04 Acționare de putere: Puntea MOS trifazată determină capacitatea cuplului de ieșire al articulației

Figura 5: Firele motorului trifazat sunt conectate central la secțiunea de putere MOS, cu rezistențe de eșantionare, drivere și componente de filtrare aranjate în jurul acesteia.

 

Acest driver de tip „joint driver” este conceput pentru motoare trifazate fără perii. Controlul de înaltă performanță al motoarelor BLDC trifazate necesită de obicei trei semi-punți, formând un invertor trifazat cu minimum șase tranzistoare MOSFET de putere. Mai multe dispozitive MOS cu capsulă marepoatefi observat pe PCBA-ul din jurul punctelor de lipire de ieșire trifazate, în concordanță cu această arhitectură.

 

Logica de funcționare a punții trifazate poate fi simplificată după cum urmează:

Tensiunea bateriei sau a magistralei este alimentată prin P+ și P-; Comutarea de mare viteză a semi-punților MOS transformă tensiunea continuă în curent trifazat;

Curentul trifazat curge în înfășurările motorului pentru a genera un câmp magnetic rotativ; Controlerul ajustează continuu ciclurile de funcționare PWM pe baza poziției encoderului și a feedback-ului curentului;

În cele din urmă, permițând articulației să genereze cuplul, viteza sau poziția țintă.

O proiectare deficitară a acestei secțiuni va duce la câteva probleme tipice: încălzire excesivă a MOS-ului, fluctuații la viteză redusă, ondulații severe ale cuplului, declanșarea falsă a protecției la supracurent și interferențe EMI care afectează encoderele sau circuitele de comunicație. Din acest motiv, proiectarea plăcilor de alimentare pentru îmbinările roboților este mult mai dificilă decât cea a plăcilor de comandă pentru motoare mici obișnuite.

 

Figura 6: Regulatorul de tensiune TLV767 poate fi văzut pe placă, alături de inductoare, condensatoare și mai multe componente de alimentare de joasă tensiune.

Arborele de alimentare merită, de asemenea, analizat. Regulatoarele LDO, cum ar fi TLV767, și inductoarele de putere marcate cu „100” sunt vizibile pe PCB. Având în vedere scenariul de aplicare al joncțiunilor de 48V, se poate deduce că este puțin probabil ca sistemul de joasă tensiune să fie coborât direct de la înaltă tensiune doar prin LDO-uri. În schimb, se adoptă o arhitectură de alimentare similară cu următoarea:

Magistrală de înaltă tensiune → Conversie descendentă în comutare → Șine de joasă tensiune (5V / 3,3V etc.) → Reglare LDO secundară / filtrare a zgomotului local

Această arhitectură de alimentare este mai rațională. MCU-ul, encoderul, amplificatoarele de eșantionare și transceiverele de comunicație necesită o alimentare de joasă tensiune curată și stabilă, în timp ce comutatoarele MOS și liniile de fază ale motorului generează zgomot intens. Dacă sursa de alimentare de joasă tensiune nu are performanțe anti-interferențe suficiente, primele defecte care apar nu sunt de obicei defecțiuni ale motorului, ci salturi bruște de unghi, întreruperi de comunicare sau citiri de eșantionare a curentului în derivă.

05 Detectarea curentului și a temperaturii: Îmbinările robotizate trebuie să monitorizeze cuplul de ieșire în timp real

 

Figura 7: Mai multe rezistențe de detectare cu valoare mică R001 sunt amplasate sub secțiunea de putere trifazată.

Componentele R001 sunt esențiale pe această placă, reprezentând rezistențe de detectare de valoare mică, de nivel miliohmic (de obicei 1 mΩ), utilizate pentru măsurarea curentului de fază al motorului sau a curentului de magistrală. Detectarea curentului formează nucleul controlului în buclă închisă pentru îmbinările robotizate, deoarece cuplul de ieșire al unui motor BLDC este puternic corelat cu curentul său de fază.

Cu alte cuvinte, regulatorul nu „ghicește” cuplul de ieșire al îmbinării; în schimb, calculează curentul măsurând căderea de tensiune minusculă pe rezistențele de detectare:

Cădere de tensiune pe rezistorul de detectare → Amplificare și filtrare → Eșantionare ADC → Calculul curentului → Controlul cuplului FOC

Precizia acestui lanț de semnale afectează în mod direct:

Precizia controlului cuplului: Dacă estimarea curentului este inexactă, ieșirea cuplului va fi inexactă.

Netezime la viteză redusă: Zgomotul ridicat de eșantionare tinde să provoace trepidații la viteze mici.

Protecție la supracurent: Răspunsul lent poate arde tranzistoarele MOSFET, în timp ce setările prea sensibile duc la declanșări false de protecție.

Strategie de gestionare termică: Curentul ridicat susținut duce la creșterea simultană a temperaturii în înfășurările motorului, MOSFET-uri și rezistențe de detectare a curentului.

Din perspectiva configurației, plasarea rezistențelor de detectare a curentului aproape de MOSFET-uri și de cablajul de fază scurtează bucla de curent ridicat, ceea ce ajută la reducerea inductanței parazitare și a erorilor de eșantionare. Un număr mare de rezistențe și condensatoare mici sunt aranjate în apropierea fiecărei faze, utilizate în general pentru amortizarea porții, filtrarea eșantionării, stabilizarea driverului și decuplarea locală.

Detectarea temperaturii este la fel de indispensabilă. Eticheta MOTOR NTC indică un termistor instalat în interiorul motorului sau adiacent înfășurărilor. În cazul îmbinărilor roboților umanoizi, funcționarea la viteză redusă și cuplu mare, menținerea statică prelungită și impactul tranzitoriu în timpul ridicării în picioare sau ghemuirii generează creșteri substanțiale de temperatură. NTC permite controlerului să îndeplinească trei funcții cheie bazate pe temperatură:

Limitarea curentului: Reduceți curentul maxim de ieșire pe măsură ce temperatura crește; Declasare: Limitați cuplul maxim sub sarcini mari susținute;

Oprire de protecție: Intrați în modul de avarie odată ce temperatura depășește pragul de siguranță.

Aceasta este, de asemenea, o capacitate fundamentală pe care trebuie să o aibă îmbinările robotizate profesionale. Fără un control al temperaturii în buclă închisă, îmbinarea nu poate funcționa în mod fiabil pentru perioade lungi de timp, în ciuda cuplului său maxim ridicat.

06 Detectarea poziției: Encoderele magnetice duale și angrenajele convertesc unghiurile dintr-o singură tură în citiri de poziție pentru mai multe ture

După scoaterea PCBA, pe verso se poate observa un set de mici structuri de angrenaje. Acestea nu sunt angrenajele principale de reducere, ci mecanisme auxiliare concepute pentru detectarea unghiului.

 

Figura 8: Zona angrenajului și a encoderului magnetic pe verso-ul plăcii de control

 

Figura 9: Rotația arborelui central acționează cele două roți dințate pinion adiacente pentru a se roti sincron.

Din punct de vedere structural, rotația arborelui central acționează cele două roți dințate mici. O componentă magnetică este montată în centrul fiecărei roți dințate mici, cu circuite integrate de encodere magnetice montate în pozițiile corespunzătoare pe partea din spate a PCBA. Encoderele magnetice măsoară variațiile unghiulare ale câmpurilor magnetice, eliminând necesitatea discurilor cu rețea optică. Acestea sunt tolerante la contaminarea minoră cu ulei și praf, ceea ce le face mai potrivite pentru îmbinările robotizate complet închise.

 

Figura 10: Structura cu angrenaj dublu și encoder dublu îmbunătățește rezoluția unghiulară și permite detectarea poziției în mai multe ture.

Ceea ce iese cel mai în evidență aici este configurația „dual-gear + dual magnetic encoder”. Valoarea sa depășește cu mult simpla adăugare a unui al doilea senzor pentru o precizie mai mare; cel mai probabil este proiectată pentru a realiza o schemă de codare a poziției absolute multi-turn:

Un singur encoder magnetic măsoară cu precizie unghiuri între 0 și 360°;

totuși, o articulație se poate roti mai multe rotații, iar un encoder cu o singură tură nu poate determina singur numărul de rotații;

Dacă cele două angrenaje au un număr de dinți sau rapoarte de transmisie diferite, acestea formează o corelație asemănătoare vernierului;

Prin combinarea celor două citiri unghiulare, regulatorul calculează poziția absolută pe un interval mult mai larg.

Această structură oferă o valoare deosebită roboților umanoizi. După oprirea alimentării, picioarele, brațele sau articulațiile taliei pot fi deplasate de forțe externe. La repornirea alimentării, articulațiile care necesită mișcări extinse de repornire suferă de o eficiență scăzută și prezintă riscuri pentru siguranță. Detectarea poziției absolute multi-tură permite articulațiilor să recupereze instantaneu datele de postură imediat ce alimentarea este restabilită.