)際應(yīng)用中，需要檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)，然后在開發(fā)的基于伺服電機(jī)的系統(tǒng)中啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)都是模擬人類的呼吸運(yùn)動(dòng)，所以10毫秒的響應(yīng)時(shí)間就足夠了。使用光耦合方式連接進(jìn)ParkerE therCAT電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以完成伺服電機(jī)系統(tǒng)的控制。在最初的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)完成之后，可以采用手動(dòng)方式復(fù)位運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器件。
幾種方案被研究過。曾考慮用電平觸發(fā)器，但是將連線或驅(qū)動(dòng)電纜接入步進(jìn)電機(jī)的方式對(duì)有些用戶來說是不可接受的。軟件觸發(fā)在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中也是不可用的。
鑒于可重復(fù)性方面的考慮以及避免機(jī)械復(fù)雜性的愿望，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子檢測(cè)要優(yōu)于光學(xué)或磁運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。在認(rèn)識(shí)到帶分離式鐵芯的廉價(jià)電流檢測(cè)互感器的特性后，我們選擇了基于電感耦合的非侵入式觸發(fā)檢測(cè)方式來推進(jìn)非侵入式方案的實(shí)施。NidecC-CT-6具有5kHz的高頻截止頻率和1:3000的匝數(shù)比，應(yīng)該能夠勝任這項(xiàng)任務(wù)。
用于檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)電流并改變EtherCAT驅(qū)動(dòng)器輸入電路中LED狀態(tài)的電路如圖1所示。
圖1：采用了標(biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)互感器(T1)、大負(fù)載電阻(R2)、輸入比較器(U1)、觸發(fā)器(U2)和輸出比較器(U3)的電感耦合觸發(fā)電路。出于測(cè)試目的，用脈沖發(fā)生器和負(fù)載電阻(R1和R11)替代電機(jī)硬件。
實(shí)現(xiàn)讓工程界驚嘆的獨(dú)特設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)理念遵從指南
C-CT-6電流互感器通常與10歐姆負(fù)載電阻一起用于提供初級(jí)電流的精確呈現(xiàn)。因?yàn)椴魂P(guān)心幅度精度，所以選擇了一個(gè)帶有3.1V齊納二極管限壓器的大(33K)負(fù)載電阻器(R2)來改善時(shí)間響應(yīng)性能，并避免燒掉比較器U1。圖中還實(shí)現(xiàn)了電流互感器輸出的全波整流(D1-4)，通過消除極性影響來簡(jiǎn)化接口連接。
比較器U1用于比較整流器輸出電壓和RV1設(shè)置的閾值電壓。通過偏移調(diào)整引腳5提供比較器U1的正反饋。正向U1輸出觸發(fā)D觸發(fā)器(U2A)。按鈕開關(guān)SW1用于在觸發(fā)事件之間完成對(duì)觸發(fā)器的手動(dòng)復(fù)位。為了幫助確定按下此開關(guān)的時(shí)機(jī)，LED(D6)會(huì)指示觸發(fā)器的狀態(tài)。輸出比較器U3充當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)，用于控制EtherCAT電機(jī)系統(tǒng)中的光耦合LED。觸發(fā)輸入和輸出電路中的共模扼流圈(FL1、FL2)可減少射頻干擾并可防止在電噪聲環(huán)境中的誤觸發(fā)。這些扼流圈由鐵氧體分離式磁芯上的五匝RG-174組成。
為了模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接并測(cè)量觸發(fā)時(shí)間響應(yīng)，電路中用56歐姆電阻負(fù)載(R1)和B&K3011B脈沖發(fā)生器取代了步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。這樣可在電流互感器(T1)中提供200mA的初級(jí)電流。連接EtherCAT驅(qū)動(dòng)器的光隔離輸入電路被2K歐姆電阻負(fù)載(R11)所取代。使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)可重復(fù)性在這里也得到了確認(rèn)。
仿真系統(tǒng)的示波器觀察結(jié)果[圖2]顯示R1兩端的電壓為12V正向步長(zhǎng)；它被用于觸發(fā)示波器。
圖2：這些示波器軌跡記錄了測(cè)試期間的整流器輸出噪聲和斜率以及觸發(fā)響應(yīng)時(shí)間。通道1顯示的是R1兩端的電壓，通道2顯示的是整流器輸出端的電壓，通道3顯示的是輸入比較器的閾值，通道4顯示的是U3輸出。
圖2還顯示了比較器U1的輸入，從中能清楚地看到整流器輸出何時(shí)超過閾值電壓。我們可以確信，電流互感器輸出上升時(shí)間受次級(jí)線圈電容的限制。(Lee)所選的閾值電壓要盡可能低，但要遠(yuǎn)高于本底噪聲，以最大限度地減少誤觸發(fā)。在輸入脈沖前沿后13us的地方，整流器輸出電壓超過0.25V的閾值。因比較器響應(yīng)時(shí)間的緣故要再加1.2us。
該觸發(fā)電路的響應(yīng)時(shí)間為15us，超出了要求以及基于使用的電流互感器帶寬規(guī)格的預(yù)期。在電流互感器輸出電路中選用大負(fù)載電阻和二極管限壓器，可以改善時(shí)間響應(yīng)性能，代價(jià)是會(huì)降低幅度精度。
如圖3所示，可以在要求更高的應(yīng)用中使用電感耦合式觸發(fā)電路。
圖3：用于高頻觸發(fā)的手繞式(10:1)鐵氧體磁芯電流互感器的特性。通道1顯示的是源自初級(jí)線圈的56歐姆電阻兩端的電壓。通道2顯示的是33K負(fù)載電阻上的電流互感器輸出電壓。
將次級(jí)線圈減少到幾匝，可以大大提高電流互感器的時(shí)間響應(yīng)性能，進(jìn)而減小次級(jí)電容容量。采用高磁導(dǎo)率鐵氧體分離式磁芯，例如便宜的共模扼流磁芯，可進(jìn)一步提高高頻響應(yīng)性能。為了降低插入損耗，可以用墊片調(diào)整分離式磁芯中的氣隙，代價(jià)是會(huì)犧牲次級(jí)脈沖幅度。可以針對(duì)磁特性選擇合適的磁芯材料來滿足各種帶寬要求。
（來源：EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)，作者：JEFF RADTKE，WILLIAM FERRIS）
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