04 Motordrev: 3-faset MOS-bro bestemmer leddets udgangsmomentkapacitet

Figur 5: Trefasede motorledninger er centralt forbundet til MOS-effektsektionen, med samplingsmodstande, drivere og filterkomponenter arrangeret omkring den.

 

Denne fælles driver er designet til trefasede børsteløse motorer. Højtydende styring af trefasede BLDC-motorer kræver typisk tre halvbroer, der danner en trefaset inverter med mindst seks effekt-MOSFET'er. Flere store MOS-enhederkankunne ses på PCBA'en omkring loddepunkterne for trefasede udgange, i overensstemmelse med denne arkitektur.

 

Trefasebroens driftslogik kan forenkles som følger:

Batteri- eller busspænding tilføres via P+ og P-; Højhastighedskobling af MOS-halvbroer omdanner jævnspænding til trefasestrøm;

Trefasestrømmen flyder ind i motorviklingerne for at generere et roterende magnetfelt; controlleren justerer løbende PWM-dutycycles baseret på encoderposition og strømfeedback;

I sidste ende gør det muligt for leddet at udsende målmoment, hastighed eller position.

Dårligt design af denne sektion vil føre til flere typiske problemer: overdreven MOS-opvarmning, lavhastighedsjitter, kraftig momentrippel, udløsning af falsk overstrømsbeskyttelse og EMI-interferens, der påvirker encodere eller kommunikationskredsløb. Af denne grund er design af strømkort til robotsamlinger langt mere udfordrende end design af almindelige små motordriverkort.

 

Figur 6: TLV767 spændingsregulatoren kan ses på printkortet sammen med induktorer, kondensatorer og adskillige lavspændingskomponenter.

Strømforsyningstræet er også værd at analysere. LDO-regulatorer som TLV767 og effektinduktorer markeret med "100" er synlige på printkortet. I betragtning af anvendelsesscenariet for 48V-nominelle samlinger kan det udledes, at lavspændingssystemet sandsynligvis ikke vil blive direkte nedtrappet fra højspænding udelukkende via LDO'er. I stedet anvendes en strømforsyningsarkitektur svarende til den følgende:

Højspændingsbus → Switching step-down konvertering → Lavspændingsskinner (5V / 3,3V osv.) → Sekundær LDO-regulering / lokal støjfiltrering

Denne strømarkitektur er mere rationel. MCU'en, encoderen, samplingforstærkerne og kommunikationstransceiverne kræver ren, stabil lavspændingsstrøm, mens MOS-switchene og motorfaselinjerne genererer intens støj. Hvis lavspændingsstrømforsyningen ikke har tilstrækkelig anti-interferensydelse, er de første fejl, der opstår, normalt ikke motorfejl, men pludselige vinkelspring, kommunikationsudfald eller driftende strømsamplingaflæsninger.

05 Strøm- og temperaturmåling: Robotled skal overvåge udgangsmoment i realtid

 

Figur 7: Flere R001 lavværdi-sensormodstande er placeret under trefaset effektsektionen.

R001-komponenterne er kritiske på dette printkort, da de repræsenterer lavværdi-registreringsmodstande på milliohm-niveau (typisk 1 mΩ), der bruges til at måle motorfasestrøm eller busstrøm. Strømregistrering danner kernen i lukket sløjfestyring til robotsamlinger, da udgangsmomentet fra en BLDC-motor er stærkt korreleret med dens fasestrøm.

Med andre ord "gætter" controlleren ikke leddets momentudgang; i stedet beregner den strømmen ved at måle det lille spændingsfald over sensormodstandene:

Spændingsfald over sensormodstand → Forstærkning og filtrering → ADC-sampling → Strømberegning → FOC-momentstyring

Præcisionen af ​​denne signalkæde påvirker direkte:

Momentstyringsnøjagtighed: Hvis strømestimeringen er unøjagtig, vil momentudgangen være unøjagtig.

Lavhastighedsjævnhed: Høj samplingsstøj har tendens til at forårsage jitter ved lave hastigheder.

Overstrømsbeskyttelse: Langsom respons kan udbrænde MOSFET'er, mens for følsomme indstillinger resulterer i falske beskyttelsesudløsere.

Termisk styringsstrategi: Vedvarende høj strøm fører til samtidig temperaturstigning i motorviklinger, MOSFET'er og strømfølsomme modstande.

Fra et layoutperspektiv forkorter placering af strømfølsomme modstande tæt på MOSFET'er og faseledninger højstrømssløjfen, hvilket hjælper med at reducere parasitisk induktans og samplingsfejl. Et stort antal små modstande og kondensatorer er arrangeret i nærheden af ​​hver fase, og bruges generelt til gate-dæmpning, samplingsfiltrering, driverstabilisering og lokal afkobling.

Temperaturmåling er lige så uundværlig. MOTOR NTC-mærkatet angiver en termistor installeret inde i motoren eller ved siden af ​​viklingerne. For humanoide robotled genererer lavhastighedsdrift med højt drejningsmoment, langvarig statisk fastholdelse og forbigående stød under stående eller hugsiddende stilling betydelige temperaturstigninger. NTC'en gør det muligt for controlleren at udføre tre centrale temperaturbaserede funktioner:

Strømbegrænsning: Reducer den maksimale udgangsstrøm, når temperaturen stiger; Derating: Begræns peak moment under vedvarende tunge belastninger;

Beskyttelsesfrakobling: Gå ind i fejltilstand, når temperaturen overstiger sikkerhedstærsklen.

Dette er også en grundlæggende egenskab, som professionelle robotsamlinger skal have. Uden temperaturkontrol med lukket sløjfe kan samlingen ikke fungere pålideligt i længere perioder på trods af dens høje maksimale drejningsmoment.

06 Positionsdetektion: Dobbelte magnetiske enkodere og gear konverterer enkeltdrejningsvinkler til flerdrejningspositionsaflæsninger

Efter fjernelse af PCBA'en kan et sæt små gearstrukturer ses på bagsiden. Disse er ikke de primære reduktionsgear, men hjælpemekanismer designet til vinkeldetektion.

 

Figur 8: Gear- og magnetisk encoderområde på bagsiden af ​​styrekortet

 

Figur 9: Rotation af den centrale aksel driver de to tilstødende tandhjul til at rotere synkront.

Strukturelt set driver rotationen af ​​den centrale aksel de to små tandhjul. En magnetisk komponent er monteret i midten af ​​hvert lille tandhjul, med magnetiske encoder-IC'er monteret på de matchende positioner på bagsiden af ​​PCBA'en. Magnetiske encodere måler vinkelvariationer i magnetfelter, hvilket eliminerer behovet for optiske gitterskiver. De er tolerante over for mindre olieforurening og støv, hvilket gør dem mere egnede til fuldt lukkede robotsamlinger.

 

Figur 10: Strukturen med dobbelt gear og dobbelt encoder forbedrer vinkelopløsningen og muliggør positionsdetektion ved flere drejninger.

Det, der skiller sig mest ud her, er konfigurationen "dobbeltgear + dobbelt magnetisk encoder". Dens værdi går langt ud over blot at tilføje en anden sensor for højere nøjagtighed; den er højst sandsynligt konstrueret til at realisere et flerdrejnings absolut positionskodningsskema:

En enkelt magnetisk encoder måler nøjagtigt vinkler inden for 0-360°;

alligevel kan et led rotere flere omdrejninger, og en enkeltomdrejningsencoder kan ikke bestemme antallet af omdrejninger alene;

Hvis de to gear har forskellige tænder eller udvekslingsforhold, danner de en noniuslignende korrelation;

Ved at kombinere de to vinkelaflæsninger beregner regulatoren den absolutte position over et meget bredere område.

Denne struktur giver stor værdi til humanoide robotter. Efter strømmen er slukket, kan ben, arme eller taljeled forskydes af eksterne kræfter. Ved genopstart lider led, der kræver omfattende positionsbevægelser, af lav effektivitet og udgør en sikkerhedsrisiko. Multi-turn absolut positionsregistrering gør det muligt for led øjeblikkeligt at hente kropsholdningsdata, så snart strømmen er genoprettet.