04 Pogonski sklop: Trofazni MOS most određuje izlazni moment spoja

Slika 5: Žice trofaznog motora centralno su spojene na MOS dio za napajanje, s otpornicima za uzorkovanje, pogonskim sklopovima i komponentama filtera raspoređenim oko njega.

 

Ovaj zajednički upravljački sklop dizajniran je za trofazne motore bez četkica. Visokoučinkovito upravljanje trofaznim BLDC motorima obično zahtijeva tri polumosta, koji tvore trofazni inverter s najmanje šest MOSFET-ova snage. Višestruki MOS uređaji velikog pakiranjamožebiti uočen na PCBA-i koja okružuje lemne točke trofaznog izlaza, u skladu s ovom arhitekturom.

 

Logika rada trofaznog mosta može se pojednostaviti na sljedeći način:

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

Trofazna struja teče u namote motora kako bi generirala rotirajuće magnetsko polje; Kontroler kontinuirano podešava PWM radne cikluse na temelju položaja enkodera i strujne povratne informacije;

U konačnici omogućavajući zglobu da postigne ciljani okretni moment, brzinu ili položaj.

Loš dizajn ovog dijela dovest će do nekoliko tipičnih problema: pretjeranog zagrijavanja MOS-a, podrhtavanja pri maloj brzini, jakog valovitog okretnog momenta, lažnog aktiviranja zaštite od prekomjerne struje i EMI smetnji koje utječu na enkodere ili komunikacijske krugove. Iz tog razloga, dizajn ploča za napajanje za robotske zglobove daleko je izazovniji od dizajna običnih ploča za male pogonske sklopove motora.

 

Slika 6: Regulator napona TLV767 može se vidjeti na ploči, uz induktore, kondenzatore i nekoliko niskonaponskih komponenti napajanja.

Također je vrijedno analizirati strukturu napajanja. LDO regulatori poput TLV767 i induktiviteti snage označeni s "100" vidljivi su na tiskanoj pločici. S obzirom na scenarij primjene spojeva nazivnog napona od 48 V, može se zaključiti da je malo vjerojatno da će se niskonaponski sustav izravno spuštati s visokog napona isključivo putem LDO-a. Umjesto toga, usvaja se arhitektura napajanja slična sljedećoj:

Visokonaponska sabirnica → Prebacivanje i snižavanje pretvorbe → Niskonaponske šine (5 V / 3,3 V, itd.) → Sekundarna LDO regulacija / lokalno filtriranje šuma

Ova arhitektura napajanja je racionalnija. MCU, enkoder, pojačala uzorkovanja i komunikacijski primopredajnici zahtijevaju čistu, stabilnu niskonaponsku energiju, dok MOS sklopke 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 kutni skokovi, prekidi komunikacije ili pomicanje očitanja uzorkovanja struje.

05 Mjerenje struje i temperature: Robotski zglobovi moraju pratiti izlazni moment u stvarnom 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 razini milioma (obično 1 mΩ) koji se koriste za mjerenje fazne struje motora ili struje sabirnice. Mjerenje struje čini jezgru upravljanja zatvorenom petljom za robotske zglobove, jer je izlazni moment BLDC motora snažno koreliran s njegovom faznom strujom.

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

Pad napona na osjetljivom otporniku → Pojačavanje i filtriranje → Uzorkovanje ADC-a → Izračun struje → Regulacija momenta optičkog kruga

Preciznost ovog signalnog lanca izravno utječe na:

Točnost kontrole momenta: Ako je procjena struje netočna, izlazni moment bit će netočan.

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

Zaštita od prekomjerne struje: Spor odziv može pregorjeti MOSFET-ove, dok preosjetljive postavke rezultiraju lažnim okidanjem zaštite.

Strategija termalnog upravljanja: Trajno visoka struja dovodi do istovremenog porasta temperature u namotima motora, MOSFET-ima i otpornicima za mjerenje struje.

S gledišta rasporeda, postavljanje otpornika za mjerenje struje blizu MOSFET-ova i faznog ožičenja skraćuje petlju visoke struje, što pomaže u smanjenju parazitske induktivnosti i pogrešaka uzorkovanja. Veliki broj malih otpornika i kondenzatora raspoređen je u blizini svake faze, a obično se koristi za prigušenje vrata, filtriranje uzorkovanja, stabilizaciju pogonskog sklopa i lokalno odvajanje.

Detekcija temperature je jednako neophodna. Oznaka MOTOR NTC označava termistor ugrađen unutar motora ili uz namote. Kod zglobova humanoidnih robota, rad pri maloj brzini i velikom okretnom momentu, dugotrajno statičko držanje i prolazni udarci tijekom ustajanja ili čučnja generiraju značajne poraste temperature. NTC omogućuje kontroleru obavljanje tri ključne funkcije temeljene na temperaturi:

Ograničavanje struje: Smanjite maksimalnu izlaznu struju s porastom temperature; Smanjenje nazivne snage: Ograničite vršni moment pod trajnim velikim opterećenjima;

Zaštitno isključivanje: Ulazak u način rada s greškom kada temperatura prijeđe sigurnosni prag.

Ovo je također temeljna sposobnost koju profesionalni robotski zglobovi moraju imati. Bez kontrole temperature u zatvorenoj petlji, zglob ne može pouzdano raditi dulje vrijeme unatoč visokom vršnom okretnom momentu.

06 Detekcija položaja: Dvostruki magnetski enkoderi i zupčanici pretvaraju kutove jednog okreta u očitanja položaja više okretaja

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

 

Slika 8: Područje zupčanika i magnetskog enkodera na stražnjoj strani upravljačke ploče

 

Slika 9: Rotacija središnjeg vratila pokreće dva susjedna zupčanika da se okreću sinkrono.

Strukturno, rotacija središnjeg vratila pokreće dva mala zupčanika. Magnetska komponenta je postavljena u središte svakog malog zupčanika, s integriranim krugovima magnetskih enkodera montiranim na odgovarajućim pozicijama na stražnjoj strani PCBA ploče. Magnetski enkoderi mjere kutne varijacije magnetskih polja, eliminirajući potrebu za optičkim rešetkastim diskovima. Tolerantni su na manju kontaminaciju uljem i prašinom, što ih čini prikladnijima 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 magnetski enkoder". Njena vrijednost daleko nadilazi puko dodavanje drugog senzora za veću točnost; najvjerojatnije je konstruirana za realizaciju sheme kodiranja apsolutnog položaja s više okretaja:

Jedan magnetski enkoder precizno mjeri kutove unutar 0–360°;

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

Ako dva zupčanika imaju različit broj zuba ili prijenosne omjere, oni tvore korelaciju sličnu vernieru;

Kombiniranjem dvaju kutnih očitanja, kontroler izračunava apsolutni položaj u mnogo širem rasponu.

Ova struktura pruža veliku vrijednost humanoidnim robotima. Nakon isključivanja napajanja, noge, ruke ili zglobovi struka mogu se pomaknuti zbog vanjskih sila. Nakon ponovnog uključivanja, zglobovi koji zahtijevaju opsežne pokrete vraćanja u početno stanje pate od niske učinkovitosti i predstavljaju sigurnosne rizike. Višeokretno apsolutno očitavanje položaja omogućuje zglobovima trenutno dohvaćanje podataka o položaju čim se napajanje vrati.