04 Voimakäyttö: Kolmivaiheinen MOS-silta määrittää nivelen lähtömomentin kapasiteetin

Kuva 5: Kolmivaiheiset moottorin johdot on kytketty keskeisesti MOS-teho-osaan, ja näytteenottovastukset, ajurit ja suodatinkomponentit on järjestetty sen ympärille.

 

Tämä nivelohjain on suunniteltu kolmivaiheisille harjattomille moottoreille. Kolmivaiheisten BLDC-moottoreiden tehokas ohjaus vaatii tyypillisesti kolme puolisiltaa, jotka muodostavat kolmivaiheisen invertterin, jossa on vähintään kuusi teho-MOSFETiä. Useita suurikokoisia MOS-komponenttejatölkkihavaitaan piirilevyllä kolmivaiheisten lähtöjen juotospisteiden ympärillä tämän arkkitehtuurin mukaisesti.

 

Kolmivaiheisen sillan toimintalogiikkaa voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:

Akku- tai väyläjännite syötetään P+- ja P--napojen kautta; MOS-puolisiltojen nopea kytkentä muuntaa tasajännitteen kolmivaihevirraksi;

Kolmivaihevirta virtaa moottorin käämeihin ja tuottaa pyörivän magneettikentän; ohjain säätää jatkuvasti PWM-käyttöjaksoja kooderin asennon ja virran takaisinkytkennän perusteella;

Lopulta nivelen mahdollistaminen kohdennetun vääntömomentin, nopeuden tai asennon tuottamiseen.

Tämän osion huono suunnittelu johtaa useisiin tyypillisiin ongelmiin: liialliseen MOS-lämpenemiseen, hitaaseen jitteriin, voimakkaaseen vääntömomentin aaltoiluun, väärään ylivirtasuojan laukeamiseen ja EMI-häiriöihin, jotka vaikuttavat enkoodereihin tai tietoliikennepiireihin. Tästä syystä robottien liitosten tehokorttien suunnittelu on paljon haastavampaa kuin tavallisten pienten moottoriohjainkorttien.

 

Kuva 6: TLV767-jännitesäädin näkyy piirilevyllä induktorien, kondensaattoreiden ja useiden pienjännitekomponenttien rinnalla.

Myös virtalähdepuuta kannattaa analysoida. Piirilevyllä näkyvät LDO-säätimet, kuten TLV767, ja "100":lla merkityt tehoinduktorit. Kun otetaan huomioon 48 V:n liitosten sovellusskenaario, voidaan päätellä, että pienjännitejärjestelmää ei todennäköisesti alenneta suoraan korkeajännitteestä pelkästään LDO:iden kautta. Sen sijaan käytetään seuraavanlaista virtalähdearkkitehtuuria:

Korkeajänniteväylä → Kytkentävaiheen muuntaminen → Matalajännitekiskot (5V / 3,3V jne.) → Toissijainen LDO-säätö / paikallinen kohinansuodatus

Tämä tehoarkkitehtuuri on järkevämpi. Mikrokontrolleri, enkooderi, näytteenottovahvistimet ja tietoliikennelähetin-vastaanottimet tarvitsevat puhdasta ja vakaata pienjännitetehoa, kun taas MOS-kytkimet ja moottorin vaihelinjat tuottavat voimakasta kohinaa. Jos pienjännitevirtalähteen häiriönsietokyky ei ole riittävä, ensimmäiset viat eivät yleensä ole moottorin toimintahäiriöitä, vaan äkillisiä kulmahyppyjä, tietoliikenteen katkoksia tai virran näytteenottotulosten ajautumista.

05 Virta- ja lämpötila-anturit: Robottien nivelten on valvottava lähtövääntömomenttia reaaliajassa

 

Kuva 7: Kolmivaiheisen teho-osan alapuolella on useita R001-matala-arvoisia tunnistusvastuksia.

R001-komponentit ovat kriittisiä tällä piirilevyllä. Ne edustavat milliohmitason matalan arvon tunnistusvastuksia (tyypillisesti 1 mΩ), joita käytetään moottorin vaihevirran tai väylävirran mittaamiseen. Virranmittaus muodostaa robottiliitosten suljetun silmukan ohjauksen ytimen, koska BLDC-moottorin lähtömomentti korreloi vahvasti sen vaihevirran kanssa.

Toisin sanoen ohjain ei "arvaa" nivelen vääntömomenttia; sen sijaan se laskee virran mittaamalla pienen jännitehäviön aistivastusten yli:

Jännitehäviö tuntovastusn yli → Vahvistus ja suodatus → ADC-näytteenotto → Virran laskenta → FOC-vääntömomentin säätö

Tämän signaaliketjun tarkkuus vaikuttaa suoraan:

Vääntömomentin säädön tarkkuus: Jos virran arviointi on epätarkka, myös vääntömomentin tuotto on epätarkka.

Tasainen toiminta alhaisella nopeudella: Suuri näytteenottokohina aiheuttaa usein jitteriä alhaisilla nopeuksilla.

Ylikuormitussuoja: Hidas vaste voi polttaa MOSFET-transistoreita loppuun, kun taas liian herkät asetukset aiheuttavat vääriä suojauslaukaisuja.

Lämmönhallintastrategia: Jatkuva korkea virta johtaa samanaikaiseen lämpötilan nousuun moottorin käämeissä, MOSFET-transistoreissa ja virranmittausvastuksissa.

Suunnittelun näkökulmasta virranmittausvastusten sijoittaminen lähelle MOSFET-transistoreita ja vaihejohdotusta lyhentää suurvirtasilmukkaa, mikä auttaa vähentämään loisinduktanssia ja näytteenottovirheitä. Kunkin vaiheen lähelle on sijoitettu suuri määrä pieniä vastuksia ja kondensaattoreita, joita käytetään yleensä hilavaimennukseen, näytteenottosuodatukseen, ajurin vakauttamiseen ja paikalliseen irtikytkentään.

Lämpötilan mittaus on yhtä lailla välttämätöntä. MOTOR NTC -merkintä osoittaa termistorin, joka on asennettu moottorin sisään tai käämien viereen. Humanoidirobottien nivelissä hidas ja suurivääntöinen käyttö, pitkäaikainen staattinen pito ja ohimenevät iskut seisomaan tai kyykistymään noustessa aiheuttavat kaikki merkittäviä lämpötilan nousuja. NTC:n avulla ohjain voi suorittaa kolme keskeistä lämpötilaan perustuvaa toimintoa:

Virranrajoitus: Pienennä maksimilähtövirtaa lämpötilan noustessa; Redusointi: Rajoita huippuvääntömomenttia jatkuvan raskaan kuormituksen aikana;

Suojaava sammutus: Siirry vikatilaan, kun lämpötila ylittää turvakynnyksen.

Tämä on myös perustavanlaatuinen ominaisuus, joka ammattimaisilla robottiliitoksilla on oltava. Ilman lämpötilan suljetun silmukan säätöä liitos ei voi toimia luotettavasti pitkiä aikoja korkeasta huippuvääntömomentistaan ​​huolimatta.

06 Paikan tunnistus: Kaksoismagneettiset enkooderit ja vaihteet muuntavat yhden kierroksen kulmat usean kierroksen asentolukemiksi

Piirilevyn irrottamisen jälkeen kääntöpuolella näkyy joukko pieniä hammasrattaita. Nämä eivät ole päävaihteita, vaan kulman havaitsemiseen tarkoitettuja apumekanismeja.

 

Kuva 8: Vaihteiston ja magneettikooderin alue ohjauskortin kääntöpuolella

 

Kuva 9: ​​Keskusakselin pyöriminen saa kaksi vierekkäistä hammaspyörää pyörimään synkronisesti.

Rakenteellisesti keskiakselin pyöriminen käyttää kahta pientä hammaspyörää. Kunkin pienen hammaspyörän keskelle on asennettu magneettinen komponentti, ja magneettianturipiirit on asennettu vastaaviin kohtiin piirilevyn takapuolella. Magneettianturit mittaavat magneettikenttien kulmavaihteluita, mikä poistaa optisten hilalevyjen tarpeen. Ne sietävät pieniä öljykontaminaatioita ja pölyä, mikä tekee niistä sopivampia täysin suljettuihin robottiliitoksiin.

 

Kuva 10: Kaksoisvaihteistolla ja kaksoiskooderilla varustettu rakenne parantaa kulmaresoluutiota ja mahdollistaa monikierrospaikan tunnistuksen.

Tässä erottuu eniten "kaksivaihteinen + kaksoismagneettinen enkooderi" -kokoonpano. Sen arvo on paljon enemmän kuin pelkkä toisen anturin lisääminen tarkkuuden parantamiseksi; se on todennäköisesti suunniteltu toteuttamaan monikierrosinen absoluuttisen paikankoodausjärjestelmä:

Yksi magneettinen enkooderi mittaa kulmia tarkasti 0–360°:n alueella;

silti nivel voi pyöriä useita kierroksia, eikä yhden kierroksen kooderi pysty yksinään määrittämään kierrosten määrää;

Jos kahdella vaihteella on eri hammasmäärät tai välityssuhteet, ne muodostavat vernierin kaltaisen korrelaation;

Yhdistämällä kaksi kulmalukemaa ohjain laskee absoluuttisen sijainnin paljon laajemmalla alueella.

Tämä rakenne tarjoaa paljon arvoa humanoidiroboteille. Virran katkaisemisen jälkeen ulkoiset voimat voivat siirtää jalkojen, käsien tai vyötärön niveliä. Uudelleenkäynnistyksen yhteydessä nivelet, jotka vaativat laajoja kotiutusliikkeitä, kärsivät heikosta tehokkuudesta ja aiheuttavat turvallisuusriskejä. Monikierrosten absoluuttinen asennon tunnistus mahdollistaa nivelten välittömän asentotietojen hakemisen heti, kun virta palautuu.