04 Jaudas piedziņa: 3 fāžu MOS tilts nosaka savienojuma izejas griezes momenta jaudu

5. attēls: Trīsfāžu motora vadi ir centrāli savienoti ar MOS barošanas bloku, un ap to ir izvietoti paraugu ņemšanas rezistori, draiveri un filtra komponenti.

 

Šis kopīgais draiveris ir paredzēts trīsfāžu bezkontaktu motoriem. Trīsfāžu BLDC motoru augstas veiktspējas vadībai parasti ir nepieciešami trīs pustilti, kas veido trīsfāžu invertoru ar vismaz sešiem jaudas MOSFET tranzistoriem. Vairākas liela korpusa MOS ierīces.kannavar būt pamanāms uz PCBA ap trīsfāžu izejas lodēšanas punktiem, kas atbilst šai arhitektūrai.

 

Trīsfāžu tilta darbības loģiku var vienkāršot šādi:

Akumulatora vai kopnes spriegums tiek padots caur P+ un P-; MOS pustiltu ātrgaitas komutācija pārveido līdzstrāvas spriegumu trīsfāžu strāvā;

Trīsfāžu strāva ieplūst motora tinumos, radot rotējošu magnētisko lauku; kontrolieris nepārtraukti pielāgo PWM darba ciklus, pamatojoties uz kodētāja pozīciju un strāvas atgriezenisko saiti;

Galu galā ļaujot savienojumam izvadīt mērķa griezes momentu, ātrumu vai pozīciju.

Šīs sadaļas slikts dizains radīs vairākas tipiskas problēmas: pārmērīgu MOS uzkaršanu, lēnas darbības svārstības, spēcīgu griezes momenta pulsāciju, viltus pārslodzes aizsardzības aktivizēšanu un EMI traucējumus, kas ietekmē kodētājus vai sakaru shēmas. Šī iemesla dēļ robotu savienojumu barošanas plates dizains ir daudz sarežģītāks nekā parasto mazo motoru vadības plates dizains.

 

6. attēls: Uz plates var redzēt TLV767 sprieguma regulatoru līdzās induktoriem, kondensatoriem un vairākiem zemsprieguma barošanas komponentiem.

Ir vērts analizēt arī barošanas avota koku. Uz shēmas plates ir redzami LDO regulatori, piemēram, TLV767, un jaudas induktori, kas apzīmēti ar "100". Ņemot vērā 48 V nominālo savienojumu pielietojuma scenāriju, var secināt, ka zemsprieguma sistēma, visticamāk, netiks tieši atslēgta no augstsprieguma, tikai izmantojot LDO. Tā vietā tiek izmantota barošanas avota arhitektūra, kas līdzīga šādai:

Augstsprieguma kopne → Komutācijas pakāpeniska pārveidošana → Zemsprieguma sliedes (5 V / 3,3 V utt.) → Sekundārā LDO regulēšana / lokālā trokšņu filtrēšana

Šī barošanas arhitektūra ir racionālāka. Mikrokontrollerim (MCU), kodētājam, paraugu ņemšanas pastiprinātājiem un sakaru raidītājiem/uztvērējiem ir nepieciešama tīra, stabila zemsprieguma barošana, savukārt MOS slēdži un motora fāzes līnijas rada intensīvu troksni. Ja zemsprieguma barošanas avotam nav pietiekamas traucējumu novēršanas veiktspējas, pirmās parādīšanās parasti nav motora darbības traucējumi, bet gan pēkšņi leņķa lēcieni, sakaru pārtraukumi vai strāvas paraugu ņemšanas rādījumu dreifēšana.

05 Strāvas un temperatūras mērīšana: robotu savienojumiem jāuzrauga izejas griezes moments reāllaikā

 

7. attēls: Zem trīsfāžu jaudas sekcijas atrodas vairāki R001 zemas vērtības sensoru rezistori.

R001 komponenti šajā platē ir kritiski svarīgi, un tie pārstāv miliomu līmeņa zemas vērtības noteikšanas rezistorus (parasti 1 mΩ), ko izmanto motora fāzes strāvas vai kopnes strāvas mērīšanai. Strāvas noteikšana veido robotu savienojumu slēgtas cilpas vadības pamatu, jo BLDC motora izejas griezes moments ir cieši saistīts ar tā fāzes strāvu.

Citiem vārdiem sakot, regulators "neuzmin" savienojuma griezes momenta izeju; tā vietā tas aprēķina strāvu, izmērot nelielo sprieguma kritumu pāri sensoru rezistoriem:

Sprieguma kritums uz sensora rezistora → Pastiprināšana un filtrēšana → ADC paraugu ņemšana → Strāvas aprēķināšana → FOC griezes momenta vadība

Šīs signāla ķēdes precizitāte tieši ietekmē:

Griezes momenta vadības precizitāte: ja strāvas novērtējums ir neprecīzs, arī griezes momenta izeja būs neprecīza.

Lēna ātruma vienmērīgums: Augsts paraugu ņemšanas troksnis parasti izraisa vibrāciju pie zema ātruma.

Pārslodzes aizsardzība: Lēna reakcija var izdedzināt MOSFET tranzistorus, savukārt pārāk jutīgi iestatījumi var izraisīt viltus aizsardzības aktivizēšanu.

Termiskās pārvaldības stratēģija: ilgstoša augsta strāva izraisa vienlaicīgu temperatūras paaugstināšanos motora tinumos, MOSFET tranzistoriem un strāvas uztveršanas rezistoriem.

No izkārtojuma viedokļa strāvas uztveršanas rezistoru novietošana tuvu MOSFET tranzistoriem un fāzes vadiem saīsina augstas strāvas cilpu, kas palīdz samazināt parazitāro induktivitāti un paraugu ņemšanas kļūdas. Blakus katrai fāzei ir izvietots liels skaits mazu rezistoru un kondensatoru, ko parasti izmanto vārtu slāpēšanai, paraugu ņemšanas filtrēšanai, draivera stabilizācijai un lokālai atvienošanai.

Temperatūras noteikšana ir tikpat neaizstājama. MOTOR NTC marķējums norāda uz termistoru, kas uzstādīts motora iekšpusē vai blakus tinumiem. Humanoīdu robotu savienojumiem ievērojamu temperatūras paaugstināšanos rada darbība ar mazu ātrumu un lielu griezes momentu, ilgstoša statiska noturēšana un īslaicīgs trieciens pieceļoties vai pietupjoties. NTC ļauj kontrolierim veikt trīs galvenās ar temperatūru saistītās funkcijas:

Strāvas ierobežošana: samazina maksimālo izejas strāvu, paaugstinoties temperatūrai; Jaudas samazināšana: ierobežo maksimālo griezes momentu ilgstošas ​​lielas slodzes gadījumā;

Aizsardzības izslēgšana: pārslēdzas kļūmes režīmā, kad temperatūra pārsniedz drošības slieksni.

Šī ir arī pamatfunkcija, kas jāpiemīt profesionāliem robotu savienojumiem. Bez temperatūras slēgtas cilpas kontroles savienojums nevar droši darboties ilgstoši, neskatoties uz tā augsto maksimālā griezes momenta novērtējumu.

06 Pozīcijas noteikšana: divkārši magnētiskie kodētāji un zobrati pārveido viena pagrieziena leņķus vairāku pagriezienu pozīcijas rādījumos

Pēc PCBA noņemšanas aizmugurē var redzēt nelielu zobratu konstrukciju komplektu. Tie nav galvenie reduktori, bet gan palīgmehānismi, kas paredzēti leņķa noteikšanai.

 

8. attēls: Zobratu un magnētiskā kodētāja zona vadības plates aizmugurē

 

9. attēls: Centrālās vārpstas rotācija liek diviem blakus esošajiem zobratiem griezties sinhroni.

Strukturāli centrālās vārpstas rotācija darbina divus mazos zobratus. Katra mazā zobrata centrā ir uzstādīts magnētisks komponents, un magnētiskās kodēšanas integrālās shēmas ir uzstādītas atbilstošajās pozīcijās PCBA aizmugurē. Magnētiskie kodētāji mēra magnētisko lauku leņķiskās variācijas, novēršot nepieciešamību pēc optiskajiem režģdiskiem. Tie ir izturīgi pret nelielu eļļas piesārņojumu un putekļiem, padarot tos piemērotākus pilnībā slēgtām robotu savienojuma vietām.

 

10. attēls: Divu pārnesumu un divu kodētāju struktūra uzlabo leņķisko izšķirtspēju un nodrošina vairāku apgriezienu pozīcijas noteikšanu.

Visspilgtāk šeit izceļas konfigurācija "divkāršais pārnesums + divkāršais magnētiskais kodētājs". Tās vērtība sniedzas daudz tālāk par vienkārši otrā sensora pievienošanu lielākai precizitātei; visticamāk, tā ir izstrādāta, lai realizētu vairāku apgriezienu absolūtās pozīcijas kodēšanas shēmu:

Viens magnētiskais kodētājs precīzi mēra leņķus 0–360° diapazonā;

tomēr savienojums var veikt vairākus apgriezienus, un viena pagrieziena kodētājs pats par sevi nevar noteikt apgriezienu skaitu;

Ja abiem zobratiem ir atšķirīgs zobu skaits vai pārnesumu skaitļi, tie veido vernjēra līdzīgu korelāciju;

Apvienojot abus leņķiskos rādījumus, kontrolieris aprēķina absolūto pozīciju daudz plašākā diapazonā.

Šī struktūra sniedz lielu vērtību humanoīdiem robotiem. Pēc strāvas izslēgšanas kāju, roku vai vidukļa locītavas var tikt pārvietotas ārējo spēku ietekmē. Pēc strāvas atkārtotas ieslēgšanas locītavas, kurām nepieciešamas plašas atgriešanās mājās kustības, ir neefektīvas un rada drošības apdraudējumus. Daudzpagriezienu absolūtās pozīcijas noteikšana ļauj locītavām nekavējoties iegūt stājas datus, tiklīdz strāvas padeve tiek atjaunota.