04 Задвижване на захранването: Трифазният MOS мост определя капацитета на изходния въртящ момент на съединението

Фигура 5: Проводниците на трифазния двигател са централно свързани към захранващата секция на MOS транзистора, като около нея са разположени резистори за семплиране, драйвери и филтърни компоненти.

 

Този съвместен драйвер е предназначен за трифазни безчеткови двигатели. Високопроизводителното управление на трифазни BLDC двигатели обикновено изисква три полумоста, образуващи трифазен инвертор с минимум шест мощни MOSFET транзистора. Няколко MOS устройства с голям корпус.можеда се забелязва върху печатната платка, обграждаща точките за запояване на трифазния изход, в съответствие с тази архитектура.

 

Работната логика на трифазния мост може да бъде опростена, както следва:

Напрежението от батерията или шината се подава през P+ и P-; Високоскоростното превключване на MOS полумостове преобразува постояннотоковото напрежение в трифазен ток;

Трифазният ток протича в намотките на двигателя, за да генерира въртящо се магнитно поле; Контролерът непрекъснато регулира работните цикли на ШИМ въз основа на позицията на енкодера и обратната връзка по тока;

В крайна сметка това позволява на съединението да генерира целеви въртящ момент, скорост или позиция.

Лошият дизайн на тази секция ще доведе до няколко типични проблема: прекомерно нагряване на MOS транзистора, трептене при ниска скорост, силни пулсации на въртящия момент, фалшиво задействане на защита от свръхток и електромагнитни смущения, засягащи енкодерите или комуникационните вериги. Поради тази причина проектирането на силови платки за роботизирани съединения е много по-предизвикателно от това на обикновените платки с драйвери за малки двигатели.

 

Фигура 6: Регулаторът на напрежение TLV767 може да се види на платката, заедно с индуктори, кондензатори и няколко нисковолтови захранващи компонента.

Струва си да се анализира и схемата на захранването. LDO регулатори като TLV767 и силови индуктори с маркировка "100" са видими на печатната платка. Като се има предвид сценарият на приложение на съединения с номинално напрежение 48V, може да се заключи, че е малко вероятно нисковолтовата система да бъде директно понижена от високо напрежение единствено чрез LDO. Вместо това е възприета архитектура на захранването, подобна на следната:

Високоволтова шина → Превключване на понижаващо преобразуване → Нисковолтови шини (5V / 3.3V и др.) → Вторична LDO регулация / локално филтриране на шум

Тази архитектура на захранването е по-рационална. Микроконтролерът, енкодерът, семплиращите усилватели и комуникационните приемо-предаватели изискват чисто и стабилно нисковолтово захранване, докато MOS превключвателите и фазовите линии на двигателя генерират интензивен шум. Ако нисковолтовото захранване няма достатъчна защита от смущения, първите повреди, които се появяват, обикновено не са неизправности на двигателя, а резки ъглови скокове, прекъсвания на комуникацията или дрейфуващи показания на семплиращия ток.

05 Сензори за ток и температура: Роботизираните съединения трябва да следят изходния въртящ момент в реално време

 

Фигура 7: Няколко нискостойностни сензорни резистора R001 са разположени под трифазната захранваща секция.

Компонентите R001 са критични на тази платка, представляващи нискостойностни сензорни резистори от милиоми (обикновено 1 mΩ), използвани за измерване на фазовия ток на двигателя или тока на шината. Сензорът на ток формира ядрото на управлението със затворен контур за роботизирани съединения, тъй като изходният въртящ момент на BLDC двигателя е силно корелиран с неговия фазов ток.

С други думи, контролерът не „предполага“ изходния въртящ момент на съединението; вместо това, той изчислява тока чрез измерване на малкия пад на напрежението върху сензорните резистори:

Пад на напрежението върху чувствителния резистор → Усилване и филтриране → Дискретизация на аналогово-цифровия преобразувател (ADC) → Изчисляване на тока → Управление на въртящия момент от оптичния контролер (FOC)

Прецизността на тази сигнална верига пряко влияе върху:

Точност на управлението на въртящия момент: Ако оценката на тока е неточна, изходният въртящ момент ще бъде неточен.

Плавност при ниска скорост: Високият шум при семплиране е склонен да причинява трептене при ниски скорости.

Защита от свръхток: Бавната реакция може да изгори MOSFET-ите, докато прекалено чувствителните настройки водят до фалшиви задействания на защитата.

Стратегия за управление на температурата: Продължителният висок ток води до едновременно повишаване на температурата в намотките на двигателя, MOSFET-ите и токоизмервателните резистори.

От гледна точка на оформлението, поставянето на токово-чувствителни резистори близо до MOSFET транзисторите и фазовите кабели скъсява силнотоковия контур, което спомага за намаляване на паразитната индуктивност и грешките при семплиране. Голям брой малки резистори и кондензатори са разположени близо до всяка фаза, обикновено използвани за демпфиране на гейта, филтриране на семплирането, стабилизиране на драйвера и локално разделяне.

Отчитането на температурата е също толкова необходимо. Етикетът MOTOR NTC показва термистор, инсталиран вътре в двигателя или в близост до намотките. При хуманоидните роботи, работата с ниска скорост и висок въртящ момент, продължителното статично задържане и преходното въздействие по време на изправяне или клякане генерират значителни повишавания на температурата. NTC позволява на контролера да изпълнява три ключови функции, базирани на температурата:

Ограничаване на тока: Намалете максималния изходен ток с повишаване на температурата; Намаление на номиналните стойности: Ограничете пиковия въртящ момент при продължителни тежки натоварвания;

Защитно изключване: Влизане в режим на повреда, след като температурата надвиши прага на безопасност.

Това е и фундаментална способност, която професионалните роботизирани съединения трябва да притежават. Без контрол на температурата в затворен контур, съединението не може да работи надеждно за продължителни периоди, въпреки високия си пиков въртящ момент.

06 Откриване на позиция: Двойни магнитни енкодери и зъбни колела преобразуват ъгли от единичен завой в показания на позицията от много завой

След отстраняване на печатната платка (PCBA), на обратната страна може да се види набор от малки зъбни колела. Това не са основните редуктори, а спомагателни механизми, предназначени за откриване на ъгъл.

 

Фигура 8: Зона за зъбно колело и магнитен енкодер на обратната страна на платката за управление

 

Фигура 9: Въртенето на централния вал задвижва двете съседни зъбни колела да се въртят синхронно.

Структурно, въртенето на централния вал задвижва двете малки зъбни колела. В центъра на всяко малко зъбно колело е монтиран магнитен компонент, като интегралните схеми на магнитния енкодер са монтирани на съответстващи позиции от задната страна на печатната платка (PCBA). Магнитните енкодери измерват ъгловите вариации на магнитните полета, елиминирайки необходимостта от оптични решетъчни дискове. Те са устойчиви на незначително замърсяване с масло и прах, което ги прави по-подходящи за напълно затворени роботизирани съединения.

 

Фигура 10: Структурата с двойна предавка и двоен енкодер подобрява ъгловата разделителна способност и позволява многооборотно откриване на позиция.

Това, което най-много се откроява тук, е конфигурацията „двойна предавка + двоен магнитен енкодер“. Нейната стойност далеч надхвърля простото добавяне на втори сензор за по-висока точност; най-вероятно е проектирана да реализира многооборотна схема за кодиране на абсолютна позиция:

Един магнитен енкодер измерва точно ъгли в диапазона 0–360°;

все пак едно съединение може да направи множество обороти, а еднооборотен енкодер не може сам да определи броя на оборотите;

Ако двете зъбни колела имат различен брой зъби или предавателни числа, те образуват корелация, подобна на нониус;

Чрез комбиниране на двете ъглови показания, контролерът изчислява абсолютната позиция в много по-широк диапазон.

Тази структура е от голяма полза за хуманоидните роботи. След изключване на захранването, краката, ръцете или ставите на кръста могат да бъдат изместени от външни сили. При повторно включване на захранването, ставите, изискващи обширни движения за самонасочване, страдат от ниска ефективност и представляват опасност за безопасността. Многооборотното отчитане на абсолютната позиция позволява на ставите незабавно да извличат данни за позата веднага щом захранването бъде възстановено.