04 Pogonski sklop: Trifazni MOS most določa izhodno navorno zmogljivost spoja

Slika 5: Žice trifaznega motorja so centralno priključene na napajalni del MOS, okoli njih pa so razporejeni vzorčni upori, gonilniki in filtrirne komponente.

 

Ta skupni gonilnik je zasnovan za trifazne brezkrtačne motorje. Visokozmogljivo krmiljenje trifaznih BLDC motorjev običajno zahteva tri polmostičke, ki tvorijo trifazni inverter z najmanj šestimi močnostnimi MOSFET-i. Več MOS naprav v velikem ohišju.lahkoopaziti na tiskanem vezju, ki obdaja spajkalne točke trifaznega izhoda, kar je skladno s to arhitekturo.

 

Logiko delovanja trifaznega mostu lahko poenostavimo na naslednji način:

Napetost baterije ali vodila se dovaja prek P+ in P-; Hitro preklapljanje MOS polmostov pretvori enosmerno napetost v trifazni tok;

Trifazni tok teče v navitja motorja in ustvarja vrteče se magnetno polje; krmilnik neprekinjeno prilagaja delovne cikle PWM glede na položaj dajalnika in povratno zanko o toku;

Končno omogoči, da spoj doseže ciljni navor, hitrost ali položaj.

Slaba zasnova tega dela bo povzročila več tipičnih težav: prekomerno segrevanje MOS tranzistorjev, tresenje pri nizki hitrosti, močno valovanje navora, lažno sprožitev zaščite pred preobremenitvijo in motnje EMI, ki vplivajo na dajalnike ali komunikacijska vezja. Zaradi tega je zasnova napajalnih plošč za robotske spoje veliko bolj zahtevna kot zasnova običajnih plošč za gonilnike majhnih motorjev.

 

Slika 6: Na plošči je viden regulator napetosti TLV767, poleg induktorjev, kondenzatorjev in več nizkonapetostnih komponent.

Prav tako je vredno analizirati drevo napajalnika. Na tiskanem vezju so vidni LDO regulatorji, kot je TLV767, in močnostne tuljave z oznako "100". Glede na scenarij uporabe spojev z nazivno napetostjo 48 V je mogoče sklepati, da nizkonapetostnega sistema verjetno ne bo mogoče neposredno znižati z visoke napetosti izključno prek LDO-jev. Namesto tega je uporabljena arhitektura napajalnika, podobna naslednji:

Visokonapetostno vodilo → Preklopna pretvorba navzdol → Nizkonapetostne tirnice (5 V / 3,3 V itd.) → Sekundarna regulacija LDO / lokalno filtriranje šuma

Ta arhitektura napajanja je bolj racionalna. Mikrokontroler, dajalnik, vzorčevalni ojačevalniki in komunikacijski oddajniki-sprejemniki zahtevajo čisto in stabilno nizkonapetostno napajanje, medtem ko MOS stikala in fazne linije motorja ustvarjajo močan šum. Če nizkonapetostno napajanje nima zadostne zaščite pred motnjami, se prve napake običajno ne pojavijo zaradi okvar motorja, temveč zaradi nenadne kotne spremembe, izpadov komunikacije ali nihanja odčitkov vzorčenja toka.

05 Zaznavanje toka in temperature: Robotski sklepi morajo spremljati izhodni navor v realnem času

 

Slika 7: Več nizkovrednostnih zaznavalnih uporov R001 se nahaja pod trifaznim napajalnim delom.

Komponente R001 so na tej plošči ključne, saj predstavljajo nizkovrednostne upornike na ravni miliohmov (običajno 1 mΩ), ki se uporabljajo za merjenje faznega toka motorja ali toka vodila. Zaznavanje toka tvori jedro zaprtozančnega krmiljenja robotskih spojev, saj je izhodni navor motorja BLDC močno povezan z njegovim faznim tokom.

Z drugimi besedami, krmilnik ne "ugiba" navora spoja; namesto tega izračuna tok z merjenjem majhnega padca napetosti na zaznavnih uporih:

Padec napetosti na zaznavalnem uporu → Ojačitev in filtriranje → Vzorčenje ADC → Izračun toka → Krmiljenje navora optičnega vezja

Natančnost te signalne verige neposredno vpliva na:

Natančnost krmiljenja navora: Če je ocena toka netočna, bo tudi izhodni navor netočen.

Gladkost pri nizki hitrosti: Visok šum vzorčenja ponavadi povzroči tresenje pri nizkih hitrostih.

Zaščita pred preobremenitvijo: Počasen odziv lahko izprazni MOSFET-e, preveč občutljive nastavitve pa povzročijo lažno sprožitev zaščite.

Strategija toplotnega upravljanja: Vztrajno visok tok vodi do hkratnega dviga temperature v navitjih motorja, MOSFET-ih in upornikih za zaznavanje toka.

Z vidika postavitve namestitev uporov za zaznavanje toka blizu MOSFET-ov in faznega ožičenja skrajša visokotokovno zanko, kar pomaga zmanjšati parazitsko induktivnost in napake vzorčenja. V bližini vsake faze je razporejenih veliko število majhnih uporov in kondenzatorjev, ki se običajno uporabljajo za dušenje vrat, filtriranje vzorčenja, stabilizacijo gonilnika in lokalno ločevanje.

Zaznavanje temperature je prav tako nepogrešljivo. Oznaka MOTOR NTC označuje termistor, nameščen znotraj motorja ali poleg navitij. Pri sklepih humanoidnih robotov delovanje pri nizki hitrosti in visokem navoru, dolgotrajno statično zadrževanje in prehodni udarci med vstajanjem ali počepanjem povzročajo znatne dvige temperature. NTC omogoča krmilniku izvajanje treh ključnih funkcij, ki temeljijo na temperaturi:

Omejitev toka: Zmanjšajte največji izhodni tok, ko temperatura narašča; Zmanjšanje nazivne moči: Zmanjšajte največji navor pri dolgotrajnih velikih obremenitvah;

Zaščitni izklop: Vstop v način napake, ko temperatura preseže varnostni prag.

To je tudi temeljna zmogljivost, ki jo morajo imeti profesionalni robotski spoji. Brez regulacije temperature v zaprti zanki spoj ne more zanesljivo delovati dlje časa kljub visokemu nazivnemu navoru.

06 Zaznavanje položaja: Dvojni magnetni dajalniki in zobniki pretvarjajo kote z enim obratom v odčitke položaja z več obrati

Po odstranitvi plošče tiskanega vezja (PCBA) je na hrbtni strani viden sklop majhnih zobnikov. To niso glavni reduktorji, temveč pomožni mehanizmi, namenjeni zaznavanju kota.

 

Slika 8: Območje zobnika in magnetnega dajalnika na hrbtni strani krmilne plošče

 

Slika 9: Vrtenje osrednje gredi poganja dva sosednja pastorka, da se sinhrono vrtita.

Strukturno gledano vrtenje osrednje gredi poganja dva majhna zobnika. V središču vsakega majhnega zobnika je nameščena magnetna komponenta, integrirana vezja magnetnih dajalnikov pa so nameščena na ustreznih mestih na zadnji strani tiskanega vezja. Magnetni dajalniki merijo kotne spremembe magnetnih polj, s čimer odpravljajo potrebo po optičnih mrežastih diskih. Odporni so na manjše onesnaženje z oljem in prah, zaradi česar so primernejši za popolnoma zaprte robotske spoje.

 

Slika 10: Struktura z dvojnim zobnikom in dvojnim dajalnikom izboljša kotno ločljivost in omogoča zaznavanje položaja z več obrati.

Najbolj izstopa konfiguracija "dvojni zobnik + dvojni magnetni dajalnik". Njena vrednost daleč presega zgolj dodajanje drugega senzorja za večjo natančnost; najverjetneje je zasnovana za realizacijo sheme večobratnega absolutnega kodiranja položaja:

En sam magnetni dajalnik natančno meri kote v območju 0–360°;

vendar se lahko spoj zavrti za več vrtljajev, dajalnik z enim obratom pa ne more sam določiti števila vrtljajev;

Če imata obe prestavi različno število zob ali prestavna razmerja, tvorita korelacijo, podobno vernierju;

Z združevanjem obeh kotnih odčitkov krmilnik izračuna absolutni položaj v veliko širšem območju.

Ta struktura prinaša veliko vrednost humanoidnim robotom. Po izklopu napajanja se lahko noge, roke ali pasni sklepi premaknejo zaradi zunanjih sil. Ob ponovnem vklopu napajanja imajo sklepi, ki zahtevajo obsežne gibe v smeri nazaj, nizko učinkovitost in predstavljajo varnostno tveganje. Večobratno zaznavanje absolutnega položaja omogoča sklepom, da takoj pridobijo podatke o drži, ko je napajanje spet vzpostavljeno.