【正文】 ，因而可在許多需要高電流、可調(diào)至零且無散熱器的應(yīng)用中使用 [15]。 電流驅(qū)動(dòng)模塊的總體結(jié)構(gòu)如下： 圖 238 磁流變液驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu) 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(lián)在電路中。取樣電路和 LT3080 精確控制流經(jīng)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(jīng) 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(jīng)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(shù)據(jù)位是 8 位，因此數(shù) 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(shí)，微處理器 LPC1764 輸出 11 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到 DA數(shù)模轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器LM358M，放大輸出的電壓接入 U1B 的反相輸入端，此時(shí)反饋電壓與輸入的 MRF0 DA達(dá)到一致，整個(gè)電路很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)流經(jīng)磁流變液阻尼器的電流時(shí)相應(yīng)增大的，阻尼器的阻尼力變大。 通過設(shè)置 C C6 來改變系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間， D D2是兩個(gè)穩(wěn)壓二極管作為過壓保護(hù)器， 36 如果加在兩端的反向電壓過大，擊穿穩(wěn)壓管，此時(shí)的電流雖在增大，但是穩(wěn)壓二極管中的動(dòng)態(tài)電阻相應(yīng)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(hù)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(shù)的存在會(huì)導(dǎo)致在突然地通斷電時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大的自感電勢(shì)，因此在實(shí)際電路中，我們?cè)诖帕髯円鹤枘崞魉陔娐分幸鲆粋€(gè)電壓參考點(diǎn) Vmr0，并在該參考點(diǎn)與電壓源之間串接一個(gè)快速恢復(fù)整流二極管 HER207，以防止電感產(chǎn)生的高流回沖破壞電路。 37 USB通信及調(diào)試接口模塊 手指康復(fù)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用 USB 接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省＝涌陔娐肥褂?LPC1764 的 來實(shí)現(xiàn) SoftConnect TM 特性。由 的通信協(xié)議可知， D+端上拉 VBUS 上， D不使用上拉電阻，滿足高速設(shè)備的要求。 USB 通信接口中， D+/D是兩根極性相反的數(shù)據(jù)線，一個(gè)是正極性，另一個(gè)是負(fù)極性，這兩個(gè)數(shù)據(jù)線構(gòu)成了差分接口。若單單使用一根數(shù)據(jù)線，在高速的數(shù)據(jù)輸入中， 0 和 1數(shù)據(jù)的快速變化或者高頻信號(hào)的干擾都會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)信號(hào)的產(chǎn)生，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而使用D+/D兩根數(shù)據(jù)輸入會(huì)使得高頻干擾在線內(nèi)產(chǎn)生幅值相反的感應(yīng)信號(hào)，這就構(gòu)成差分接口，可以有效地減小干擾。 R31是阻值為 ，當(dāng) USB CONECT 輸出低電平 ,上拉電阻將 D+上電壓上拉，通知 USB 主機(jī) UBS 設(shè)備要與其建立連接；當(dāng)其輸出高電平， USB 的 D+線與 斷開連接以通知 USB 設(shè)備已經(jīng)斷開與 USB 主機(jī)連接。 USB 的 D+和 D串連一個(gè) 33Ω的小電阻是由于高速數(shù)字電路需要考慮阻抗匹配，以達(dá)到時(shí)序統(tǒng)一 ,延遲時(shí)間 ,走線電容等不會(huì)超過范圍。 圖 241 USB 通信接口電路 在這個(gè)電路中，還采用了 PRTR5V0U2X 防靜電芯片提供 ESD 保護(hù)。兩個(gè)靜電電位不相同的物體直接接觸或者存在電場(chǎng)感應(yīng)時(shí)， 電荷將在這兩個(gè)物體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。實(shí)際操作過程中人體接觸芯片，帶點(diǎn)插拔器件、電纜等操作就有可能導(dǎo)致靜電釋放的現(xiàn)象產(chǎn)生，不少的電子設(shè)備會(huì)因此會(huì)操作失靈、功能紊亂甚至嚴(yán)重?fù)p壞。 PRTR5V0U2X 就是一款能夠有效避免信號(hào)失真的超抵線路電容的 ESD 保護(hù)器件，應(yīng)用十分廣泛。 38 電源管理模塊 手指康復(fù)機(jī)器人的數(shù)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(guān)電源將 220v 的交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，再利用低壓線性穩(wěn)壓器為各個(gè)子模塊供電。 圖 242 電源管理模塊整體結(jié)構(gòu) 為了避免模擬信號(hào)與數(shù)字 信號(hào)地相互干擾，將交流電壓轉(zhuǎn)換為兩個(gè)獨(dú)立的直流電源，再分別為模擬電路和數(shù)字電路的電源供電。電源管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下： 圖 243 電源轉(zhuǎn)換與管理模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 具體實(shí)現(xiàn)如下： ① +12V轉(zhuǎn) +8V采用的是 LM7808，這是一塊三端集成的穩(wěn)壓電路，能夠準(zhǔn)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(lián) 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(jī)電源 HCPL2630 TLP185 12 5 8 8 24 5 39 小，可以起到儲(chǔ)能濾波的功能，消除低頻干 擾。目前的電解電容制造工藝會(huì)使得生產(chǎn)出的電解電容存在自身等效電感比較大的缺陷，高頻信號(hào)和脈沖干擾信號(hào)無法順利通過電解電容被濾除，故并聯(lián)一個(gè)或幾個(gè)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(hào)效果比較好，兩者互補(bǔ)。 圖 244 +12V轉(zhuǎn) +8V電路 ② +12V轉(zhuǎn) 8V采用 NE555芯片，這是一款將模擬功能和邏輯功能很好的結(jié)合在一起的芯片，應(yīng)用的范圍十分廣泛。 圖 245 +12V轉(zhuǎn) 8V電路 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上，當(dāng)引腳 3 輸出高電平，電容 C2充電，電壓可達(dá) 11V。當(dāng) NE555輸出為低電平時(shí)， D1 被 C2 反偏截止。 C2 向 C3 轉(zhuǎn)移電荷，最終輸出 8V。 40 圖 246 +12V轉(zhuǎn) 8V電路 ③ +12V轉(zhuǎn) +5V采用的是開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片 LM2596，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎn)生的較大的感應(yīng)電勢(shì)破壞電路，起到作用續(xù)流的作用，釋放電感儲(chǔ)存的能量。 圖 247 +12V轉(zhuǎn) +5V電路 ④ +5V 轉(zhuǎn) + 采用 ， 輸入電壓只要在允許范圍內(nèi)，它的輸出電壓都可以穩(wěn)定在一個(gè)電壓 ，是一款 低壓差線性穩(wěn)壓器 。 圖 248 +12V轉(zhuǎn) + ⑤ +24V轉(zhuǎn) +5V直接采用 WD524S5 41 第三章 總結(jié)與展望 課題總結(jié) 本文主要是對(duì)基于磁流變液阻尼器的手指康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹手指康復(fù)系統(tǒng)控制電路部分各個(gè)模塊的功能以及具體的實(shí)現(xiàn)方案，通過一定的實(shí)驗(yàn)仿真，確保設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。 本文研究?jī)?nèi)容主要有以下幾塊： （ 1） 力傳感器調(diào)理電路模塊 力矩傳感器調(diào)理電路主要是講從力矩傳感器輸出的微弱的信號(hào)送入儀用放大器進(jìn)行信號(hào)放大，然后輸入巴特沃斯四 階低通濾波器進(jìn)行濾波。 （ 2）光電編碼器辨向電路模塊 手指康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須保證對(duì)病患具有較高的安全性，避免訓(xùn)練中的二次傷害，因此就必須精確掌握訓(xùn)練裝置的位置角度信息，光電編碼器辨向電路是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)光電編碼器的辨向以及計(jì)數(shù)功能。將編碼器輸出信號(hào)整形后進(jìn)行解碼分離送至微處理器進(jìn)行信號(hào)分析處理。 （ 3）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路模塊 微處理器輸出 PWM 數(shù)字信號(hào)對(duì)直流電機(jī)模擬電路進(jìn)行控制，這是是一種常用且有效的電機(jī)控制技術(shù)。 MC33186 是一種常用的用以驅(qū)動(dòng)控制直流電機(jī)的芯片，內(nèi)含 H 橋電路，并提供欠壓、過熱保 護(hù)。 （ 4） 磁流變液阻尼器驅(qū)動(dòng)控制電路模塊 流經(jīng)磁流變液阻尼器線圈的電流大小直接影響阻尼器所產(chǎn)生的阻尼力，故虛對(duì)流經(jīng)的電流進(jìn)行精確的穩(wěn)定的控制。主控制器通過 SPI 總線協(xié)議接口控制 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLV5620，輸出一定的模擬電壓信號(hào)，然后通過放大電路和 LT3080進(jìn)行回路反饋控制，使得電流能被準(zhǔn)確迅速穩(wěn)定的控制。 （ 5） 通信及調(diào)試接口模塊 采用典型的 USB 接口實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，并通過 PRTR5V0U2X 防靜電芯片提供 ESD 保護(hù)。 （ 6） 電源轉(zhuǎn)換與管理模塊 手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)最終數(shù)字和模擬電壓分開處理，各個(gè)電路模塊所需的電 源也不相同，要將交流電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)芯片所需的不同值大小的直流電壓。 展望 康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)只是在理論和實(shí)驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)上，滿足了基本的設(shè)計(jì)要求。但如果能夠?qū)嶋H地將電路板制作出來，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的操作中可以得到更多問題和啟發(fā)來對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。 42 參考文獻(xiàn) [1] 南登崑 . 康復(fù)醫(yī)學(xué) [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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