04 Jõuülekanne: 3-faasiline MOS-sild määrab liigendi väljundpöördemomendi võimsuse

Joonis 5: Kolmefaasilise mootori juhtmed on tsentraalselt ühendatud MOS-toiteplokiga, mille ümber on paigutatud diskreetimistakistid, draiverid ja filtrikomponendid.

 

See ühendusdraiver on mõeldud kolmefaasilistele harjadeta mootoritele. Kolmefaasiliste BLDC-mootorite suure jõudlusega juhtimiseks on tavaliselt vaja kolme poolsilda, mis moodustavad kolmefaasilise inverteri vähemalt kuue võimsus-MOSFET-transistoriga. Mitmed suuremahulised MOS-seadmedpurkvõib selle arhitektuuriga kooskõlas olla märgatav kolmefaasilise väljundi jootepunktide ümbritseval trükkplaadil.

 

Kolmefaasilise silla tööloogikat saab lihtsustada järgmiselt:

Aku või siini pinge antakse sisse P+ ja P- klemmide kaudu; MOS-poolsildade kiire lülitamine muudab alalispinge kolmefaasiliseks vooluks;

Kolmefaasiline vool voolab mootori mähistesse, tekitades pöörleva magnetvälja; kontroller reguleerib pidevalt PWM-töötsükleid enkoodri asendi ja voolu tagasiside põhjal;

Lõppkokkuvõttes võimaldab see liigendil edastada sihtmärk-pöördemomenti, -kiirust või -asendit.

Selle sektsiooni halb disain toob kaasa mitu tüüpilist probleemi: liigne MOS-i kuumenemine, madala kiirusega värin, tugev pöördemomendi pulsatsioon, vale ülekoormuskaitse rakendumine ja elektromagnetilised häired, mis mõjutavad enkoodreid või sideahelaid. Sel põhjusel on robotiühenduste toiteplaadi disain palju keerulisem kui tavaliste väikemootorite juhtplaatide oma.

 

Joonis 6: TLV767 pingeregulaatorit on plaadil näha koos induktiivpoolide, kondensaatorite ja mitmete madalpinge toitekomponentidega.

Samuti tasub analüüsida toiteallika skeemi. Trükkplaadil on näha LDO regulaatoreid, näiteks TLV767, ja "100"-ga tähistatud võimsusinduktorid. Arvestades 48 V nimipingega ühenduste rakendusstsenaariumi, võib järeldada, et madalpingesüsteemi tõenäoliselt ei asendata kõrgepingega ainult LDO-de kaudu. Selle asemel kasutatakse järgmist toiteallika arhitektuuri:

Kõrgepingesiin → Lülitusastmelise muundamise lülitus → Madalpingel põhinevad siinid (5V / 3,3V jne) → Teisene LDO regulatsioon / lokaalne müra filtreerimine

See toitearhitektuur on ratsionaalsem. Mikrokontroller, kodeerija, diskreetimisvõimendid ja sidetransiiverid vajavad puhast ja stabiilset madalpinget, samas kui MOS-lülitid ja mootori faasiliinid tekitavad intensiivset müra. Kui madalpinge toiteallikal puudub piisav häiretevastane jõudlus, ei ole esimesteks ilmnevateks vigadeks tavaliselt mootori talitlushäired, vaid järsud nurgahüpped, side katkestused või triivivad voolu diskreetimisnäidud.

05 Voolu ja temperatuuri mõõtmine: roboti liigesed peavad jälgima väljundmomenti reaalajas

 

Joonis 7: Kolmefaasilise toiteploki all asub mitu R001 madala väärtusega anduritakistit.

Sellel plaadil on kriitilise tähtsusega R001 komponendid, mis esindavad millioomiseid madala väärtusega anduritakisteid (tavaliselt 1 mΩ), mida kasutatakse mootori faasivoolu või siini voolu mõõtmiseks. Voolumõõtmine moodustab robotiühenduste suletud ahela juhtimise tuuma, kuna BLDC-mootori väljundmoment on tugevas korrelatsioonis selle faasivooluga.

Teisisõnu, kontroller ei "arva" ära" liigendi pöördemomendi väljundit; selle asemel arvutab see voolu, mõõtes pisikest pingelangust anduri takistitel:

Pingelangus anduri takistil → Võimendamine ja filtreerimine → ADC proovivõtt → Voolu arvutamine → FOC pöördemomendi juhtimine

Selle signaaliahela täpsus mõjutab otseselt:

Pöördemomendi juhtimise täpsus: kui voolu hinnang on ebatäpne, on ka pöördemomendi väljund ebatäpne.

Sujuvus madalal kiirusel: Suur diskreetimismüra kipub madalal kiirusel värinat tekitama.

Ülekoormuskaitse: aeglane reageering võib MOSFET-transistoreid läbi põletada, samas kui liiga tundlikud sätted põhjustavad valekaitse käivitumist.

Soojushalduse strateegia: püsiv kõrge voolutugevus põhjustab samaaegset temperatuuri tõusu mootori mähistes, MOSFETides ja vooluandurites.

Paigutuse seisukohast lühendab vooluandurite paigutamine MOSFET-transistoride ja faasijuhtmete lähedusse suure vooluahela pikkust, mis aitab vähendada parasiitse induktiivsuse ja diskreetimisvigu. Iga faasi lähedale on paigutatud suur hulk väikeseid takisteid ja kondensaatoreid, mida tavaliselt kasutatakse värava summutamiseks, diskreetimisfiltreerimiseks, draiveri stabiliseerimiseks ja lokaalseks lahtisidumise jaoks.

Temperatuuri tuvastamine on samavõrd hädavajalik. MOTOR NTC märgis tähistab termistorit, mis on paigaldatud mootori sisse või mähiste kõrvale. Humanoidrobotite liigeste puhul põhjustavad olulist temperatuuri tõusu madala kiiruse ja suure pöördemomendiga töötamine, pikaajaline staatiline hoidmine ja mööduvad löögid püsti tõustes või kükkides. NTC võimaldab kontrolleril täita kolme peamist temperatuuril põhinevat funktsiooni:

Voolu piiramine: Vähendage maksimaalset väljundvoolu temperatuuri tõustes; Nimivõimsuse vähendamine: Piirake tippmomenti püsivalt suure koormuse korral;

Kaitsev väljalülitus: lülitub rikkeolekusse, kui temperatuur ületab ohutusläve.

See on ka põhivõime, mis professionaalsetel robotiühendustel peab olema. Ilma temperatuuri suletud ahela juhtimiseta ei saa ühendus pikka aega usaldusväärselt töötada, hoolimata oma kõrgest tippmomendist.

06 Positsiooni tuvastamine: kahekordsed magnetilised enkoodrid ja käigud teisendavad ühe pöörde nurgad mitme pöörde asendinäitudeks

Pärast trükkplaadi eemaldamist on tagaküljel näha väikeste hammasrataste komplekt. Need ei ole peamised reduktorid, vaid nurga tuvastamiseks mõeldud abimehhanismid.

 

Joonis 8: Hammasratta ja magnetilise enkoodri ala juhtplaadi tagaküljel

 

Joonis 9: Keskvõlli pöörlemine paneb kaks kõrvuti asetsevat hammasratast sünkroonselt pöörlema.

Struktuuriliselt paneb tsentraalse võlli pöörlemine käima kahte väikest hammasratast. Iga väikese hammasratta keskele on paigaldatud magnetiline komponent ning magnetilised kodeerija integraallülitused on paigaldatud trükkplaadi tagaküljele vastavatele positsioonidele. Magnetilised kodeerijad mõõdavad magnetväljade nurkmuutusi, välistades optiliste võreketaste vajaduse. Need taluvad väiksemaid õlireostusi ja tolmu, mistõttu sobivad need paremini täielikult suletud robotiühenduste jaoks.

 

Joonis 10: Kahe käiguga ja kahekordse kodeerijaga struktuur parandab nurklahutusvõimet ja võimaldab mitme pöördega asukoha tuvastamist.

Kõige enam paistab siin silma konfiguratsioon „kahekäiguline + kahekordne magnetiline enkooder“. Selle väärtus ulatub kaugemale lihtsalt teise anduri lisamisest suurema täpsuse saavutamiseks; see on tõenäoliselt konstrueeritud mitme pöördega absoluutse asukoha kodeerimisskeemi realiseerimiseks:

Üks magnetiline kodeerija mõõdab täpselt nurki vahemikus 0–360°;

ometi võib liigend pöörata mitu pööret ja ühe pöördega kodeerija ei suuda pöörete arvu iseseisvalt määrata;

Kui kahel hammasrattal on erinev hammaste arv või ülekandearvud, moodustavad nad vernierilaadse korrelatsiooni;

Kahe nurganäidu kombineerimise abil arvutab kontroller absoluutse positsiooni palju laiemas vahemikus.

See struktuur pakub humanoidrobotite jaoks suurt väärtust. Pärast väljalülitamist võivad jalgade, käte või vöökoha liigesed väliste jõudude mõjul nihkuda. Uuesti sisselülitamisel on ulatuslikke koduliigutusi vajavad liigesed madala efektiivsusega ja kujutavad endast ohutusriski. Mitme pöördega absoluutse asendi tuvastamine võimaldab liigestel koheselt asendiandmeid hankida niipea, kui toide taastatakse.