04 Kraftdrift: 3-faset MOS-bro bestemmer leddets utgående dreiemomentkapasitet

Figur 5: Trefasemotorledningene er sentralt koblet til MOS-effektdelen, med samplingsmotstander, drivere og filterkomponenter arrangert rundt den.

 

Denne felles driveren er designet for trefase børsteløse motorer. Høy ytelseskontroll av trefase BLDC-motorer krever vanligvis tre halvbroer, som danner en trefaseomformer med minimum seks effekt-MOSFET-er. Flere store MOS-enheterkankunne oppdages på PCBA-en rundt loddepunktene for trefaseutganger, i samsvar med denne arkitekturen.

 

Driftslogikken til trefasebroen kan forenkles som følger:

Batteri- eller busspenning mates inn via P+ og P-; Høyhastighetskobling av MOS-halvbroer omdanner likespenning til trefasestrøm;

Trefasestrømmen flyter inn i motorviklingene for å generere et roterende magnetfelt; Kontrolleren justerer kontinuerlig PWM-driftssyklusene basert på koderposisjon og strømtilbakemelding;

Til syvende og sist gjør det mulig for leddet å sende ut målmoment, hastighet eller posisjon.

Dårlig design av denne seksjonen vil føre til flere typiske problemer: overdreven MOS-oppvarming, lavhastighetsjitter, kraftig momentrippel, utløsning av falsk overstrømsbeskyttelse og EMI-forstyrrelser som påvirker kodere eller kommunikasjonskretser. Av denne grunn er design av strømkort for robotledd langt mer utfordrende enn for vanlige små motordriverkort.

 

Figur 6: Spenningsregulatoren TLV767 kan sees på kortet, sammen med induktorer, kondensatorer og flere lavspenningskomponenter.

Strømforsyningstreet er også verdt å analysere. LDO-regulatorer som TLV767 og effektinduktorer merket med "100" er synlige på kretskortet. Med tanke på bruksscenarioet for 48V-rangerte koblinger, kan det utledes at lavspenningssystemet sannsynligvis ikke vil bli direkte nedgradert fra høy spenning utelukkende via LDO-er. I stedet brukes en strømforsyningsarkitektur som ligner på følgende:

Høyspenningsbuss → Omkoblingskonvertering med nedtrapping → Lavspenningsskinner (5V / 3,3V, etc.) → Sekundær LDO-regulering / lokal støyfiltrering

Denne strømarkitekturen er mer rasjonell. MCU-en, koderen, samplingsforsterkerne og kommunikasjonstransceiverne krever ren, stabil lavspenningsstrøm, mens MOS-bryterne og motorfaselinjene genererer intens støy. Hvis lavspenningsstrømforsyningen mangler tilstrekkelig anti-interferens ytelse, er de første feilene som oppstår vanligvis ikke motorfeil, men brå vinkelhopp, kommunikasjonsavbrudd eller drivende strømsamplingsavlesninger.

05 Strøm- og temperaturføling: Robotledd må overvåke utgangsmomentet i sanntid

 

Figur 7: Flere R001 lavverdi-sensormotstander er plassert under trefase-effektseksjonen.

R001-komponentene er kritiske på dette kortet, og representerer lavverdi-sensormotstander på milliohm-nivå (vanligvis 1 mΩ) som brukes til å måle motorfasestrøm eller busstrøm. Strømmåling danner kjernen i lukket sløyfekontroll for robotledd, ettersom utgangsmomentet til en BLDC-motor er sterkt korrelert med fasestrømmen.

Med andre ord, "gjetter" ikke kontrolleren dreiemomentet fra leddet; i stedet beregner den strømmen ved å måle det lille spenningsfallet over sensormotstandene:

Spenningsfall over sensormotstand → Forsterkning og filtrering → ADC-sampling → Strømberegning → FOC-momentkontroll

Presisjonen til denne signalkjeden påvirker direkte:

Momentkontrollnøyaktighet: Hvis strømestimeringen er unøyaktig, vil momentutgangen være unøyaktig.

Lavhastighets jevnhet: Høy samplingsstøy har en tendens til å forårsake jitter ved lave hastigheter.

Overstrømsbeskyttelse: Langsom respons kan brenne ut MOSFET-er, mens for følsomme innstillinger resulterer i falske beskyttelsesutløsere.

Termisk styringsstrategi: Vedvarende høy strøm fører til samtidig temperaturøkning i motorviklinger, MOSFET-er og strømfølende motstander.

Fra et layoutperspektiv forkorter plassering av strømfølende motstander nær MOSFET-er og fasekabling høystrømssløyfen, noe som bidrar til å redusere parasittisk induktans og samplingsfeil. Et stort antall små motstander og kondensatorer er anordnet nær hver fase, vanligvis brukt til gatedemping, samplingsfiltrering, driverstabilisering og lokal avkobling.

Temperaturdeteksjon er like uunnværlig. MOTOR NTC-etiketten indikerer en termistor installert inne i motoren eller ved siden av viklingene. For humanoide robotledd genererer lavhastighets- og høymomentdrift, langvarig statisk holding og forbigående støt under stående eller hukende arbeid betydelige temperaturøkninger. NTC-en gjør det mulig for kontrolleren å utføre tre viktige temperaturbaserte funksjoner:

Strømbegrensning: Reduser maksimal utgangsstrøm når temperaturen stiger; Nedgradering: Begrens toppmomentet under vedvarende tung belastning;

Beskyttende utkobling: Gå inn i feilmodus når temperaturen overstiger sikkerhetsterskelen.

Dette er også en grunnleggende egenskap som profesjonelle robotledd må ha. Uten temperaturkontroll med lukket sløyfe kan ikke leddet fungere pålitelig over lengre perioder til tross for det høye maksimale dreiemomentet.

06 Posisjonsdeteksjon: Doble magnetiske kodere og gir konverterer enkeltsvinkler til flersvinklers posisjonsavlesninger

Etter at PCBA-en er fjernet, kan man se et sett med små girstrukturer på baksiden. Dette er ikke hovedreduksjonsgirene, men hjelpemekanismer designet for vinkeldeteksjon.

 

Figur 8: Område for gir og magnetisk encoder på baksiden av kontrollkortet

 

Figur 9: Rotasjon av den sentrale akselen driver de to tilstøtende pinjonggirene til å rotere synkront.

Strukturelt sett driver rotasjonen av den sentrale akselen de to små girene. En magnetisk komponent er montert i midten av hvert lille gir, med magnetiske koder-IC-er montert på matchende posisjoner på baksiden av PCBA-en. Magnetiske kodere måler vinkelvariasjoner i magnetfelt, noe som eliminerer behovet for optiske gitterskiver. De er tolerante mot mindre oljeforurensning og støv, noe som gjør dem mer egnet for fullstendig lukkede robotledd.

 

Figur 10: Strukturen med to gir og to encodere forbedrer vinkeloppløsningen og muliggjør posisjonsdeteksjon ved flere svinger.

Det som skiller seg mest ut her er konfigurasjonen med «dobbelt gir + dobbel magnetisk encoder». Verdien går langt utover å bare legge til en ekstra sensor for høyere nøyaktighet; den er mest sannsynlig konstruert for å realisere et flersvings absolutt posisjonskodingssystem:

En enkelt magnetisk encoder måler nøyaktig vinkler innenfor 0–360°;

Likevel kan et ledd rotere flere omdreininger, og en enkeltomdreiningskoder kan ikke bestemme antall rotasjoner på egenhånd;

Hvis de to girene har ulikt tanntall eller girforhold, danner de en vernier-lignende korrelasjon;

Ved å kombinere de to vinkelavlesningene beregner kontrolleren den absolutte posisjonen over et mye bredere område.

Denne strukturen gir stor verdi til humanoide roboter. Etter at strømmen er slått av, kan bena, armene eller midjeleddene bli forskjøvet av ytre krefter. Ved ny oppstart vil ledd som krever omfattende bevegelser i retning av posisjonering, lide av lav effektivitet og utgjøre en sikkerhetsrisiko. Absolutt posisjonsregistrering med flere omdreininger lar leddene umiddelbart hente stillingsdata så snart strømmen er tilbake.