04 Aandrijving: De 3-fasen MOS-brug bepaalt het uitgangskoppelvermogen van de verbinding

Figuur 5: De draden van de driefasige motor zijn centraal verbonden met het MOS-vermogensgedeelte, met bemonsteringsweerstanden, drivers en filtercomponenten eromheen geplaatst.

 

Deze gecombineerde driver is ontworpen voor driefasige borstelloze motoren. Hoogwaardige aansturing van driefasige BLDC-motoren vereist doorgaans drie halfbruggen, die samen een driefasige omvormer vormen met minimaal zes vermogens-MOSFET's. Meerdere MOS-componenten met een grote behuizing.kante zien op de printplaat rondom de soldeerpunten voor de driefasige uitgang, wat consistent is met deze architectuur.

 

De werkingslogica van de driefasenbrug kan als volgt worden vereenvoudigd:

De accu- of busspanning wordt via P+ en P- aangevoerd; snelle schakeling van MOS-halfbruggen zet de gelijkspanning om in driefasige stroom;

De driefasige stroom vloeit in de motorwikkelingen om een ​​roterend magnetisch veld te genereren; de controller past de PWM-duty cycles continu aan op basis van de encoderpositie en stroomfeedback;

Uiteindelijk maakt dit het mogelijk dat het gewricht het gewenste koppel, de gewenste snelheid of de gewenste positie levert.

Een slecht ontwerp van dit gedeelte leidt tot diverse veelvoorkomende problemen: overmatige verhitting van de MOS-transistor, trillingen bij lage snelheden, ernstige koppelrimpel, onterechte activering van de overstroombeveiliging en elektromagnetische interferentie die encoders of communicatiecircuits beïnvloedt. Om deze reden is het ontwerpen van een voedingsprintplaat voor robotgewrichten veel complexer dan dat van gewone kleine motorstuurprintplaten.

 

Afbeelding 6: De TLV767-spanningsregelaar is te zien op de printplaat, samen met spoelen, condensatoren en diverse laagspanningscomponenten.

Ook de voedingsstructuur is het analyseren waard. Op de printplaat zijn LDO-regelaars zoals de TLV767 en vermogensspoelen met de aanduiding "100" zichtbaar. Gezien het toepassingsscenario met 48V-verbindingen, kan worden afgeleid dat het laagspanningssysteem waarschijnlijk niet rechtstreeks van hoogspanning wordt afgeschakeld via LDO's. In plaats daarvan wordt een voedingsarchitectuur gebruikt die vergelijkbaar is met het volgende:

Hoogspanningsbus → Schakelende step-downconversie → Laagspanningsrails (5V / 3,3V, enz.) → Secundaire LDO-regeling / lokale ruisfiltering

Deze voedingsarchitectuur is rationeler. De microcontroller, encoder, bemonsteringsversterkers en communicatiezendontvangers hebben een schone, stabiele laagspanningsvoeding nodig, terwijl de MOS-schakelaars en motorfaseleidingen intense ruis genereren. Als de laagspanningsvoeding onvoldoende storingsbestendigheid biedt, zijn de eerste storingen die optreden meestal geen motorstoringen, maar abrupte hoeksprongen, communicatieuitval of afwijkende stroommetingen.

05 Stroom- en temperatuurmeting: Robotgewrichten moeten het uitgangskoppel in realtime bewaken

 

Afbeelding 7: Onder het driefasige voedingsgedeelte bevinden zich meerdere R001-meetweerstanden met een lage waarde.

De R001-componenten zijn cruciaal op deze printplaat. Het betreft meetweerstanden met een lage waarde (doorgaans 1 mΩ) in het milliohm-bereik, die worden gebruikt om de fasestroom van de motor of de busstroom te meten. Stroommeting vormt de kern van de gesloten-lusregeling voor robotgewrichten, aangezien het uitgangskoppel van een BLDC-motor sterk gecorreleerd is met de fasestroom.

Met andere woorden: de controller "raadt" niet het koppel dat het gewricht levert, maar berekent de stroom door de kleine spanningsval over de meetweerstanden te meten.

Spanningsval over de meetweerstand → Versterking en filtering → ADC-bemonstering → Stroomberekening → FOC-koppelregeling

De precisie van deze signaalketen heeft directe invloed op:

Nauwkeurigheid van de koppelregeling: Als de huidige schatting onnauwkeurig is, zal het koppel ook onnauwkeurig zijn.

Vloeiendheid bij lage snelheden: Een hoge bemonsteringsruis veroorzaakt vaak trillingen bij lage snelheden.

Overstroombeveiliging: Een trage reactie kan MOSFET's beschadigen, terwijl te gevoelige instellingen leiden tot valse beveiligingsmeldingen.

Thermisch beheerstrategie: Langdurig hoge stroom leidt tot een gelijktijdige temperatuurstijging in de motorwikkelingen, MOSFET's en stroommeetweerstanden.

Vanuit een lay-outperspectief zorgt het plaatsen van stroommeetweerstanden dicht bij MOSFET's en fasebedrading ervoor dat de hoogstroomlus korter wordt, wat helpt bij het verminderen van parasitaire inductantie en meetfouten. Een groot aantal kleine weerstanden en condensatoren is in de buurt van elke fase geplaatst, doorgaans gebruikt voor gate-demping, filtering van de bemonstering, stabilisatie van de driver en lokale ontkoppeling.

Temperatuurdetectie is eveneens onmisbaar. Het label MOTOR NTC geeft aan dat er een thermistor in de motor of vlakbij de wikkelingen is geïnstalleerd. Bij gewrichten van humanoïde robots leiden lage snelheden en een hoog koppel, langdurig statisch vasthouden en tijdelijke schokken tijdens het opstaan ​​of hurken tot aanzienlijke temperatuurstijgingen. De NTC stelt de controller in staat om drie belangrijke temperatuurgerelateerde functies uit te voeren:

Stroombegrenzing: Vermindert de maximale uitgangsstroom naarmate de temperatuur stijgt; Vermogensreductie: Beperkt het piekkoppel bij langdurige zware belasting;

Beveiligingsuitschakeling: Schakelt over naar de foutmodus zodra de temperatuur de veiligheidsdrempel overschrijdt.

Dit is tevens een fundamentele eigenschap die professionele robotgewrichten moeten bezitten. Zonder temperatuurregeling met gesloten regelkring kan het gewricht, ondanks het hoge piekkoppel, niet betrouwbaar functioneren gedurende langere perioden.

06 Positiedetectie: Dubbele magnetische encoders en tandwielen zetten hoeken van één omwenteling om in positiemetingen van meerdere omwentelingen.

Na het verwijderen van de printplaat (PCBA) zijn aan de achterzijde een aantal kleine tandwielstructuren zichtbaar. Dit zijn niet de hoofdoverbrengingen, maar hulpmechanismen die zijn ontworpen voor hoekdetectie.

 

Afbeelding 8: Tandwiel- en magnetische encodergebied aan de achterzijde van de besturingsprintplaat

 

Afbeelding 9: Door de rotatie van de centrale as draaien de twee naastgelegen tandwielen synchroon.

Structureel gezien drijft de rotatie van de centrale as de twee kleine tandwielen aan. In het midden van elk klein tandwiel is een magnetisch component aangebracht, met magnetische encoder-IC's op de overeenkomstige posities aan de achterzijde van de printplaat. Magnetische encoders meten hoekvariaties van magnetische velden, waardoor optische rasterschijven overbodig zijn. Ze zijn bestand tegen lichte olieverontreiniging en stof, waardoor ze beter geschikt zijn voor volledig gesloten robotgewrichten.

 

Figuur 10: De structuur met dubbele tandwielen en dubbele encoders verbetert de hoekresolutie en maakt positiedetectie over meerdere omwentelingen mogelijk.

Wat hier het meest opvalt, is de configuratie met "dubbele tandwieloverbrenging + dubbele magnetische encoder". De waarde hiervan gaat veel verder dan alleen het toevoegen van een tweede sensor voor een hogere nauwkeurigheid; het is waarschijnlijk ontworpen om een ​​absolute positiecodering met meerdere omwentelingen te realiseren.

Een enkele magnetische encoder meet nauwkeurig hoeken binnen 0–360°;

Een gewricht kan echter meerdere omwentelingen maken, en een encoder voor één omwenteling kan het aantal omwentelingen niet zelfstandig bepalen;

Als de twee tandwielen een verschillend aantal tanden of een verschillende overbrengingsverhouding hebben, vormen ze een vernier-achtige correlatie;

Door de twee hoekmetingen te combineren, berekent de controller de absolute positie over een veel groter bereik.

Deze structuur biedt grote meerwaarde voor humanoïde robots. Na stroomuitval kunnen de gewrichten van de benen, armen of taille door externe krachten verschoven raken. Bij het opnieuw inschakelen van de stroom hebben gewrichten die uitgebreide terugkeerbewegingen vereisen een lage efficiëntie en vormen ze een veiligheidsrisico. Dankzij de absolute positiedetectie met meerdere omwentelingen kunnen gewrichten direct na het herstellen van de stroom de houdingsgegevens ophalen.