變速驅動(dòng)器廣泛用于各種應用，包括機器人和計算機數控(CNC)機器。安全一直以來(lái)都是大家非常關(guān)注的問(wèn)題，因為無(wú)論什么時(shí)候，這些與人類(lèi)息息相關(guān)的系統都會(huì )涉及到保持和運動(dòng)控制。
特性
實(shí)施符合 EN 61800-5-2 規定要求的安全制動(dòng)控制
保持制動(dòng)器額定電壓 24V、電流高達 2A，可通過(guò)獨立控制信號進(jìn)行控制
雙路開(kāi)關(guān)控制提高操作安全性
自診斷功能涵蓋開(kāi)路檢測和過(guò)流保護
高側開(kāi)關(guān)故障檢測
通過(guò)快速減小保持制動(dòng)器電流，快速應用保持制動(dòng)器
可選擇減小保持制動(dòng)器輸出電壓，從而降低功耗
應用
伺服驅動(dòng)器、機器人和CNC
制動(dòng)閘控制器
1.系統概述
自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中存在著(zhù)大量風(fēng)險因素，特別是垂直運動(dòng)情況下的重力，如果發(fā)生電源故障或制動(dòng)裝置失靈，后果將不堪設想。
下圖是系統方框圖：
該電路板通過(guò)兩個(gè)外部24V電源供電。MCU和數字隔離器的VCC1使用LMZ14201 SIMPLE SWITCHER⑧通過(guò)24V電源提供的3.3V輸出進(jìn)行供電。高側開(kāi)關(guān)和數字隔離器的VCC2使用TPS7B6933 LDO通過(guò)24V電源提供的3.3V輸出進(jìn)行供電。
該系統具有過(guò)載、短路和過(guò)熱保護，而且可以檢測開(kāi)路負載。TPS27S100的狀態(tài)輸出引腳會(huì )產(chǎn)生對應于開(kāi)路負載檢測以及短路和過(guò)熱保護的故障信號。系統會(huì )將該故障信號通過(guò)隔離器饋送至MCU。
來(lái)自制動(dòng)線(xiàn)圈的電壓反饋可用于監控意外接通，還可用于調整來(lái)自制動(dòng)線(xiàn)圈的電壓。您可以在ULN2003A低側開(kāi)關(guān)上選配PWM特性，以便控制制動(dòng)線(xiàn)圈的峰值和保持電流。
3.系統原理
（1）直流電壓輸入
本設計適用于在24V (+15)的直流電壓下運行。電路板上有兩個(gè)獨立的連接器，用于為初級側和次級側提供24V電源。J1是為初級側提供24V直流電壓的輸入連接器。
直流電壓可在連接器J2處施加到本參考設計上。TVS3300是在雙向配置內連接的33V精密鉗位器，可在高壓瞬態(tài)期間提供保護。電感器L1和電容器C8組成了功率濾波器。
（2）低功耗四通道數字隔離器
MCU通過(guò)IS07142數字隔離器發(fā)送控制信號，獨立地驅動(dòng)高側和低側開(kāi)關(guān)。此外，來(lái)自高側開(kāi)關(guān)的狀態(tài)引腳輸出(可提供故障狀態(tài)的診斷范圍)和來(lái)自制動(dòng)線(xiàn)圈的電壓反饋會(huì )通過(guò)數字隔離器反饋至MCU 。下圖顯示了IS07142的電路。
數字隔離器IS07142的原理圖和電路
VCCI引肚口上施加的是使用LMZ14201 SIMPLE SWITCHER生成的3.3V電壓。C12 (0.1 }F)用作VCCI引腳的局部去禍電容器。隔離器的EN1引腳連接至高電平，以啟用初級側中的輸出通道。
VCC2引腳上施加的是使用TPS7B6933 LDO生成的3.3V電壓。C13(0.1μF)用作VCC2引腳的局部去耦電容器。隔離器的EN2引腳連接至高電平，以啟用次級側中的輸出通道。
（3）高側開(kāi)關(guān)
使用TPS27S100作為高側開(kāi)關(guān)。下圖顯示了高側開(kāi)關(guān)的電路。
高側開(kāi)關(guān)TPS27S100電路的原理圖
該開(kāi)關(guān)通過(guò)24V外部電源供電。IN引腳是用于激活該開(kāi)關(guān)的控件。輸入信號由MCU提供。連接到CL引腳的電阻器會(huì )設置電流限值。
本設計旨在獲得2A的電流限值。用于設置該限值的電阻器值可通過(guò)下列公式計算得出:
使能引腳(DIAG_EN)永久連接到3.3V電源軌，以實(shí)現持續診斷監控。FLT引腳是開(kāi)漏診斷狀態(tài)輸出。電阻器R14是連接的上拉電阻器，用于獲取數字信號輸出。
FLT引腳會(huì )在檢測到過(guò)流、短路、熱關(guān)斷或開(kāi)路情況時(shí)變成低電平。輸出引腳通過(guò)連接器J5連接至制動(dòng)線(xiàn)圈的一端。R19和D4形成GND網(wǎng)絡(luò )，以保護器件免受反向電流的損害。連接電阻器R15, R16和R17則是為了在過(guò)流情況下為MCU提供保護。
（4）低側開(kāi)關(guān)
本參考設計使用ULN2003A作為低側開(kāi)關(guān)，這是一個(gè)高電流達林頓晶體管陣列。下圖顯示了低側開(kāi)關(guān)的電路。
低側開(kāi)關(guān)U L N2003A電路的原理圖
ULN2003A由7個(gè)達林頓晶體管對組成，每對都具有500mA的額定電流。所有晶體管對都是并聯(lián)的，因此可提供更高的電流。用于激活該開(kāi)關(guān)的輸入信號由MCU提供。系統通過(guò)連接器J5將該開(kāi)關(guān)的輸出提供給制動(dòng)線(xiàn)圈的另外一端。
（5）緩沖器電路
下圖顯示了跨過(guò)制動(dòng)線(xiàn)圈連接的緩沖器電路。開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，如果電流減少，線(xiàn)圈的電感就會(huì )產(chǎn)生反極性電壓，這會(huì )損壞開(kāi)關(guān)。
電阻器R20和R25均與通信二極管D3串連，它們又作為一個(gè)整體與制動(dòng)線(xiàn)圈并聯(lián)，以提高制動(dòng)線(xiàn)圈的退磁速度，從而保護開(kāi)關(guān)免受高反向電壓瞬態(tài)的影響。
（6）來(lái)自制動(dòng)線(xiàn)圈的電壓反饋
制動(dòng)線(xiàn)圈的電壓反饋取自低側開(kāi)關(guān)，而后會(huì )通過(guò)數字隔離器饋送至MCU。該反饋過(guò)程是為了監控輸出電壓并據此調整低側開(kāi)關(guān)的輸入PWM信號。
電阻分壓器用于將電壓從24V降低至3.3V，以將其饋送至MCU。下圖顯示了制動(dòng)器電壓反饋電路。
制動(dòng)器電壓反饋電路原理圖
（7）電源
1）使用LMZ14201生成3.3V電壓
LMZ14201是一個(gè)用于為初級側供電的降壓型直流/直流電源模塊。此器件通常用于將較高的直流電壓轉換為較低的直流電壓，最大輸出電流為1A。本設計使用LMZ14201將24V輸入電壓轉換為3.3V，從而為隔離器的初級側和MCU供電。下圖顯示了LMZ14201的電路。
使用LMZ14201生成3.3V電壓的原理圖
輸出電壓由VO和地而之間連接的兩個(gè)電阻器組成的分壓器決定。分壓器的中點(diǎn)連接至FB輸入端。FB電壓與0.8V內部基準進(jìn)行比較。在正常運行狀態(tài)下，當FB引腳上的電壓降至0.8V以下時(shí)，將啟動(dòng)接通時(shí)間周期。
主要的MOSFET接通時(shí)間周期會(huì )導致輸出電壓升高，并導致FB上的電壓超出0.8V。只要FB上的電壓高于0.8V，接通時(shí)間周期就不會(huì )出現。
穩壓輸出電壓由外部分壓電阻器R5和R4決定:
整理各項，可實(shí)現所需輸出電壓的兩個(gè)反饋電阻器的比值為:
所選電阻器的阻值必須在1.OkS2至1 O.OkS2范圍內。本參考設計使用3.32k的R5和1.07k的R4來(lái)生成3.3V的輸出電壓。
2）使用TPS7B6933生成3.3V電壓
次級側上的數字隔離器需要一個(gè)3.3V的電源來(lái)為其供電。因此，本設計中使用TPS7B6933將24V轉換為3.3V，從而為隔離器的次級側和高側開(kāi)關(guān)供申。下顯示了TPS7B6933的申路。
使用TPS7B6933生成3.3V電壓的原理圖
4.PCB概述
下圖是PCB的俯視圖。該圖中突出標示了高側和低側開(kāi)關(guān)。
PCB的俯視圖
PCB布局建議：
下圖分別顯示了隔離層和接地劃分。初級側和次級側銅軌通過(guò)隔離層彼此隔離。初級側和次級側之間保持著(zhù)4mm的銅軌間爬電距離。兩個(gè)20引腳連接器J3和J4相距20mm，可連接至C2000LaunchPad。電源平而被劃分為3.3V和24V平面。
接地平面分為兩個(gè)平面:GND1和GND2o GND1用作IS07142的初級側和LM 14201器件的接地。GND2用作IS07142的次級側、TPS27S100, ULN2003A和TPS7B6933器件的接地。
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