04 Napęd mechaniczny: Trójfazowy mostek MOS określa moment obrotowy wyjściowy złącza

Rysunek 5: Przewody silnika trójfazowego są podłączone centralnie do sekcji mocy MOS, a wokół nich rozmieszczone są rezystory próbkujące, sterowniki i elementy filtrujące.

 

Ten sterownik jest przeznaczony do trójfazowych silników bezszczotkowych. Wydajne sterowanie trójfazowymi silnikami BLDC zazwyczaj wymaga trzech półmostków, tworzących trójfazowy falownik z co najmniej sześcioma tranzystorami MOSFET mocy. Wiele tranzystorów MOS w dużej obudowie.Mócmożna je znaleźć na płytce PCBA otaczającej punkty lutownicze wyjścia trójfazowego, co jest zgodne z tą architekturą.

 

Logikę działania mostka trójfazowego można uprościć w następujący sposób:

Napięcie akumulatora lub magistrali jest podawane poprzez P+ i P-; Szybkie przełączanie półmostków MOS zamienia napięcie stałe na prąd trójfazowy;

Prąd trójfazowy przepływa przez uzwojenia silnika, wytwarzając wirujące pole magnetyczne. Sterownik stale dostosowuje cykle pracy PWM na podstawie położenia enkodera i sprzężenia zwrotnego prądu.

Ostatecznie umożliwiając stawowi wytworzenie docelowego momentu obrotowego, prędkości lub położenia.

Niewłaściwe zaprojektowanie tej sekcji może prowadzić do kilku typowych problemów: nadmiernego nagrzewania się tranzystorów MOS, drgań przy niskiej prędkości, znacznych tętnień momentu obrotowego, fałszywego zadziałania zabezpieczenia nadprądowego oraz zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) wpływających na enkodery lub obwody komunikacyjne. Z tego powodu projektowanie płyt zasilających dla przegubów robotów jest znacznie trudniejsze niż w przypadku zwykłych płyt sterowników małych silników.

 

Rysunek 6: Na płytce widoczny jest regulator napięcia TLV767, a także cewki indukcyjne, kondensatory i kilka elementów mocy niskiego napięcia.

Warto również przeanalizować strukturę zasilania. Na płytce PCB widoczne są regulatory LDO, takie jak TLV767, oraz cewki mocy oznaczone numerem „100”. Biorąc pod uwagę scenariusz zastosowania złączy o napięciu znamionowym 48 V, można wnioskować, że układ niskiego napięcia raczej nie będzie bezpośrednio obniżany z wysokiego napięcia wyłącznie za pomocą regulatorów LDO. Zamiast tego przyjęto architekturę zasilania podobną do poniższej:

Szyna wysokiego napięcia → Przełączanie konwersji obniżającej napięcie → Szyny niskiego napięcia (5 V / 3,3 V itd.) → Wtórna regulacja LDO / lokalne filtrowanie szumów

Taka architektura zasilania jest bardziej racjonalna. Mikrokontroler, enkoder, wzmacniacze próbkujące i transceivery komunikacyjne wymagają czystego, stabilnego zasilania niskiego napięcia, podczas gdy przełączniki MOS i linie fazowe silnika generują silne szumy. Jeśli zasilacz niskiego napięcia nie ma wystarczających właściwości przeciwzakłóceniowych, pierwszymi błędami, jakie się pojawiają, zazwyczaj nie są awarie silnika, ale nagłe skoki kąta, przerwy w komunikacji lub dryfujące odczyty próbkowania prądu.

05 Pomiar prądu i temperatury: Stawy robota muszą monitorować moment wyjściowy w czasie rzeczywistym

 

Rysunek 7: Pod trójfazową sekcją zasilania znajduje się wiele rezystorów pomiarowych R001 o niskiej wartości.

Komponenty R001 odgrywają kluczową rolę na tej płytce, reprezentując rezystory pomiarowe o niskiej wartości miliomowej (typowo 1 mΩ), używane do pomiaru prądu fazowego silnika lub prądu szyny. Pomiar prądu stanowi rdzeń sterowania w pętli zamkniętej dla stawów robota, ponieważ moment obrotowy wyjściowy silnika BLDC jest silnie skorelowany z prądem fazowym.

Innymi słowy, sterownik nie „zgaduje” momentu obrotowego wyjściowego stawu, lecz oblicza prąd, mierząc niewielki spadek napięcia na rezystorach czujnikowych:

Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym → Wzmocnienie i filtrowanie → Próbkowanie ADC → Obliczanie prądu → Kontrola momentu obrotowego FOC

Precyzja tego łańcucha sygnałowego ma bezpośredni wpływ na:

Dokładność kontroli momentu obrotowego: Jeśli bieżąca ocena jest niedokładna, wyjściowy moment obrotowy będzie niedokładny.

Płynność przy niskich prędkościach: Wysoki poziom szumu próbkowania powoduje drgania przy niskich prędkościach.

Zabezpieczenie nadprądowe: Powolna reakcja może spowodować spalenie tranzystorów MOSFET, natomiast zbyt czułe ustawienia skutkują fałszywymi zadziałaniami zabezpieczenia.

Strategia zarządzania temperaturą: Utrzymujący się wysoki prąd powoduje jednoczesny wzrost temperatury uzwojeń silnika, tranzystorów MOSFET i rezystorów wykrywających prąd.

Z punktu widzenia układu, umieszczenie rezystorów wykrywających prąd blisko tranzystorów MOSFET i przewodów fazowych skraca pętlę wysokoprądową, co pomaga zredukować indukcyjność pasożytniczą i błędy próbkowania. W pobliżu każdej fazy rozmieszczono dużą liczbę małych rezystorów i kondensatorów, zazwyczaj wykorzystywanych do tłumienia bramki, filtrowania próbkowania, stabilizacji sterownika i lokalnego odsprzęgania.

Równie niezbędny jest pomiar temperatury. Oznaczenie MOTOR NTC wskazuje na termistor zainstalowany wewnątrz silnika lub w pobliżu uzwojeń. W przypadku przegubów robotów humanoidalnych, praca przy niskiej prędkości i wysokim momencie obrotowym, długotrwałe przetrzymywanie w pozycji statycznej oraz krótkotrwałe uderzenia podczas wstawania lub kucania generują znaczne wzrosty temperatury. NTC umożliwia kontrolerowi realizację trzech kluczowych funkcji opartych na temperaturze:

Ograniczanie prądu: Zmniejszanie maksymalnego prądu wyjściowego wraz ze wzrostem temperatury; Obniżanie wartości znamionowych: Ograniczanie szczytowego momentu obrotowego przy długotrwałym, dużym obciążeniu;

Wyłączenie ochronne: Przechodzi w tryb awaryjny, gdy temperatura przekroczy próg bezpieczeństwa.

Jest to również podstawowa cecha, którą muszą posiadać profesjonalne przeguby robotów. Bez kontroli temperatury w pętli zamkniętej przegub nie może pracować niezawodnie przez dłuższy czas, pomimo wysokiego momentu obrotowego.

06 Wykrywanie pozycji: Podwójne enkodery magnetyczne i przekładnie zamieniają kąty jednoobrotowe na odczyty położenia wieloobrotowego

Po wyjęciu płytki PCBA, na odwrocie widać zestaw małych przekładni. Nie są to główne przekładnie redukcyjne, lecz mechanizmy pomocnicze służące do pomiaru kąta.

 

Rysunek 8: Obszar przekładni i enkodera magnetycznego na odwrocie płyty sterującej

 

Rysunek 9: Obrót centralnego wału napędza dwa sąsiadujące koła zębate, powodując ich synchroniczny obrót.

Strukturalnie, obrót centralnego wału napędza dwa małe koła zębate. Element magnetyczny jest zamontowany w środku każdego małego koła zębatego, a układy scalone enkoderów magnetycznych zamontowano w odpowiednich miejscach z tyłu płytki PCBA. Enkodery magnetyczne mierzą zmiany kątowe pól magnetycznych, eliminując potrzebę stosowania optycznych tarcz kratowych. Są odporne na niewielkie zanieczyszczenia olejem i pył, dzięki czemu lepiej nadają się do całkowicie zamkniętych przegubów robotów.

 

Rysunek 10: Podwójna przekładnia i podwójny enkoder poprawiają rozdzielczość kątową i umożliwiają wieloobrotowe wykrywanie położenia.

Najbardziej wyróżnia się tutaj konfiguracja „podwójne koło zębate + podwójny enkoder magnetyczny”. Jej wartość wykracza daleko poza proste dodanie drugiego czujnika dla większej dokładności; najprawdopodobniej została zaprojektowana z myślą o realizacji wieloobrotowego schematu kodowania położenia absolutnego:

Pojedynczy enkoder magnetyczny dokładnie mierzy kąty w zakresie 0–360°;

jednak staw może wykonać wiele obrotów, a enkoder jednoobrotowy nie jest w stanie samodzielnie określić liczby obrotów;

Jeżeli dwa koła zębate mają różną liczbę zębów lub przełożenia, tworzą one korelację przypominającą noniusz;

Łącząc dwa odczyty kątowe, sterownik oblicza pozycję bezwzględną w znacznie szerszym zakresie.

Ta konstrukcja ma ogromne znaczenie dla robotów humanoidalnych. Po wyłączeniu zasilania stawy nóg, ramion lub talii mogą zostać przemieszczone pod wpływem sił zewnętrznych. Po ponownym włączeniu zasilania stawy wymagające długich ruchów powrotnych charakteryzują się niską wydajnością i stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa. Wieloobrotowy czujnik położenia absolutnego umożliwia stawom natychmiastowe pobieranie danych o postawie po przywróceniu zasilania.