變速驅(qū)動(dòng)器廣泛用于各種應(yīng)用，包括機(jī)器人和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)器。安全一直以來(lái)都是大家非常關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)闊o(wú)論什么時(shí)候，這些與人類(lèi)息息相關(guān)的系統(tǒng)都會(huì)涉及到保持和運(yùn)動(dòng)控制。TI新近開(kāi)發(fā)的具有內(nèi)置安全相關(guān)特性的驅(qū)動(dòng)器摒棄了傳統(tǒng)的控制方法，無(wú)需再使用停機(jī)和轉(zhuǎn)速監(jiān)控器、限位開(kāi)關(guān)、位置攝像頭和接觸器等，這大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

本設(shè)計(jì)提供雙通道輸出信號(hào)控制外部保持制動(dòng)器，從而可遵循 IEC EN 61800-5-2 實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的安全制動(dòng)控制功能。當(dāng)電源切斷時(shí)，保持制動(dòng)器將鎖定，當(dāng)在線(xiàn)圈上施加電壓時(shí)，保持制動(dòng)器將釋放。這是通過(guò)啟用/禁用為線(xiàn)圈供電的智能電子負(fù)載開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的。該參考設(shè)計(jì)還具有診斷功能，可檢測(cè)多種故障，確保安全操作。TIDA-01600 使用 C2000Launchpad 生成制動(dòng)控制信號(hào)并執(zhí)行診斷功能。

特性

實(shí)施符合 EN 61800-5-2 規(guī)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(dá) 2A，可通過(guò)獨(dú)立控制信號(hào)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(cè)和過(guò)流保護(hù)

高側(cè)開(kāi)關(guān)故障檢測(cè)

通過(guò)快速減小保持制動(dòng)器電流，快速應(yīng)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(yīng)用

伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人和CNC

制動(dòng)閘控制器

1系統(tǒng)概述

自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中存在著大量風(fēng)險(xiǎn)因素，特別是垂直運(yùn)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(shè)想?！鞍踩苿?dòng)控制”(SBC)功能可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的安全控制，從而防止吊掛荷載掉落。在CNC機(jī)器中，SBC可防止由于外力作用而發(fā)生移動(dòng)。

SBC符合變速驅(qū)動(dòng)器的EN 61800-5-2: 2007功能安全標(biāo)準(zhǔn)。SBC會(huì)提供安全的輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)外部機(jī)械制動(dòng)器。所使用的制動(dòng)器必須是安全制動(dòng)器，其靜態(tài)電流用于對(duì)抗彈簧的作用力。如果電流中斷，則制動(dòng)器嚙合?？刂颇K通常具有降功特性，可在制動(dòng)器松脫后減少能耗或制動(dòng)器發(fā)熱。具有吊掛荷載的軸上通常會(huì)使用保持制動(dòng)器和行車(chē)制動(dòng)器。SBC功能通常用于控制保持制動(dòng)器，且會(huì)在軸停止時(shí)立即激活。

本參考設(shè)計(jì)為額定電流最高為2A的保持制動(dòng)器實(shí)施了SBC功能。本設(shè)計(jì)將TPS27S100用作高側(cè)智能開(kāi)關(guān)，將ULN2003A用作低側(cè)開(kāi)關(guān)。我們實(shí)施了雙開(kāi)關(guān)控制來(lái)確保制動(dòng)器的安全運(yùn)行。通過(guò)數(shù)字隔離器IS07142將制動(dòng)器控制信號(hào)與控制器隔離。通過(guò)TPS27S100，本設(shè)計(jì)可以在制動(dòng)器輸出上檢測(cè)開(kāi)路和短路情況，從而提高系統(tǒng)的安全性。低側(cè)開(kāi)關(guān)上的PWM會(huì)減小制動(dòng)線(xiàn)圈的輸出電壓，從而減少制動(dòng)器通電時(shí)的功耗。負(fù)載開(kāi)關(guān)消除了離散元件，提高了系統(tǒng)的可靠性。下圖是本參考設(shè)計(jì)的方框圖和系統(tǒng)規(guī)格.

方框圖

系統(tǒng)規(guī)格

2系統(tǒng)方框圖

本設(shè)計(jì)提供了一種在伺服驅(qū)動(dòng)器中實(shí)施SBC的參考解決方案。SBC功能可提供安全輸出信號(hào)，來(lái)控制外部制動(dòng)器。它可以控制額定電流最高為2A的保持制動(dòng)器。本設(shè)計(jì)的主要部件包括IS07142數(shù)字隔離器、高側(cè)智能開(kāi)關(guān)TPS27S100和低側(cè)開(kāi)關(guān)ULN2003A。制動(dòng)線(xiàn)圈連接在這兩個(gè)開(kāi)關(guān)之間。微控制器(MCU)產(chǎn)生的數(shù)字輸入信號(hào)會(huì)通過(guò)數(shù)字隔離器打開(kāi)和關(guān)閉這些開(kāi)關(guān)。

該電路板通過(guò)兩個(gè)外部24V電源供電。MCU和數(shù)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(cè)開(kāi)關(guān)和數(shù)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(tǒng)具有過(guò)載、短路和過(guò)熱保護(hù)，而且可以檢測(cè)開(kāi)路負(fù)載。TPS27S100的狀態(tài)輸出引腳會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于開(kāi)路負(fù)載檢測(cè)以及短路和過(guò)熱保護(hù)的故障信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)將該故障信號(hào)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(jiān)控意外接通，還可用于調(diào)整來(lái)自制動(dòng)線(xiàn)圈的電壓。您可以在ULN2003A低側(cè)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。

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核心器件

（1）IS07142CC

IS07142CC是一款四通道隔離器，其中正反向通道各兩個(gè)。IS07142CC可針對(duì)最高2500VRMs的電壓提供1分鐘的電隔離(UL標(biāo)準(zhǔn))，以及提供4242V的峰值電壓電隔離(VDE標(biāo)準(zhǔn))。

（2）TPS27S100

TPS27S100是一款受到全而保護(hù)的單通道高側(cè)開(kāi)關(guān)，具有集成式NMOS和電荷泵。

（3）U LN2003A

ULN2003A器件是一個(gè)高電壓、高電流達(dá)靈頓晶體管陣列。

（4）LMZ14201

LMZ14201 SIMPLE SWITCHER電源模塊是一款易于使用的降壓直流/直流解決方案，可驅(qū)動(dòng)最高1A的負(fù)載，并具有出色的電源轉(zhuǎn)換效率、線(xiàn)路和負(fù)載調(diào)節(jié)以及輸出精度。

（5）TPS7B6933

TPS7B6933-Q1高電壓線(xiàn)性穩(wěn)壓器可在4V至40V的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。

（6）TVS3300

TVS3300是一種單向精密浪涌保護(hù)鉗位器，工作電壓為33V，專(zhuān)門(mén)為保護(hù)工業(yè)、通信和工廠(chǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用中電壓軌的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

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系統(tǒng)原理圖

（1）直流電壓輸入

本設(shè)計(jì)適用于在24V (+15)的直流電壓下運(yùn)行。電路板上有兩個(gè)獨(dú)立的連接器，用于為初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)提供24V電源。J1是為初級(jí)側(cè)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(shè)計(jì)上。TVS3300是在雙向配置內(nèi)連接的33V精密鉗位器，可在高壓瞬態(tài)期間提供保護(hù)。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(shù)字隔離器

MCU通過(guò)IS07142數(shù)字隔離器發(fā)送控制信號(hào)，獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)。此外，來(lái)自高側(cè)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(shù)字隔離器反饋至MCU 。下圖顯示了IS07142的電路。

數(shù)字隔離器IS07142的原理圖和電路

VCCI引腳上施加的是使用LMZ14201 SIMPLE SWITCHER生成的3.3V電壓。C12 (0.1μF)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(jí)側(cè)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(jí)側(cè)中的輸出通道。

（3）高側(cè)開(kāi)關(guān)

使用TPS27S100作為高側(cè)開(kāi)關(guān)。下圖顯示了高側(cè)開(kāi)關(guān)的電路。

高側(cè)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(hào)由MCU提供。連接到CL引腳的電阻器會(huì)設(shè)置電流限值。本設(shè)計(jì)旨在獲得2A的電流限值。用于設(shè)置該限值的電阻器值可通過(guò)下列公式計(jì)算得出:

使能引腳(DIAG_EN)永久連接到3.3V電源軌，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)診斷監(jiān)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(shù)字信號(hào)輸出。FLT引腳會(huì)在檢測(cè)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(hù)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(hù)。

（4）低側(cè)開(kāi)關(guān)

本參考設(shè)計(jì)使用ULN2003A作為低側(cè)開(kāi)關(guān)，這是一個(gè)高電流達(dá)林頓晶體管陣列。下圖顯示了低側(cè)開(kāi)關(guān)的電路。

低側(cè)開(kāi)關(guān)U L N2003A電路的原理圖

ULN2003A由7個(gè)達(dá)林頓晶體管對(duì)組成，每對(duì)都具有500mA的額定電流。所有晶體管對(duì)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(hào)由MCU提供。系統(tǒng)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(hù)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(cè)開(kāi)關(guān)，而后會(huì)通過(guò)數(shù)字隔離器饋送至MCU。該反饋過(guò)程是為了監(jiān)控輸出電壓并據(jù)此調(diào)整低側(cè)開(kāi)關(guān)的輸入PWM信號(hào)。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(jí)側(cè)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(zhuǎn)換為較低的直流電壓，最大輸出電流為1A。本設(shè)計(jì)使用LMZ14201將24V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，從而為隔離器的初級(jí)側(cè)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(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行比較。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)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(dǎo)致輸出電壓升高，并導(dǎo)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(xiàn)。

穩(wěn)壓輸出電壓由外部分壓電阻器R5和R4決定:

整理各項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)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(nèi)。本參考設(shè)計(jì)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(jí)側(cè)上的數(shù)字隔離器需要一個(gè)3.3V的電源來(lái)為其供電。因此，本設(shè)計(jì)中使用TPS7B6933將24V轉(zhuǎn)換為3.3V，從而為隔離器的次級(jí)側(cè)和高側(cè)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

5PCB布局

下圖是PCB的俯視圖。該圖中突出標(biāo)示了高側(cè)和低側(cè)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(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)銅軌通過(guò)隔離層彼此隔離。初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間保持著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(jí)側(cè)和LM 14201器件的接地。GND2用作IS07142的次級(jí)側(cè)、TPS27S100, ULN2003A和TPS7B6933器件的接地。