【正文】 ，因而可在許多需要高電流、可調至零且無散熱器的應用中使用 [15]。 電流驅動模塊的總體結構如下： 圖 238 磁流變液驅動電路結構 其中 MRF為磁流變液阻尼器，它與 LT3080 電流控制芯片以及取樣電阻串聯在電路中。取樣電路和 LT3080 精確控制流經取樣電阻的電流，并且保證了電流改變的迅速穩(wěn)定 圖 239 MRF 電流取樣電路 MRF LT3080 R取樣 取樣 電路 35 圖 240 MRF 電流輸出控制電路 由“虛短虛斷”原理可知，流經 R4 和 R5 的電流大小是一致的，故有： )(DA MR F 0DA MR F 054554554RRIVR RRRVRRO U TO U TO U T???????? MRF0 DA是 TLV5620 輸出的電壓模擬量， Iout是流經磁流變液阻尼器的電流， R5就作為取樣電阻串接在電路中。 由于 TLV5620 數據位是 8 位，因此數 字量的變化范圍是 0~255,故 ig V a l255VDA M RF 0 R E F D?? 12 VRR RV REF ??? 綜上可得： 5412912 g V a l RRVRR RDI O U T ????? 該模塊工作時，微處理器 LPC1764 輸出 11 位數字數據到 DA數模轉換器模塊，輸出電壓模擬量 MRF0 DA至電流取樣電路。若 MRF0 DA值變大，使得 Vset0 值變大， Vset0 控制低壓差穩(wěn)壓器 LT3080，又 使得其電壓輸出 Vout0 增大， Vout0反饋到器件 U1A雙運算放大器LM358M，放大輸出的電壓接入 U1B 的反相輸入端，此時反饋電壓與輸入的 MRF0 DA達到一致，整個電路很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時流經磁流變液阻尼器的電流時相應增大的，阻尼器的阻尼力變大。 通過設置 C C6 來改變系統(tǒng)的響應時間， D D2是兩個穩(wěn)壓二極管作為過壓保護器， 36 如果加在兩端的反向電壓過大，擊穿穩(wěn)壓管，此時的電流雖在增大，但是穩(wěn)壓二極管中的動態(tài)電阻相應的變小，因此能夠保證穩(wěn)壓管兩端的電壓基本保持不變，因此可以起到保護LT3080 芯片的作 用。另外，磁流變液阻尼器的線圈屬于電感元件，自身的自感系數的存在會導致在突然地通斷電時，可能會產生較大的自感電勢，因此在實際電路中，我們在磁流變液阻尼器所在電路中引出一個電壓參考點 Vmr0，并在該參考點與電壓源之間串接一個快速恢復整流二極管 HER207，以防止電感產生的高流回沖破壞電路。 37 USB通信及調試接口模塊 手指康復系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用 USB 接口實現上位機與下位機的數據通信，保證數據傳輸的速率。接口電路使用 LPC1764 的 來實現 SoftConnect TM 特性。由 的通信協議可知， D+端上拉 VBUS 上， D不使用上拉電阻，滿足高速設備的要求。 USB 通信接口中， D+/D是兩根極性相反的數據線，一個是正極性，另一個是負極性，這兩個數據線構成了差分接口。若單單使用一根數據線，在高速的數據輸入中， 0 和 1數據的快速變化或者高頻信號的干擾都會導致感應信號的產生，從而影響數據的準確性，而使用D+/D兩根數據輸入會使得高頻干擾在線內產生幅值相反的感應信號，這就構成差分接口，可以有效地減小干擾。 R31是阻值為 ，當 USB CONECT 輸出低電平 ,上拉電阻將 D+上電壓上拉，通知 USB 主機 UBS 設備要與其建立連接；當其輸出高電平， USB 的 D+線與 斷開連接以通知 USB 設備已經斷開與 USB 主機連接。 USB 的 D+和 D串連一個 33Ω的小電阻是由于高速數字電路需要考慮阻抗匹配，以達到時序統(tǒng)一 ,延遲時間 ,走線電容等不會超過范圍。 圖 241 USB 通信接口電路 在這個電路中，還采用了 PRTR5V0U2X 防靜電芯片提供 ESD 保護。兩個靜電電位不相同的物體直接接觸或者存在電場感應時， 電荷將在這兩個物體之間進行轉移。實際操作過程中人體接觸芯片，帶點插拔器件、電纜等操作就有可能導致靜電釋放的現象產生，不少的電子設備會因此會操作失靈、功能紊亂甚至嚴重損壞。 PRTR5V0U2X 就是一款能夠有效避免信號失真的超抵線路電容的 ESD 保護器件，應用十分廣泛。 38 電源管理模塊 手指康復機器人的數字電路部分需要直流電源供電，故電源管理模塊首先采用的開關電源將 220v 的交流電轉換為直流電壓，再利用低壓線性穩(wěn)壓器為各個子模塊供電。 圖 242 電源管理模塊整體結構 為了避免模擬信號與數字 信號地相互干擾，將交流電壓轉換為兩個獨立的直流電源，再分別為模擬電路和數字電路的電源供電。電源管理系統(tǒng)拓撲結構如下： 圖 243 電源轉換與管理模塊拓撲結構 具體實現如下： ① +12V轉 +8V采用的是 LM7808，這是一塊三端集成的穩(wěn)壓電路，能夠準確的降壓到+8V。電路兩端的電容作用都為濾波。其中輸出端并聯 220uF/25V的電解電容，它自諧頻率220V 交流電 12V 直流電源 LM2596S5 24V 直流電源 MRF 7808 NE555 7414 7474 ARM 外圍電路 AD REF TLV5620 LT3080 LM358 WD524S5 直流電機電源 HCPL2630 TLP185 12 5 8 8 24 5 39 小，可以起到儲能濾波的功能，消除低頻干 擾。目前的電解電容制造工藝會使得生產出的電解電容存在自身等效電感比較大的缺陷，高頻信號和脈沖干擾信號無法順利通過電解電容被濾除，故并聯一個或幾個容值比較小的陶瓷電容，這種小電容的等效電感比較小，濾除高頻干擾信號效果比較好，兩者互補。 圖 244 +12V轉 +8V電路 ② +12V轉 8V采用 NE555芯片，這是一款將模擬功能和邏輯功能很好的結合在一起的芯片，應用的范圍十分廣泛。 圖 245 +12V轉 8V電路 其內部結構如上，當引腳 3 輸出高電平，電容 C2充電，電壓可達 11V。當 NE555輸出為低電平時， D1 被 C2 反偏截止。 C2 向 C3 轉移電荷，最終輸出 8V。 40 圖 246 +12V轉 8V電路 ③ +12V轉 +5V采用的是開關型集成穩(wěn)壓芯片 LM2596，電路結構簡單。該電路中 C10不僅可以濾波，也可以提高穩(wěn)壓環(huán)路的穩(wěn)定性。二極管 D3 是為了防止 L1 在電路通斷過程中產生的較大的感應電勢破壞電路，起到作用續(xù)流的作用，釋放電感儲存的能量。 圖 247 +12V轉 +5V電路 ④ +5V 轉 + 采用 ， 輸入電壓只要在允許范圍內，它的輸出電壓都可以穩(wěn)定在一個電壓 ，是一款 低壓差線性穩(wěn)壓器 。 圖 248 +12V轉 + ⑤ +24V轉 +5V直接采用 WD524S5 41 第三章 總結與展望 課題總結 本文主要是對基于磁流變液阻尼器的手指康復機器人控制系統(tǒng)的電路的設計，詳細介紹手指康復系統(tǒng)控制電路部分各個模塊的功能以及具體的實現方案，通過一定的實驗仿真，確保設計的可行性和可靠性。 本文研究內容主要有以下幾塊： （ 1） 力傳感器調理電路模塊 力矩傳感器調理電路主要是講從力矩傳感器輸出的微弱的信號送入儀用放大器進行信號放大，然后輸入巴特沃斯四 階低通濾波器進行濾波。 （ 2）光電編碼器辨向電路模塊 手指康復機器人的設計必須保證對病患具有較高的安全性，避免訓練中的二次傷害，因此就必須精確掌握訓練裝置的位置角度信息，光電編碼器辨向電路是用來實現對光電編碼器的辨向以及計數功能。將編碼器輸出信號整形后進行解碼分離送至微處理器進行信號分析處理。 （ 3）直流電機驅動控制電路模塊 微處理器輸出 PWM 數字信號對直流電機模擬電路進行控制，這是是一種常用且有效的電機控制技術。 MC33186 是一種常用的用以驅動控制直流電機的芯片，內含 H 橋電路，并提供欠壓、過熱保 護。 （ 4） 磁流變液阻尼器驅動控制電路模塊 流經磁流變液阻尼器線圈的電流大小直接影響阻尼器所產生的阻尼力，故虛對流經的電流進行精確的穩(wěn)定的控制。主控制器通過 SPI 總線協議接口控制 D/A 轉換器 TLV5620，輸出一定的模擬電壓信號，然后通過放大電路和 LT3080進行回路反饋控制，使得電流能被準確迅速穩(wěn)定的控制。 （ 5） 通信及調試接口模塊 采用典型的 USB 接口實現上下位機的數據通訊，并通過 PRTR5V0U2X 防靜電芯片提供 ESD 保護。 （ 6） 電源轉換與管理模塊 手指康復機器人系統(tǒng)最終數字和模擬電壓分開處理，各個電路模塊所需的電 源也不相同，要將交流電壓轉換為各個芯片所需的不同值大小的直流電壓。 展望 康復機器人控制系統(tǒng)的硬件電路的設計只是在理論和實驗仿真的基礎上，滿足了基本的設計要求。但如果能夠實際地將電路板制作出來，結合實驗室機械結構，在實際的操作中可以得到更多問題和啟發(fā)來對電路進行改進。 42 參考文獻 [1] 南登崑 . 康復醫(yī)學 [M] . 3 版． 北京 :人民衛(wèi)生出版社， 2021:58． [2] Bouzit M, Burdea G, Popescu G, et al. 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