04 Σύστημα μετάδοσης κίνησης: Η τριφασική γέφυρα MOS καθορίζει την ικανότητα ροπής εξόδου της άρθρωσης

Σχήμα 5: Τα τριφασικά καλώδια του κινητήρα είναι κεντρικά συνδεδεμένα με το τμήμα ισχύος MOS, με αντιστάσεις δειγματοληψίας, οδηγούς και εξαρτήματα φίλτρου διατεταγμένα γύρω από αυτό.

 

Αυτός ο οδηγός σύνδεσης έχει σχεδιαστεί για τριφασικούς κινητήρες χωρίς ψήκτρες. Ο έλεγχος υψηλής απόδοσης τριφασικών κινητήρων BLDC απαιτεί συνήθως τρεις ημιγέφυρες, σχηματίζοντας έναν τριφασικό μετατροπέα με τουλάχιστον έξι MOSFET ισχύος. Πολλαπλές συσκευές MOS μεγάλης συσκευασίαςκουτίνα εντοπίζονται στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCBA) που περιβάλλει τα σημεία συγκόλλησης τριφασικής εξόδου, σύμφωνα με αυτήν την αρχιτεκτονική.

 

Η λογική λειτουργίας της τριφασικής γέφυρας μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής:

Η τάση της μπαταρίας ή του διαύλου τροφοδοτείται μέσω P+ και P-. Η υψηλής ταχύτητας μεταγωγή των ημιγεφυρών MOS μετατρέπει την τάση DC σε τριφασικό ρεύμα.

Το τριφασικό ρεύμα ρέει στις περιελίξεις του κινητήρα για να δημιουργήσει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Ο ελεγκτής ρυθμίζει συνεχώς τους κύκλους λειτουργίας PWM με βάση τη θέση του κωδικοποιητή και την ανατροφοδότηση ρεύματος.

Τελικά, επιτρέποντας στην άρθρωση να εξάγει ροπή, ταχύτητα ή θέση-στόχο.

Ο κακός σχεδιασμός αυτού του τμήματος θα οδηγήσει σε αρκετά τυπικά προβλήματα: υπερβολική θέρμανση MOS, τρέμουλο χαμηλής ταχύτητας, σοβαρή κυμάτωση ροπής, ψευδή ενεργοποίηση προστασίας από υπερένταση και παρεμβολές EMI που επηρεάζουν τους κωδικοποιητές ή τα κυκλώματα επικοινωνίας. Για αυτόν τον λόγο, ο σχεδιασμός της πλακέτας ισχύος για τις αρθρώσεις ρομπότ είναι πολύ πιο απαιτητικός από αυτόν των συνηθισμένων πλακετών οδήγησης μικρών κινητήρων.

 

Σχήμα 6: Ο ρυθμιστής τάσης TLV767 φαίνεται στην πλακέτα, μαζί με επαγωγείς, πυκνωτές και διάφορα εξαρτήματα ισχύος χαμηλής τάσης.

Αξίζει επίσης να αναλυθεί το δέντρο της τροφοδοσίας. Οι ρυθμιστές LDO όπως ο TLV767 και οι επαγωγείς ισχύος με την ένδειξη "100" είναι ορατοί στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Λαμβάνοντας υπόψη το σενάριο εφαρμογής των συνδέσεων με ονομαστική τάση 48V, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το σύστημα χαμηλής τάσης είναι απίθανο να υποβιβαστεί απευθείας από την υψηλή τάση αποκλειστικά μέσω LDO. Αντ' αυτού, υιοθετείται μια αρχιτεκτονική τροφοδοσίας παρόμοια με την ακόλουθη:

Δίαυλος υψηλής τάσης → Μετατροπή βηματισμού μεταγωγής → Ράγες χαμηλής τάσης (5V / 3.3V, κ.λπ.) → Δευτερεύουσα ρύθμιση LDO / τοπικό φιλτράρισμα θορύβου

Αυτή η αρχιτεκτονική ισχύος είναι πιο ορθολογική. Η μικροεπεξεργαστής (MCU), ο κωδικοποιητής, οι ενισχυτές δειγματοληψίας και οι πομποδέκτες επικοινωνίας απαιτούν καθαρή, σταθερή ισχύ χαμηλής τάσης, ενώ οι διακόπτες MOS και οι γραμμές φάσης του κινητήρα παράγουν έντονο θόρυβο. Εάν η τροφοδοσία χαμηλής τάσης δεν έχει επαρκή απόδοση κατά των παρεμβολών, τα πρώτα σφάλματα που εμφανίζονται συνήθως δεν είναι δυσλειτουργίες του κινητήρα, αλλά απότομες μεταπτώσεις γωνίας, διακοπές επικοινωνίας ή μεταβαλλόμενες μετρήσεις δειγματοληψίας ρεύματος.

05 Ανίχνευση ρεύματος και θερμοκρασίας: Οι αρθρώσεις ρομπότ πρέπει να παρακολουθούν τη ροπή εξόδου σε πραγματικό χρόνο

 

Σχήμα 7: Πολλαπλές αντιστάσεις ανίχνευσης χαμηλής τιμής R001 βρίσκονται κάτω από το τριφασικό τμήμα ισχύος.

Τα εξαρτήματα R001 είναι κρίσιμα σε αυτήν την πλακέτα, αντιπροσωπεύοντας αντιστάσεις ανίχνευσης χαμηλής τιμής σε επίπεδο milliohm (συνήθως 1 mΩ) που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του ρεύματος φάσης του κινητήρα ή του ρεύματος διαύλου. Η ανίχνευση ρεύματος αποτελεί τον πυρήνα του ελέγχου κλειστού βρόχου για τις αρθρώσεις ρομπότ, καθώς η ροπή εξόδου ενός κινητήρα BLDC συσχετίζεται έντονα με το ρεύμα φάσης του.

Με άλλα λόγια, ο ελεγκτής δεν «μαντεύει» την έξοδο ροπής της άρθρωσης. Αντίθετα, υπολογίζει το ρεύμα μετρώντας τη μικροσκοπική πτώση τάσης στις αντιστάσεις ανίχνευσης:

Πτώση τάσης στην αντίσταση ανίχνευσης → Ενίσχυση & φιλτράρισμα → Δειγματοληψία ADC → Υπολογισμός ρεύματος → Έλεγχος ροπής FOC

Η ακρίβεια αυτής της αλυσίδας σήματος επηρεάζει άμεσα:

Ακρίβεια ελέγχου ροπής: Εάν η εκτίμηση ρεύματος είναι ανακριβής, η έξοδος ροπής θα είναι ανακριβής.

Ομαλότητα σε χαμηλή ταχύτητα: Ο υψηλός θόρυβος δειγματοληψίας τείνει να προκαλεί τρέμουλο σε χαμηλές ταχύτητες.

Προστασία από υπερένταση: Η αργή απόκριση μπορεί να καταστρέψει τα MOSFET, ενώ οι υπερβολικά ευαίσθητες ρυθμίσεις έχουν ως αποτέλεσμα ψευδείς ενεργοποιήσεις προστασίας.

Στρατηγική Θερμικής Διαχείρισης: Το παρατεταμένο υψηλό ρεύμα οδηγεί σε ταυτόχρονη αύξηση της θερμοκρασίας στις περιελίξεις του κινητήρα, τα MOSFET και τις αντιστάσεις ανίχνευσης ρεύματος.

Από άποψη διάταξης, η τοποθέτηση αντιστάσεων ανίχνευσης ρεύματος κοντά στα MOSFET και την καλωδίωση φάσης μειώνει τον βρόχο υψηλού ρεύματος, γεγονός που βοηθά στη μείωση της παρασιτικής επαγωγής και των σφαλμάτων δειγματοληψίας. Ένας μεγάλος αριθμός μικρών αντιστάσεων και πυκνωτών είναι διατεταγμένοι κοντά σε κάθε φάση, οι οποίοι χρησιμοποιούνται γενικά για απόσβεση πύλης, φιλτράρισμα δειγματοληψίας, σταθεροποίηση οδηγού και τοπική αποσύνδεση.

Η ανίχνευση θερμοκρασίας είναι εξίσου απαραίτητη. Η ετικέτα NTC του ΚΙΝΗΤΗΡΑ υποδεικνύει ένα θερμίστορ εγκατεστημένο μέσα στον κινητήρα ή δίπλα στις περιελίξεις. Για τις αρθρώσεις ανθρωποειδών ρομπότ, η λειτουργία χαμηλής ταχύτητας και υψηλής ροπής, η παρατεταμένη στατική συγκράτηση και οι παροδικές κρούσεις κατά την ορθοστασία ή την οκλαδόν λειτουργία δημιουργούν σημαντικές αυξήσεις θερμοκρασίας. Το NTC επιτρέπει στον ελεγκτή να εκτελεί τρεις βασικές λειτουργίες που βασίζονται στη θερμοκρασία:

Περιορισμός ρεύματος: Μείωση του μέγιστου ρεύματος εξόδου καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Υποβάθμιση: Ορισμός της μέγιστης ροπής υπό παρατεταμένα βαριά φορτία.

Προστατευτική απενεργοποίηση: Εισέλθετε σε λειτουργία σφάλματος μόλις η θερμοκρασία υπερβεί το όριο ασφαλείας.

Αυτή είναι επίσης μια θεμελιώδης δυνατότητα που πρέπει να διαθέτουν οι επαγγελματικές ρομποτικές αρθρώσεις. Χωρίς έλεγχο θερμοκρασίας κλειστού βρόχου, η άρθρωση δεν μπορεί να λειτουργήσει αξιόπιστα για μεγάλα χρονικά διαστήματα, παρά την υψηλή μέγιστη ονομαστική ροπή στρέψης.

06 Ανίχνευση θέσης: Διπλοί μαγνητικοί κωδικοποιητές και γρανάζια μετατρέπουν γωνίες μίας στροφής σε μετρήσεις θέσης πολλαπλών στροφών

Μετά την αφαίρεση του PCBA, στην πίσω πλευρά διακρίνεται ένα σύνολο μικρών δομών γραναζιών. Αυτά δεν είναι τα κύρια γρανάζια μείωσης, αλλά βοηθητικοί μηχανισμοί σχεδιασμένοι για την ανίχνευση γωνίας.

 

Σχήμα 8: Περιοχή γραναζιού και μαγνητικού κωδικοποιητή στην πίσω πλευρά της πλακέτας ελέγχου

 

Σχήμα 9: Η περιστροφή του κεντρικού άξονα κινεί τα δύο γειτονικά γρανάζια πινιόν ώστε να περιστρέφονται συγχρονισμένα.

Δομικά, η περιστροφή του κεντρικού άξονα κινεί τα δύο μικρά γρανάζια. Ένα μαγνητικό εξάρτημα είναι τοποθετημένο στο κέντρο κάθε μικρού γραναζιού, με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μαγνητικού κωδικοποιητή τοποθετημένα στις αντίστοιχες θέσεις στην πίσω πλευρά του PCBA. Οι μαγνητικοί κωδικοποιητές μετρούν τις γωνιακές διακυμάνσεις των μαγνητικών πεδίων, εξαλείφοντας την ανάγκη για δίσκους οπτικού πλέγματος. Είναι ανεκτικοί σε μικρές μολύνσεις από λάδι και σκόνη, καθιστώντας τους πιο κατάλληλους για πλήρως κλειστές αρθρώσεις ρομπότ.

 

Σχήμα 10: Η δομή διπλής ταχύτητας και διπλού κωδικοποιητή βελτιώνει τη γωνιακή ανάλυση και επιτρέπει την ανίχνευση θέσης σε πολλαπλές στροφές.

Αυτό που ξεχωρίζει περισσότερο εδώ είναι η διαμόρφωση "διπλής ταχύτητας + διπλού μαγνητικού κωδικοποιητή". Η αξία της υπερβαίνει κατά πολύ την απλή προσθήκη ενός δεύτερου αισθητήρα για μεγαλύτερη ακρίβεια. Πιθανότατα έχει σχεδιαστεί για να υλοποιεί ένα σχήμα κωδικοποίησης απόλυτης θέσης πολλαπλών στροφών:

Ένας μόνο μαγνητικός κωδικοποιητής μετρά με ακρίβεια γωνίες εντός 0–360°.

Ωστόσο, μια άρθρωση μπορεί να περιστρέφεται σε πολλαπλές περιστροφές και ένας κωδικοποιητής μίας στροφής δεν μπορεί να προσδιορίσει τον αριθμό των περιστροφών από μόνος του.

Εάν τα δύο γρανάζια έχουν διαφορετικό αριθμό δοντιών ή σχέσεις μετάδοσης, σχηματίζουν μια συσχέτιση τύπου βερνιέρου.

Συνδυάζοντας τις δύο γωνιακές μετρήσεις, ο ελεγκτής υπολογίζει την απόλυτη θέση σε ένα πολύ ευρύτερο εύρος.

Αυτή η δομή προσφέρει μεγάλη αξία στα ανθρωποειδή ρομπότ. Μετά την απενεργοποίηση, οι αρθρώσεις των ποδιών, των βραχιόνων ή της μέσης ενδέχεται να μετατοπιστούν από εξωτερικές δυνάμεις. Κατά την επανατροφοδότηση, οι αρθρώσεις που απαιτούν εκτεταμένες κινήσεις επαναφοράς υποφέρουν από χαμηλή απόδοση και θέτουν σε κίνδυνο την ασφάλεια. Η ανίχνευση απόλυτης θέσης πολλαπλών στροφών επιτρέπει στις αρθρώσεις να ανακτούν άμεσα δεδομένα στάσης μόλις αποκατασταθεί η παροχή ρεύματος.