04 Силовий привід: 3-фазний МОП-міст визначає вихідний крутний момент з'єднання

Рисунок 5: Провід трифазного двигуна центрально підключений до силової секції МОП-транзистора, навколо якого розташовані вибіркові резистори, драйвери та компоненти фільтра.

 

Цей спільний драйвер розроблений для трифазних безщіткових двигунів. Високопродуктивне керування трифазними двигунами BLDC зазвичай вимагає трьох напівмостів, що утворюють трифазний інвертор з щонайменше шістьма потужними MOSFET-транзисторами. Кілька великогабаритних MOS-пристроїв.можеможна помітити на друкованій платі навколо точок паяння трифазного виходу, що відповідає цій архітектурі.

 

Логіку роботи трифазного мосту можна спростити наступним чином:

Напруга акумулятора або шини подається через P+ та P-; Швидкісне перемикання напівмостів МОП перетворює постійну напругу на трифазний струм;

Трифазний струм протікає в обмотки двигуна, генеруючи обертове магнітне поле; контролер безперервно регулює робочі цикли ШІМ на основі положення енкодера та зворотного зв'язку по струму;

Зрештою, це дозволяє суглобу видавати цільовий крутний момент, швидкість або положення.

Неправильне проектування цієї секції призведе до кількох типових проблем: надмірного нагрівання МОН-транзисторів, низькошвидкісного тремтіння, сильної пульсації крутного моменту, хибного спрацьовування захисту від перевантаження по струму та електромагнітних перешкод, що впливають на енкодери або комунікаційні схеми. З цієї причини проектування силових плат для з'єднань роботів є набагато складнішим, ніж проектування звичайних плат драйверів невеликих двигунів.

 

Рисунок 6: Регулятор напруги TLV767 можна побачити на платі, поряд з індуктивностями, конденсаторами та кількома низьковольтними силовими компонентами.

Варто також проаналізувати схему живлення. На друкованій платі видно LDO-стабілізатори, такі як TLV767, та силові індуктори з позначкою "100". Враховуючи сценарій застосування з'єднань з номіналом 48 В, можна зробити висновок, що низьковольтна система навряд чи буде безпосередньо знижена з високої напруги виключно через LDO. Замість цього використовується архітектура джерела живлення, подібна до наступної:

Високовольтна шина → Перемикання понижувального перетворення → Низьковольтні шини (5 В / 3,3 В тощо) → Вторинне регулювання LDO / локальна фільтрація шуму

Така архітектура живлення є більш раціональною. Мікроконтролер, кодер, підсилювачі дискретизації та комунікаційні приймачі потребують чистого, стабільного низьковольтного живлення, тоді як МОП-перемикачі та фазні лінії двигуна генерують інтенсивний шум. Якщо низьковольтне джерело живлення не має достатніх характеристик захисту від перешкод, першими несправностями, що виникають, зазвичай є не несправності двигуна, а різкі кутові стрибки, переривання зв'язку або дрейф показників вибірки струму.

05 Вимірювання струму та температури: з'єднання роботів повинні контролювати вихідний крутний момент у режимі реального часу

 

Рисунок 7: Кілька низькоомних чутливих резисторів R001 розташовані під трифазною силовою секцією.

Компоненти R001 є критично важливими на цій платі, вони являють собою низькоомні чутливі резистори з опором міліом (зазвичай 1 мОм), що використовуються для вимірювання фазного струму двигуна або струму шини. Вимірювання струму є основою замкнутого циклу керування робототехнічними з'єднаннями, оскільки вихідний крутний момент двигуна BLDC сильно корелює з його фазним струмом.

Іншими словами, контролер не «вгадує» вихідний крутний момент з'єднання; натомість він розраховує струм, вимірюючи крихітне падіння напруги на чутливих резисторах:

Падіння напруги на чутливому резисторі → Підсилення та фільтрація → Дискретизація АЦП → Розрахунок струму → Керування крутним моментом оптичного кола

Точність цього сигнального ланцюга безпосередньо впливає на:

Точність керування крутним моментом: Якщо оцінка струму неточна, вихідний крутний момент буде неточним.

Плавність на низькій швидкості: Високий рівень шуму дискретизації має тенденцію викликати тремтіння на низьких швидкостях.

Захист від перевантаження по струму: Повільна реакція може призвести до перегорання MOSFET-транзисторів, а надмірно чутливі налаштування призводять до помилкових спрацьовувань захисту.

Стратегія теплового управління: Тривалий високий струм призводить до одночасного підвищення температури обмоток двигуна, MOSFET та струмочутливих резисторів.

З точки зору компонування, розміщення струмочутливих резисторів поблизу MOSFET та фазного з'єднання скорочує петлю високого струму, що допомагає зменшити паразитну індуктивність та похибки дискретизації. Велика кількість малих резисторів та конденсаторів розташована поблизу кожної фази, зазвичай використовується для демпфування затвора, фільтрації дискретизації, стабілізації драйвера та локальної розв'язки.

Визначення температури також є незамінним. Мітка MOTOR NTC вказує на термістор, встановлений всередині двигуна або поруч з обмотками. Для суглобів гуманоїдних роботів низькошвидкісна робота з високим крутним моментом, тривале статичне утримання та короткочасні удари під час стояння або присідання призводять до значного підвищення температури. NTC дозволяє контролеру виконувати три ключові функції на основі температури:

Обмеження струму: Зменшення максимального вихідного струму при підвищенні температури; Зниження номінальних характеристик: Обмеження пікового крутного моменту при тривалих великих навантаженнях;

Захисне вимкнення: Перехід у режим несправності, коли температура перевищує безпечний поріг.

Це також фундаментальна здатність, яку повинні мати професійні роботизовані з'єднання. Без контролю температури з циклом замкнутого циклу з'єднання не може надійно працювати протягом тривалого часу, незважаючи на високий піковий крутний момент.

06 Визначення положення: подвійні магнітні енкодерні пристрої та шестерні перетворюють кути одного повороту на показники положення за кілька поворотів

Після зняття друкованої плати (PCBA) на зворотному боці можна побачити набір невеликих зубчастих конструкцій. Це не основні редуктори, а допоміжні механізми, призначені для визначення кута.

 

Рисунок 8: Зона шестерні та магнітного енкодера на зворотному боці плати керування

 

Рисунок 9: Обертання центрального вала змушує дві сусідні шестерні обертатися синхронно.

Конструктивно, обертання центрального вала приводить у рух дві малі шестерні. У центрі кожної малої шестерні встановлено магнітний компонент, а мікросхеми магнітних енкодерів встановлені у відповідних позиціях на задній стороні друкованої плати. Магнітні енкодери вимірюють кутові зміни магнітних полів, що усуває необхідність використання оптичних решітчастих дисків. Вони стійкі до незначного забруднення маслом та пилом, що робить їх більш придатними для повністю закритих з'єднань роботів.

 

Рисунок 10: Структура з двома шестернями та двома енкодерами покращує кутову роздільну здатність та дозволяє визначати положення за кілька поворотів.

Найбільше тут виділяється конфігурація «подвійна шестерня + подвійний магнітний енкодер». Її цінність виходить далеко за рамки простого додавання другого датчика для більшої точності; найімовірніше, вона розроблена для реалізації багатооборотної схеми абсолютного кодування положення:

Один магнітний енкодер точно вимірює кути в межах 0–360°;

проте шарнір може обертатися на кілька обертів, а однооборотний енкодер не може самостійно визначити кількість обертів;

Якщо дві шестерні мають різну кількість зубців або передавальні числа, вони утворюють кореляцію, подібну до ноніуса;

Поєднуючи два кутові показники, контролер розраховує абсолютне положення в набагато ширшому діапазоні.

Така структура має велику цінність для гуманоїдних роботів. Після вимкнення живлення ноги, руки або суглоби талії можуть зміщуватися під впливом зовнішніх сил. Після повторного ввімкнення живлення суглоби, що потребують значних рухів самонаведення, мають низьку ефективність і становлять загрозу безпеці. Багатооборотне абсолютне зондування дозволяє суглобам миттєво отримувати дані про поставу, щойно живлення відновлюється.