04 Погон за напајање: Трофазни МОС мост одређује капацитет излазног обртног момента споја

Слика 5: Жице трофазног мотора су централно повезане са MOS делом за напајање, са отпорницима за узорковање, драјверима и компонентама филтера распоређеним око њих.

 

Овај заједнички драјвер је дизајниран за трофазне моторе без четкица. Високо ефикасно управљање трофазним BLDC моторима обично захтева три полумоста, формирајући трофазни инвертор са најмање шест MOSFET-ова снаге. Вишеструки MOS уређаји великог кућиштаможебити примећен на штампаној плочи (PCBA) која окружује тачке лемљења трофазног излаза, у складу са овом архитектуром.

 

Логика рада трофазног моста може се поједноставити на следећи начин:

Напон батерије или магистрале се доводи преко P+ и P-; Брзо пребацивање MOS полумостова претвара једносмерни напон у трофазну струју;

Трофазна струја тече у намотаје мотора да би генерисала ротирајуће магнетно поље; Контролер континуирано подешава PWM радне циклусе на основу положаја енкодера и повратне спреге струје;

На крају омогућавајући зглобу да избацује циљани обртни момент, брзину или положај.

Лош дизајн овог одељка довешће до неколико типичних проблема: прекомерног загревања МОС транзистора, подрхтавања при малој брзини, јаког таласања обртног момента, лажног окидања заштите од прекомерне струје и ЕМИ сметњи које утичу на енкодере или комуникациона кола. Из тог разлога, дизајн плоча за напајање за роботске зглобове је много изазовнији од дизајна обичних плоча за управљање малим моторима.

 

Слика 6: Регулатор напона TLV767 се може видети на плочи, поред индукторних калемова, кондензатора и неколико нисконапонских компоненти за напајање.

Такође вреди анализирати структуру напајања. LDO регулатори као што је TLV767 и индуктори снаге означени са „100“ су видљиви на штампаној плочи. Узимајући у обзир сценарио примене спојева са напоном од 48 V, може се закључити да је мало вероватно да ће се нисконапонски систем директно смањивати са високог напона само преко LDO транзистора. Уместо тога, усвојена је архитектура напајања слична следећој:

Високонапонска магистрала → Прекидање и спуштање конверзије → Нисконапонске шине (5V / 3.3V, итд.) → Секундарна LDO регулација / локално филтрирање шума

Ова архитектура напајања је рационалнија. MCU, енкодер, појачала за узорковање и комуникациони примопредајници захтевају чисто, стабилно нисконапонско напајање, док MOS прекидачи и фазне линије мотора генеришу интензиван шум. Ако нисконапонско напајање нема довољне перформансе против сметњи, први кварови који се појављују обично нису кварови мотора, већ нагли скокови угла, прекиди комуникације или лутајућа очитавања узорковања струје.

05 Сензор струје и температуре: Роботски зглобови морају пратити излазни обртни момент у реалном времену

 

Слика 7: Више R001 отпорника мале вредности налази се испод трофазног дела за напајање.

Компоненте R001 су кључне на овој плочи, представљају отпорнике мале вредности од милиома (типично 1 mΩ) који се користе за мерење фазне струје мотора или струје магистрале. Сензорисање струје чини језгро управљања затвореном петљом за роботске зглобове, јер је излазни обртни момент BLDC мотора снажно корелиран са његовом фазном струјом.

Другим речима, контролер не „погађа“ излазни обртни момент споја; уместо тога, израчунава струју мерењем малог пада напона на сензорским отпорницима:

Пад напона на сензорском отпорнику → Појачавање и филтрирање → Узорковање ADC-а → Израчунавање струје → Контрола обртног момента FOC-а

Прецизност овог сигналног ланца директно утиче на:

Тачност контроле обртног момента: Ако је процена струје нетачна, излазни обртни момент ће бити нетачан.

Глаткоћа при малим брзинама: Висока бука узорковања има тенденцију да изазове подрхтавање при малим брзинама.

Заштита од прекомерне струје: Спор одзив може да прегори MOSFET-ове, док превише осетљива подешавања доводе до лажних окидача заштите.

Стратегија термалног управљања: Дуготрајна висока струја доводи до истовременог пораста температуре у намотајима мотора, MOSFET-овима и отпорницима за мерење струје.

Са становишта распореда, постављање отпорника за мерење струје близу MOSFET-ова и фазног ожичења скраћује петљу високе струје, што помаже у смањењу паразитске индуктивности и грешака узорковања. Велики број малих отпорника и кондензатора је распоређен близу сваке фазе, генерално се користи за пригушење капије, филтрирање узорковања, стабилизацију драјвера и локално раздвајање.

Детекција температуре је подједнако неопходна. Ознака MOTOR NTC означава да је термистор инсталиран унутар мотора или поред намотаја. Код зглобова хуманоидних робота, рад при малој брзини и великом обртном моменту, продужено статичко задржавање и пролазни удар током устајања или чучња генеришу значајан пораст температуре. NTC омогућава контролеру да обавља три кључне функције засноване на температури:

Ограничавање струје: Смањите максималну излазну струју како температура расте; Смањење номиналне снаге: Ограничите вршни обртни момент под сталним великим оптерећењима;

Заштитно искључивање: Уђите у режим грешке када температура пређе безбедносни праг.

Ово је такође основна способност коју професионални роботски зглобови морају да поседују. Без контроле температуре у затвореној петљи, зглоб не може поуздано да ради дуже време упркос високом вршном обртном моменту.

06 Детекција положаја: Двоструки магнетни енкодери и зупчаници претварају углове једног окрета у очитавања положаја више окретаја

Након уклањања PCBA плоче, на полеђини се може видети скуп малих зупчаника. То нису главни редуктори, већ помоћни механизми дизајнирани за детекцију угла.

 

Слика 8: Зупчаник и област магнетног енкодера на полеђини контролне плоче

 

Слика 9: Ротација централног вратила покреће два суседна зупчаника да се ротирају синхроно.

Структурно, ротација централног вратила покреће два мала зупчаника. Магнетна компонента је постављена у средини сваког малог зупчаника, са магнетним енкодер интегрисаним количинама монтираним на одговарајућим позицијама на задњој страни PCBA плоче. Магнетни енкодери мере угаоне варијације магнетних поља, елиминишући потребу за оптичким решеткастим дисковима. Они су отпорни на мању контаминацију уљем и прашином, што их чини погоднијим за потпуно затворене роботске спојеве.

 

Слика 10: Структура са двоструким зупчаником и двоструким енкодером побољшава угаону резолуцију и омогућава детекцију положаја са више окретаја.

Оно што се овде највише истиче је конфигурација „двоструки зупчаник + двоструки магнетни енкодер“. Њена вредност далеко иде даље од пуког додавања другог сензора за већу тачност; највероватније је пројектована да реализује шему кодирања апсолутног положаја са више обртаја:

Један магнетни енкодер прецизно мери углове у опсегу од 0–360°;

ипак, зглоб може да ротира више обртаја, а енкодер са једним обртајем не може сам да одреди број обртаја;

Ако два зупчаника имају различит број зубаца или преносне односе, они формирају корелацију сличну нонијусу;

Комбиновањем два угаона очитавања, контролер израчунава апсолутну позицију у много ширем опсегу.

Ова структура пружа велику вредност хуманоидним роботима. Након искључивања напајања, ноге, руке или зглобови струка могу бити померени спољним силама. Након поновног укључивања напајања, зглобови који захтевају опсежне покрете враћања у првобитно стање пате од ниске ефикасности и представљају безбедносну опасност. Вишеокретно апсолутно сензорско мерење положаја омогућава зглобовима да тренутно преузму податке о положају чим се напајање врати.