導讀：在諸多工業(yè)儀器設備中，都需要用到步進電機。實際應用中，需要檢測步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中的運動，然后在開發(fā)的基于伺服電機的系統(tǒng)中啟動運動。因為這兩個系統(tǒng)都是模擬人類的呼吸運動，所以10毫秒的響應時間就足夠了。
本文介紹了電機運動檢測的限制，并介紹了一種獨特的設計-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)儀器設備中，都需要用到步進電機。實際應用中，需要檢測步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中的運動，然后在開發(fā)的基于伺服電機的系統(tǒng)中啟動運動。因為這兩個系統(tǒng)都是模擬人類的呼吸運動，所以10毫秒的響應時間就足夠了。使用光耦合方式連接進ParkerE therCAT電機驅(qū)動器可以完成伺服電機系統(tǒng)的控制。在最初的運動檢測完成之后，可以采用手動方式復位運動檢測器件。
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)動電纜接入步進電機的方式對有些用戶來說是不可接受的。軟件觸發(fā)在步進電機系統(tǒng)中也是不可用的。
鑒于可重復性方面的考慮以及避免機械復雜性的愿望，電機驅(qū)動的電子檢測要優(yōu)于光學或磁運動檢測。在認識到帶分離式鐵芯的廉價電流檢測互感器的特性后，我們選擇了基于電感耦合的非侵入式觸發(fā)檢測方式來推進非侵入式方案的實施。NidecC-CT-6具有5kHz的高頻截止頻率和1:3000的匝數(shù)比，應該能夠勝任這項任務。
用于檢測步進電機電流并改變EtherCAT驅(qū)動器輸入電路中LED狀態(tài)的電路如圖1所示。
圖1：采用了標準電流檢測互感器(T1)、大負載電阻(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。出于測試目的，用脈沖發(fā)生器和負載電阻(R1和R11)替代電機硬件。
實現(xiàn)讓工程界驚嘆的獨特設計：設計理念遵從指南
C-CT-6電流互感器通常與10歐姆負載電阻一起用于提供初級電流的精確呈現(xiàn)。因為不關心幅度精度，所以選擇了一個帶有3.1V齊納二極管限壓器的大(33K)負載電阻器(R2)來改善時間響應性能，并避免燒掉比較器U1。圖中還實現(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化接口連接。
比較器U1用于比較整流器輸出電壓和RV1設置的閾值電壓。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SW1用于在觸發(fā)事件之間完成對觸發(fā)器的手動復位。為了幫助確定按下此開關的時機，LED(D6)會指示觸發(fā)器的狀態(tài)。輸出比較器U3充當?shù)蛡?cè)開關，用于控制EtherCAT電機系統(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)動系統(tǒng)連接并測量觸發(fā)時間響應，電路中用56歐姆電阻負載(R1)和B&K3011B脈沖發(fā)生器取代了步進電機和驅(qū)動器。這樣可在電流互感器(T1)中提供200mA的初級電流。連接EtherCAT驅(qū)動器的光隔離輸入電路被2K歐姆電阻負載(R11)所取代。使用電機驅(qū)動器的觸發(fā)可重復性在這里也得到了確認。
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；它被用于觸發(fā)示波器。
圖2：這些示波器軌跡記錄了測試期間的整流器輸出噪聲和斜率以及觸發(fā)響應時間。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超過閾值電壓。我們可以確信，電流互感器輸出上升時間受次級線圈電容的限制。(Lee)所選的閾值電壓要盡可能低，但要遠高于本底噪聲，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。因比較器響應時間的緣故要再加1.2us。
該觸發(fā)電路的響應時間為15us，超出了要求以及基于使用的電流互感器帶寬規(guī)格的預期。在電流互感器輸出電路中選用大負載電阻和二極管限壓器，可以改善時間響應性能，代價是會降低幅度精度。
如圖3所示，可以在要求更高的應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顯示的是源自初級線圈的56歐姆電阻兩端的電壓。通道2顯示的是33K負載電阻上的電流互感器輸出電壓。
將次級線圈減少到幾匝，可以大大提高電流互感器的時間響應性能，進而減小次級電容容量。采用高磁導率鐵氧體分離式磁芯，例如便宜的共模扼流磁芯，可進一步提高高頻響應性能。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，代價是會犧牲次級脈沖幅度。可以針對磁特性選擇合適的磁芯材料來滿足各種帶寬要求。
（來源：EDN電子技術設計，作者：JEFF RADTKE，WILLIAM FERRIS）
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