04 Pogonski sklop: Trofazni MOS most određuje izlazni obrtni moment spoja

Slika 5: Žice trofaznog motora su centralno povezane sa MOS dijelom za napajanje, sa otpornicima za uzorkovanje, drajverima i komponentama filtera raspoređenim oko njih.

 

Ovaj zajednički drajver je dizajniran za trofazne motore bez četkica. Visokoperformansna kontrola trofaznih BLDC motora obično zahtijeva tri polumosta, formirajući trofazni inverter sa najmanje šest energetskih MOSFET-ova. Višestruki MOS uređaji velikog kućišta.možebiti uočen na PCBA ploči koja okružuje lemne tačke trofaznog izlaza, u skladu s ovom arhitekturom.

 

Logika rada trofaznog mosta može se pojednostaviti na sljedeći način:

Napon baterije ili sabirnice se dovodi preko P+ i P-; Brzo preključivanje MOS polu-mostova pretvara istosmjerni napon u trofaznu struju;

Trofazna struja teče u namotaje motora generirajući rotirajuće magnetsko polje; Kontroler kontinuirano podešava PWM cikluse na osnovu položaja enkodera i strujne povratne sprege;

Konačno omogućavanje zglobu da postigne ciljani obrtni moment, brzinu ili položaj.

Loš dizajn ovog dijela dovest će do nekoliko tipičnih problema: prekomjernog zagrijavanja MOS tranzistora, podrhtavanja pri maloj brzini, jakog mreškanja momenta, lažnog aktiviranja zaštite od prekomjerne struje i EMI smetnji koje utječu na enkodere ili komunikacijske krugove. Iz tog razloga, dizajn ploča za napajanje robotskih zglobova je mnogo izazovniji od dizajna običnih ploča za male pogonske sklopove motora.

 

Slika 6: Regulator napona TLV767 se može vidjeti na ploči, pored induktora, kondenzatora i nekoliko niskonaponskih komponenti napajanja.

Vrijedi analizirati i strukturu napajanja. LDO regulatori poput TLV767 i induktiviteti snage označeni sa "100" vidljivi su na PCB-u. S obzirom na scenarij primjene spojeva nazivnog napona od 48 V, može se zaključiti da je malo vjerovatno da će se niskonaponski sistem direktno spuštati s visokog napona isključivo putem LDO-a. Umjesto toga, usvojena je arhitektura napajanja slična sljedećoj:

Visokonaponska sabirnica → Prebacivanje i snižavanje konverzije → Niskonaponske šine (5V / 3.3V, itd.) → Sekundarna LDO regulacija / lokalno filtriranje šuma

Ova arhitektura napajanja je racionalnija. MCU, enkoder, pojačala za uzorkovanje i komunikacijski primopredajnici zahtijevaju čisto, stabilno niskonaponsko napajanje, dok MOS prekidači i fazne linije motora generiraju intenzivan šum. Ako niskonaponsko napajanje nema dovoljne performanse protiv smetnji, prvi kvarovi koji se pojavljuju obično nisu kvarovi motora, već nagli skokovi ugla, prekidi komunikacije ili pomjeranje očitanja uzorkovanja struje.

05 Senzor struje i temperature: Zglobovi robota moraju pratiti izlazni obrtni moment u realnom vremenu

 

Slika 7: Više R001 niskovrijednih osjetljivih otpornika nalazi se ispod trofaznog dijela za napajanje.

Komponente R001 su ključne na ovoj ploči, predstavljaju otpornike niske vrijednosti na nivou milioma (obično 1 mΩ) koji se koriste za mjerenje fazne struje motora ili struje sabirnice. Senzor struje čini jezgro upravljanja zatvorenom petljom za robotske zglobove, jer je izlazni moment BLDC motora snažno koreliran s njegovom faznom strujom.

Drugim riječima, kontroler ne "pogađa" izlazni obrtni moment zgloba; umjesto toga, izračunava struju mjerenjem malog pada napona na senzorskim otpornicima:

Pad napona na otporniku za mjerenje → Pojačavanje i filtriranje → Uzorkovanje ADC-a → Proračun struje → Kontrola momenta FOC-a

Preciznost ovog signalnog lanca direktno utiče na:

Tačnost kontrole obrtnog momenta: Ako je procjena struje netačna, izlazni obrtni moment će biti netačan.

Glatkoća pri malim brzinama: Visok šum uzorkovanja obično uzrokuje podrhtavanje pri malim brzinama.

Zaštita od prekomjerne struje: Spor odziv može pregorjeti MOSFET-ove, dok preosjetljiva podešavanja rezultiraju lažnim aktiviranjem zaštite.

Strategija termičkog upravljanja: Trajna visoka struja dovodi do istovremenog porasta temperature namotaja motora, MOSFET-ova i otpornika za mjerenje struje.

Sa stanovišta rasporeda, postavljanje otpornika za mjerenje struje blizu MOSFET-ova i faznog ožičenja skraćuje petlju visoke struje, što pomaže u smanjenju parazitske induktivnosti i grešaka uzorkovanja. Veliki broj malih otpornika i kondenzatora raspoređen je u blizini svake faze, a obično se koristi za prigušenje gejta, filtriranje uzorkovanja, stabilizaciju drajvera i lokalno razdvajanje.

Detekcija temperature je podjednako neophodna. Oznaka MOTOR NTC označava termistor instaliran unutar motora ili pored namotaja. Kod zglobova humanoidnih robota, rad pri maloj brzini i velikom obrtnom momentu, produženo statičko držanje i prolazni udari tokom ustajanja ili čučnja generišu značajne poraste temperature. NTC omogućava kontroleru da obavlja tri ključne funkcije zasnovane na temperaturi:

Ograničavanje struje: Smanjite maksimalnu izlaznu struju kako temperatura raste; Smanjenje nazivne snage: Ograničite vršni obrtni moment pod dugotrajnim velikim opterećenjima;

Zaštitno isključivanje: Ulazak u režim greške kada temperatura pređe sigurnosni prag.

Ovo je također osnovna sposobnost koju profesionalni robotski zglobovi moraju imati. Bez kontrole temperature u zatvorenoj petlji, zglob ne može pouzdano raditi duži period uprkos visokom vršnom obrtnom momentu.

06 Detekcija položaja: Dvostruki magnetni enkoderi i zupčanici pretvaraju uglove s jednim okretom u očitavanja položaja s više okretaja

Nakon uklanjanja PCBA ploče, na poleđini se može vidjeti set malih zupčanika. To nisu glavni reduktori, već pomoćni mehanizmi dizajnirani za detekciju ugla.

 

Slika 8: Područje zupčanika i magnetskog enkodera na poleđini kontrolne ploče

 

Slika 9: Rotacija centralnog vratila pokreće dva susjedna zupčanika da se okreću sinhrono.

Strukturno, rotacija centralne osovine pokreće dva mala zupčanika. Magnetna komponenta je postavljena u središte svakog malog zupčanika, s integriranim krugovima magnetskih enkodera montiranim na odgovarajućim pozicijama na stražnjoj strani PCBA ploče. Magnetni enkoderi mjere kutne varijacije magnetskih polja, eliminirajući potrebu za optičkim rešetkastim diskovima. Tolerantni su na manju kontaminaciju uljem i prašinom, što ih čini pogodnijim za potpuno zatvorene robotske spojeve.

 

Slika 10: Struktura s dvostrukim zupčanikom i dvostrukim enkoderom poboljšava kutnu rezoluciju i omogućuje detekciju položaja s više okretaja.

Ono što se ovdje najviše ističe je konfiguracija "dvostruki zupčanik + dvostruki magnetni enkoder". Njena vrijednost ide daleko iznad pukog dodavanja drugog senzora za veću tačnost; najvjerovatnije je konstruisana za realizaciju sheme kodiranja apsolutne pozicije sa više okretaja:

Jedan magnetni enkoder precizno mjeri uglove u rasponu od 0 do 360°;

ipak, zglob se može rotirati za više okretaja, a enkoder s jednim okretajem ne može sam odrediti broj okretaja;

Ako dva zupčanika imaju različit broj zubaca ili prijenosne omjere, oni formiraju korelaciju sličnu vernieru;

Kombinacijom dva ugaona očitanja, kontroler izračunava apsolutnu poziciju u mnogo širem rasponu.

Ova struktura pruža veliku vrijednost humanoidnim robotima. Nakon isključivanja napajanja, noge, ruke ili zglobovi struka mogu se pomjeriti vanjskim silama. Nakon ponovnog uključivanja, zglobovi koji zahtijevaju opsežne pokrete vraćanja u početno stanje pate od niske efikasnosti i predstavljaju sigurnosnu opasnost. Višeokretno apsolutno mjerenje položaja omogućava zglobovima da trenutno prikupe podatke o položaju čim se napajanje vrati.