04 Pohon: Trojfázový MOS mostík určuje výstupný krútiaci moment spoja

Obrázok 5: Vodiče trojfázového motora sú centrálne pripojené k výkonovej časti MOS, okolo ktorej sú usporiadané vzorkovacie rezistory, budiče a filtračné komponenty.

 

Tento spoločný budič je určený pre trojfázové bezkartáčové motory. Vysokovýkonné riadenie trojfázových BLDC motorov zvyčajne vyžaduje tri polovičné mostíky, ktoré tvoria trojfázový invertor s minimálne šiestimi výkonovými MOSFETmi. Viaceré MOS zariadenia vo veľkom puzdre.môžebyť spozorované na doske plošných spojov obklopujúcej trojfázové výstupné spájkovacie body, čo je v súlade s touto architektúrou.

 

Prevádzkovú logiku trojfázového mostíka možno zjednodušiť takto:

Napätie batérie alebo zbernice je privádzané cez P+ a P-; Vysokorýchlostné spínanie MOS polovičných mostíkov prevádza jednosmerné napätie na trojfázový prúd;

Trojfázový prúd tečie do vinutí motora a vytvára rotujúce magnetické pole; Riadiaca jednotka priebežne upravuje pracovné cykly PWM na základe polohy enkodéra a prúdovej spätnej väzby;

V konečnom dôsledku to umožňuje kĺbu dosahovať cieľový krútiaci moment, rýchlosť alebo polohu.

Zlý návrh tejto časti povedie k niekoľkým typickým problémom: nadmerné zahrievanie MOS tranzistorov, chvenie pri nízkych otáčkach, silné zvlnenie krútiaceho momentu, spustenie falošnej ochrany proti nadprúdu a rušenie EMI ovplyvňujúce enkodéry alebo komunikačné obvody. Z tohto dôvodu je návrh výkonových dosiek pre kĺby robotov oveľa náročnejší ako návrh bežných malých dosiek ovládačov motorov.

 

Obrázok 6: Na doske je možné vidieť regulátor napätia TLV767 spolu s induktormi, kondenzátormi a niekoľkými nízkonapäťovými výkonovými komponentmi.

Za analýzu stojí aj štruktúra napájacieho zdroja. Na doske plošných spojov sú viditeľné LDO regulátory, ako napríklad TLV767, a výkonové cievky označené „100“. Vzhľadom na aplikačný scenár spojov s menovitým napätím 48 V možno usudzovať, že nízkonapäťový systém pravdepodobne nebude priamo znižovaný z vysokého napätia výlučne cez LDO. Namiesto toho sa použije architektúra napájacieho zdroja podobná nasledujúcej:

Vysokonapäťová zbernica → Prepínanie a znižovanie prevodu → Nízkonapäťové koľajnice (5V / 3,3V atď.) → Sekundárna regulácia LDO / lokálne filtrovanie šumu

Táto architektúra napájania je racionálnejšia. MCU, kodér, vzorkovacie zosilňovače a komunikačné vysielače a prijímače vyžadujú čisté a stabilné nízkonapäťové napájanie, zatiaľ čo MOS spínače a fázové vedenia motora generujú intenzívny šum. Ak nízkonapäťový zdroj napájania nemá dostatočný protirušivý výkon, prvými poruchami, ktoré sa objavia, zvyčajne nie sú poruchy motora, ale náhle uhlové skoky, výpadky komunikácie alebo kolísavé hodnoty vzorkovania prúdu.

05 Snímanie prúdu a teploty: Kĺby robotov musia monitorovať výstupný krútiaci moment v reálnom čase

 

Obrázok 7: Viaceré nízkohodnotové snímacie rezistory R001 sa nachádzajú pod trojfázovou napájacou časťou.

Komponenty R001 sú na tejto doske kľúčové a predstavujú nízkohodnotové snímacie rezistory na úrovni miliohmov (typicky 1 mΩ), ktoré sa používajú na meranie fázového prúdu motora alebo prúdu zbernice. Snímanie prúdu tvorí jadro riadenia robotických kĺbov v uzavretej slučke, pretože výstupný krútiaci moment BLDC motora silne koreluje s jeho fázovým prúdom.

Inými slovami, regulátor „neodhaduje“ krútiaci moment kĺbu; namiesto toho vypočítava prúd meraním malého úbytku napätia na snímacích rezistoroch:

Úbytok napätia na snímacom rezistore → Zosilnenie a filtrovanie → Vzorkovanie ADC → Výpočet prúdu → Riadenie krútiaceho momentu optickým obvodom

Presnosť tohto signálneho reťazca priamo ovplyvňuje:

Presnosť riadenia krútiaceho momentu: Ak je odhad prúdu nepresný, výstup krútiaceho momentu bude nepresný.

Hladkosť pri nízkych rýchlostiach: Vysoký vzorkovací šum má tendenciu spôsobovať chvenie pri nízkych rýchlostiach.

Ochrana proti nadprúdu: Pomalá odozva môže spôsobiť vyhorenie MOSFETov, zatiaľ čo príliš citlivé nastavenia vedú k falošným spusteniam ochrany.

Stratégia tepelného manažmentu: Trvalý vysoký prúd vedie k súčasnému zvýšeniu teploty vinutí motora, MOSFETov a rezistorov snímajúcich prúd.

Z hľadiska rozloženia, umiestnenie prúdovo snímacích rezistorov v blízkosti MOSFETov a fázového zapojenia skracuje slučku vysokého prúdu, čo pomáha znížiť parazitnú indukčnosť a chyby vzorkovania. V blízkosti každej fázy je usporiadaných veľké množstvo malých rezistorov a kondenzátorov, ktoré sa zvyčajne používajú na tlmenie hradla, filtrovanie vzorkovania, stabilizáciu budiča a lokálne oddelenie.

Detekcia teploty je rovnako nevyhnutná. Označenie MOTOR NTC označuje termistor nainštalovaný vo vnútri motora alebo v blízkosti vinutí. V prípade kĺbov humanoidných robotov spôsobuje prevádzka pri nízkych otáčkach a vysokom krútiacom momente, dlhodobé statické držanie a prechodné nárazy počas vstávania alebo drepovania značné zvýšenie teploty. NTC umožňuje riadiacej jednotke vykonávať tri kľúčové funkcie založené na teplote:

Obmedzenie prúdu: Znížte maximálny výstupný prúd so zvyšujúcou sa teplotou; Zníženie výkonu: Obmedzenie špičkového krútiaceho momentu pri trvalom vysokom zaťažení;

Ochranné vypnutie: Prepnutie do poruchového režimu, keď teplota prekročí bezpečnostnú prahovú hodnotu.

Toto je tiež základná schopnosť, ktorú musia mať profesionálne robotické kĺby. Bez regulácie teploty v uzavretej slučke nemôže kĺb spoľahlivo fungovať dlhší čas, a to aj napriek vysokému špičkovému krútiacemu momentu.

06 Detekcia polohy: Duálne magnetické enkodéry a prevody prevádzajú uhly pri jednom otočení na hodnoty polohy pri viacerých otočeniach

Po odstránení dosky plošných spojov je na zadnej strane vidieť sadu malých ozubených kolies. Nejde o hlavné redukčné prevody, ale o pomocné mechanizmy určené na detekciu uhla.

 

Obrázok 8: Oblasť prevodovky a magnetického enkodéra na zadnej strane riadiacej dosky

 

Obrázok 9: Otáčanie centrálneho hriadeľa poháňa dva susedné pastorky, aby sa otáčali synchrónne.

Konštrukčne, rotácia centrálneho hriadeľa poháňa dva malé ozubené kolesá. V strede každého malého ozubeného kolesa je umiestnený magnetický komponent s integrovanými obvodmi magnetického enkodéra namontovanými na zodpovedajúcich pozíciách na zadnej strane dosky plošných spojov. Magnetické enkodéry merajú uhlové zmeny magnetických polí, čím eliminujú potrebu optických mriežkových diskov. Sú odolné voči menšiemu znečisteniu olejom a prachom, vďaka čomu sú vhodnejšie pre plne uzavreté spoje robotov.

 

Obrázok 10: Štruktúra s dvojitým prevodom a dvojitým enkodérom zlepšuje uhlové rozlíšenie a umožňuje detekciu polohy vo viacerých otáčkach.

Najviac tu vyniká konfigurácia „dvojitý prevod + dvojitý magnetický enkodér“. Jej hodnota ďaleko presahuje jednoduché pridanie druhého snímača pre vyššiu presnosť; s najväčšou pravdepodobnosťou je navrhnutá tak, aby realizovala viacotáčkovú schému kódovania absolútnej polohy:

Jeden magnetický enkodér presne meria uhly v rozsahu 0–360°;

kĺb sa však môže otáčať o viacero otáčok a jednootáčkový enkodér nedokáže sám určiť počet otáčok;

Ak majú dva ozubené kolesá rozdielny počet zubov alebo prevodové pomery, tvoria koreláciu podobnú vernierovej;

Kombináciou dvoch uhlových údajov riadiaca jednotka vypočíta absolútnu polohu v oveľa širšom rozsahu.

Táto konštrukcia prináša humanoidným robotom veľkú hodnotu. Po vypnutí napájania sa nohy, ramená alebo bedrové kĺby môžu vplyvom vonkajších síl posunúť. Po opätovnom zapnutí napájania trpia kĺby vyžadujúce rozsiahle pohyby dozadu nízkou účinnosťou a predstavujú bezpečnostné riziko. Viacotáčkové snímanie absolútnej polohy umožňuje kĺbom okamžite získať údaje o polohe hneď po obnovení napájania.