04 Моторен погон: 3-фазниот MOS мост го одредува капацитетот на излезниот вртежен момент на спојот

Слика 5: Жиците на трифазниот мотор се централно поврзани со MOS напојувачкиот дел, со отпорници за земање примероци, драјвери и компоненти на филтерот распоредени околу нив.

 

Овој спојувачки драјвер е дизајниран за трифазни безчеткични мотори. Високо-перформансната контрола на трифазните BLDC мотори обично бара три полумостови, формирајќи трифазен инвертер со минимум шест MOSFET-и за напојување. Повеќе MOS уреди со голем пакетконзервада се забележи на PCBA околу трифазните излезни точки за лемење, во согласност со оваа архитектура.

 

Оперативната логика на трифазниот мост може да се поедностави на следниов начин:

Напонот на батеријата или шината се внесува преку P+ и P-; Брзото префрлување на MOS полумостовите го претвора еднонасочниот напон во трифазна струја;

Трифазната струја тече во намотките на моторот за да генерира ротирачко магнетно поле; Контролерот континуирано ги прилагодува работните циклуси на PWM врз основа на положбата на кодерот и повратните информации за струјата;

На крајот, овозможувајќи му на зглобот да го произведе целниот вртежен момент, брзина или позиција.

Лошиот дизајн на овој дел ќе доведе до неколку типични проблеми: прекумерно MOS загревање, треперење при мала брзина, силно бранување на вртежниот момент, лажно активирање на заштита од прекумерна струја и EMI пречки што влијаат врз енкодерите или комуникациските кола. Поради оваа причина, дизајнот на напојувачката плоча за роботски споеви е многу попредизвикувачки од оној на обичните плочи за мали моторни драјвери.

 

Слика 6: Регулаторот на напон TLV767 може да се види на плочката, заедно со индуктиви, кондензатори и неколку нисконапонски компоненти за напојување.

Дрвото на напојувања е исто така вредно за анализа. LDO регулатори како што се TLV767 и индуктори за напојување означени со „100“ се видливи на печатената плочка. Со оглед на сценариото за примена на споеви со напон од 48V, може да се заклучи дека нисконапонскиот систем веројатно нема директно да се симне од висок напон само преку LDO. Наместо тоа, се усвојува архитектура на напојувања слична на следната:

Високонапонска шина → Префрлувачка конверзија на чекор надолу → Нисконапонски шини (5V / 3.3V, итн.) → Секундарна LDO регулација / локално филтрирање на бучава

Оваа архитектура на напојување е порационална. MCU, енкодерот, засилувачите за семплирање и комуникациските примопредаватели бараат чиста, стабилна нисконапонска енергија, додека MOS прекинувачите и фазните линии на моторот генерираат интензивен шум. Ако нисконапонското напојување нема доволно перформанси против пречки, првите грешки што се појавуваат обично не се дефекти на моторот, туку нагли скокови на аголот, прекини на комуникацијата или отчитувања на семплирањето на струјата што флуктуира.

05 Сензор за струја и температура: Роботските зглобови мора да го следат излезниот вртежен момент во реално време

 

Слика 7: Повеќе отпорници за нисковредно мерење R001 се наоѓаат под трифазниот дел за напојување.

Компонентите R001 се критични на оваа плочка, претставувајќи отпорници за мерење на ниска вредност на милиомско ниво (обично 1 mΩ) што се користат за мерење на фазната струја на моторот или струјата на шината. Сензорот на струја го формира јадрото на контролата во затворена јамка за роботските зглобови, бидејќи излезниот вртежен момент на BLDC моторот е силно поврзан со неговата фазна струја.

Со други зборови, контролерот не го „погодува“ излезниот вртежен момент на спојот; наместо тоа, ја пресметува струјата со мерење на малиот пад на напонот низ отпорниците за мерење:

Пад на напон преку отпорникот за мерење → Засилување и филтрирање → ADC земање примероци → Пресметка на струја → FOC контрола на вртежниот момент

Прецизноста на овој сигнален ланец директно влијае на:

Точност на контролата на вртежниот момент: Ако проценката на струјата е неточна, излезниот вртежен момент ќе биде неточен.

Мазност при мала брзина: Високиот шум при семплирање има тенденција да предизвика треперење при мали брзини.

Заштита од прекумерна струја: Бавниот одговор може да ги изгори MOSFET-ите, додека премногу чувствителните поставки резултираат со лажни активирања на заштитата.

Стратегија за термичко управување: Одржливата висока струја доведува до истовремено зголемување на температурата во намотките на моторот, MOSFET-ите и отпорниците за мерење на струја.

Од перспектива на распоредот, поставувањето на отпорници за мерење на струја во близина на MOSFET-ите и фазните жици го скратува времето на јамката со висока струја, што помага да се намалат паразитските индуктивност и грешките при семплирање. Голем број мали отпорници и кондензатори се распоредени во близина на секоја фаза, генерално користени за пригушување на гејтот, филтрирање на семплирањето, стабилизација на драјверот и локално раздвојување.

Детекцијата на температурата е подеднакво неопходна. Ознаката MOTOR NTC означува термистор инсталиран во внатрешноста на моторот или во близина на намотките. За споеви на хуманоиден робот, работата со мала брзина и висок вртежен момент, продолженото статичко држење и минливиот удар за време на стоење или клекнување генерираат значително зголемување на температурата. NTC му овозможува на контролерот да извршува три клучни функции базирани на температура:

Ограничување на струјата: Намалување на максималната излезна струја како што температурата се зголемува; Дератирање: Ограничување на врвниот вртежен момент под постојани тешки оптоварувања;

Заштитно исклучување: Влезете во режим на грешка откако температурата ќе го надмине безбедносниот праг.

Ова е исто така фундаментална способност што мора да ја имаат професионалните роботски зглобови. Без контрола на температурата со затворена јамка, зглобот не може да работи сигурно подолг период и покрај високиот врвен вртежен момент.

06 Детекција на позиција: Двојни магнетни енкодери и запчаници ги конвертираат аглите со едно вртење во отчитувања на позицијата со повеќе вртења

По отстранувањето на PCBA, на задната страна може да се видат мали структури на запчаници. Ова не се главните редукциски запчаници, туку помошни механизми дизајнирани за детекција на агли.

 

Слика 8: Област на запчаникот и магнетниот енкодер на задната страна од контролната табла

 

Слика 9: Ротацијата на централното вратило ги придвижува двата соседни пињонски запчаници да ротираат синхроно.

Структурно, ротацијата на централното вратило ги движи двата мали запчаници. Магнетна компонента е поставена во центарот на секој мал запчаник, со магнетни енкодерски интегрирани кола монтирани на соодветните позиции на задната страна од PCBA. Магнетните енкодери ги мерат аголните варијации на магнетните полиња, елиминирајќи ја потребата од оптички решеткасти дискови. Тие се толерантни на мала контаминација со масло и прашина, што ги прави посоодветни за целосно затворени роботски споеви.

 

Слика 10: Структурата со двоен запчаник и двоен кодер ја подобрува аголната резолуција и овозможува детекција на положба во повеќе кривини.

Она што овде најмногу се издвојува е конфигурацијата „двојна брзина + двоен магнетен енкодер“. Нејзината вредност оди многу подалеку од едноставно додавање на втор сензор за поголема точност; најверојатно е конструирана за да реализира шема за кодирање на апсолутна позиција со повеќе кривини:

Еден магнетен енкодер прецизно ги мери аглите во рамките на 0–360°;

сепак, спојот може да ротира повеќекратни вртежи, а енкодер со еден вртеж не може сам да го одреди бројот на вртежи;

Ако двата запчаници имаат различен број на заби или преносни односи, тие формираат корелација слична на ноние;

Со комбинирање на двете аголни отчитувања, контролерот ја пресметува апсолутната положба во многу поширок опсег.

Оваа структура им дава голема вредност на хуманоидните роботи. По исклучувањето на напојувањето, зглобовите на нозете, рацете или половината може да бидат поместени од надворешни сили. По повторното вклучување на напојувањето, зглобовите на кои им се потребни обемни движења на навалување страдаат од ниска ефикасност и претставуваат опасност по безбедноста. Сензорот за апсолутна положба со повеќекратни вртења им овозможува на зглобовите веднаш да ги преземат податоците за држењето на телото штом се воспостави напојувањето.