導讀：在諸多工業儀器設備中，都需要用到步進電機。實際應用中，需要檢測步進電機驅動系統中的運動，然后在開發的基于伺服電機的系統中啟動運動。因為這兩個系統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動系統中的運動，然后在開發的基于伺服電機的系統中啟動運動。因為這兩個系統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電機驅動器可以完成伺服電機系統的控制。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。曾考慮用電平觸發器，但是將連線或驅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。軟件觸發在步進電機系統中也是不可用的。
鑒于可重復性方面的考慮以及避免機械復雜性的愿望，電機驅動的電子檢測要優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驅動器輸入電路中LED狀態的電路如圖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)、觸發器(U2)和輸出比較器(U3)的電感耦合觸發電路。出于測試目的，用脈沖發生器和負載電阻(R1和R11)替代電機硬件。
實現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。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。通過偏移調整引腳5提供比較器U1的正反饋。正向U1輸出觸發D觸發器(U2A)。按鈕開關SW1用于在觸發事件之間完成對觸發器的手動復位。為了幫助確定按下此開關的時機，LED(D6)會指示觸發器的狀態。輸出比較器U3充當低側開關，用于控制EtherCAT電機系統中的光耦合LED。觸發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境中的誤觸發。這些扼流圈由鐵氧體分離式磁芯上的五匝RG-174組成。
為了模擬驅動系統連接并測量觸發時間響應，電路中用56歐姆電阻負載(R1)和B&K3011B脈沖發生器取代了步進電機和驅動器。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。使用電機驅動器的觸發可重復性在這里也得到了確認。
仿真系統的示波器觀察結果[圖2]顯示R1兩端的電壓為12V正向步長；它被用于觸發示波器。
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。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電路。
圖3：用于高頻觸發的手繞式(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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