利用電流變壓器作為低成本非侵入式定時觸發器
作者 : Jeff Radtke、William Ferris，EDN
實際應用中，需要檢測步進馬達驅動系統中的運動，然後在開發的基於伺服馬達的系統中啟動運動。使用光耦合方式連接進馬達驅動器可以完成伺服馬達系統的控制…
在諸多工業儀器設備中，都需要用到步進馬達。實際應用中，需要檢測步進馬達驅動系統中的運動，然後在開發的基於伺服馬達的系統中啟動運動。因為這兩個系統都是類比人類的呼吸運動，所以10毫秒(ms)的響應時間就足夠了。使用光耦合方式連接進ParkerE therCAT馬達驅動器可以完成伺服馬達系統的控制在最初的運動檢測完成之後，可以採用手動方式重定運動檢測元件。
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馬達的方式對有些使用者來說是不可接受的。軟體觸發在步進馬達系統中也是不可用的。
鑒於可重複性方面的考慮，以及避免機械複雜性的願望，馬達驅動的電子檢測要優於光學或磁運動。在認識到帶分離式鐵芯的低成本電流檢測變壓器的特性後，本文選擇了基於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作。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。
用於檢測步進馬達電流並改變EtherCAT驅動器輸入電路中LED狀態的電路如圖1所示。
圖1：採用了標準電流檢測變壓器(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。出於測試目的，用脈衝發生器和負載電阻(R1和R11)替代馬達硬體。
C-CT-6電流變壓器通常與10歐姆(Ω)負載電阻一起用於提供初級電流的精確呈現。因為不關心幅度精準性，所以選擇了一個具3.1V齊納二極體限壓器的大(33K)負載電阻(R2)來改善時間回應性能，並避免燒掉比較器U1。還實現了電流變壓器輸出的全波整流(D1-4)，透過消除極性影響來簡化介面連接。
比較器U1用於比較整流器輸出電壓和RV1設置的閾值電壓。透過偏移調整接腳5提供比較器U1的正回饋，正向U1輸出觸發D觸發器(U2A)。按鈕開關SW1用於在觸發事件之間完成對觸發器的手動復位。為了協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，用於控制EtherCAT馬達系統中的光耦合LED。觸發輸入和輸出電路中的共模扼流圈(FL1、FL2)可減少射頻干擾並可防止在電雜訊環境中的誤觸發，這些扼流圈由鐵氧體分離式磁芯上的五匝RG-174組成。
為了類比驅動系統連接並測量觸發時間回應，電路中用56歐姆電阻負載(R1)和B&K3011B脈衝發生器取代了步進馬達和驅動器。這樣可在電流變壓器(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，使用馬達驅動器的觸發可重複性在這裡也得到了確認。
模擬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；它被用於觸發示波器。
圖2：這些示波器軌跡記錄了測試期間的整流器輸出雜訊和斜率以及觸發回應時間。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。可以確信，電流變壓器輸出上升時間受次級線圈電容的限制。所選的閾值電壓要盡可能低，但要遠高於本底雜訊，以最大限度地減少誤觸發。在輸入脈衝前緣後13μs的地方，整流器輸出電壓超過0.25V的閾值，因比較器回應時間的緣故要再加1.2μs。
該觸發電路的回應時間為15μs，超出了要求，以及基於使用的電流變壓器頻寬規格的預期。在電流變壓器輸出電路中選用大負載電阻和二極體限壓器，可以改善時間回應性能，代價是會降低幅度精確度。
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：用於高頻觸發的手繞式(10:1)鐵氧體磁芯電流變壓器的特性。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負載電阻上的電流變壓器輸出電壓。
將次級線圈減少到幾匝，可以大大提高電流變壓器的時間回應性能，進而減少次級電容容量。採用高磁導率鐵氧體分離式磁芯，例如便宜的共模扼流磁芯，可進一步提高高頻回應性能。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衝幅度，可以針對磁特性選擇合適的磁芯材料來滿足各種頻寬要求。
(參考原文：Current transformer as inexpensive, non-invasive timing trigger，by Jeff Radtke、William Ferris)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年3月號
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