利用电流互感器作为低成本非侵入式定时触发器

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在诸多工业仪器设备中,都需要用到步进电机。实际应用中,需要检测步进电机驱动系统中的运动,然后在开发的基于伺服电机的系统中启动运动。因为这两个系统都是模拟人类的呼吸运动,所以10毫秒的响应时间就足够了。使用光耦合方式连接进ParkerE therCAT电机驱动器可以完成伺服电机系统的控制。在最初的运动检测完成之后,可以采用手动方式复位运动检测器件。

几种方案被研究过。曾考虑用电平触发器,但是将连线或驱动电缆接入步进电机的方式对有些用户来说是不可接受的。软件触发在步进电机系统中也是不可用的。

鉴于可重复性方面的考虑以及避免机械复杂性的愿望,电机驱动的电子检测要优于光学或磁运动检测。在认识到带分离式铁芯的廉价电流检测互感器的特性后,我们选择了基于电感耦合的非侵入式触发检测方式来推进非侵入式方案的实施。NidecC-CT-6具有5kHz的高频截止频率和1:3000的匝数比,应该能够胜任这项任务。

用于检测步进电机电流并改变EtherCAT驱动器输入电路中LED状态的电路如图1所示。

 

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图1:采用了标准电流检测互感器(T1)、大负载电阻(R2)、输入比较器(U1)、触发器(U2)和输出比较器(U3)的电感耦合触发电路。出于测试目的,用脉冲发生器和负载电阻(R1和R11)替代电机硬件。

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C-CT-6电流互感器通常与10欧姆负载电阻一起用于提供初级电流的精确呈现。因为不关心幅度精度,所以选择了一个带有3.1V齐纳二极管限压器的大(33K)负载电阻器(R2)来改善时间响应性能,并避免烧掉比较器U1。图中还实现了电流互感器输出的全波整流(D1-4),通过消除极性影响来简化接口连接。

比较器U1用于比较整流器输出电压和RV1设置的阈值电压。通过偏移调整引脚5提供比较器U1的正反馈。正向U1输出触发D触发器(U2A)。按钮开关SW1用于在触发事件之间完成对触发器的手动复位。为了帮助确定按下此开关的时机,LED(D6)会指示触发器的状态。输出比较器U3充当低侧开关,用于控制EtherCAT电机系统中的光耦合LED。触发输入和输出电路中的共模扼流圈(FL1、FL2)可减少射频干扰并可防止在电噪声环境中的误触发。这些扼流圈由铁氧体分离式磁芯上的五匝RG-174组成。

为了模拟驱动系统连接并测量触发时间响应,电路中用56欧姆电阻负载(R1)和B&K3011B脉冲发生器取代了步进电机和驱动器。这样可在电流互感器(T1)中提供200mA的初级电流。连接EtherCAT驱动器的光隔离输入电路被2K欧姆电阻负载(R11)所取代。使用电机驱动器的触发可重复性在这里也得到了确认。

仿真系统的示波器观察结果[图2]显示R1两端的电压为12V正向步长;它被用于触发示波器。

 

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图2:这些示波器轨迹记录了测试期间的整流器输出噪声和斜率以及触发响应时间。通道1显示的是R1两端的电压,通道2显示的是整流器输出端的电压,通道3显示的是输入比较器的阈值,通道4显示的是U3输出。

图2还显示了比较器U1的输入,从中能清楚地看到整流器输出何时超过阈值电压。我们可以确信,电流互感器输出上升时间受次级线圈电容的限制。(Lee)所选的阈值电压要尽可能低,但要远高于本底噪声,以最大限度地减少误触发。在输入脉冲前沿后13us的地方,整流器输出电压超过0.25V的阈值。因比较器响应时间的缘故要再加1.2us。

该触发电路的响应时间为15us,超出了要求以及基于使用的电流互感器带宽规格的预期。在电流互感器输出电路中选用大负载电阻和二极管限压器,可以改善时间响应性能,代价是会降低幅度精度。

如图3所示,可以在要求更高的应用中使用电感耦合式触发电路。

 

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图3:用于高频触发的手绕式(10:1)铁氧体磁芯电流互感器的特性。通道1显示的是源自初级线圈的56欧姆电阻两端的电压。通道2显示的是33K负载电阻上的电流互感器输出电压。

将次级线圈减少到几匝,可以大大提高电流互感器的时间响应性能,进而减小次级电容容量。采用高磁导率铁氧体分离式磁芯,例如便宜的共模扼流磁芯,可进一步提高高频响应性能。为了降低插入损耗,可以用垫片调整分离式磁芯中的气隙,代价是会牺牲次级脉冲幅度。可以针对磁特性选择合适的磁芯材料来满足各种带宽要求。

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