04 Transmetimi i Fuqisë: Ura MOS 3-Fazore Përcakton Kapacitetin e Çiftit të Daljes së Bashkimit

Figura 5: Telat e motorit trefazor janë të lidhur në mënyrë qendrore me seksionin e fuqisë MOS, me rezistorë mostrimi, drejtues dhe komponentë filtri të rregulluar rreth tij.

 

Ky drejtues nyjesh është projektuar për motorë pa furça trefazorë. Kontrolli me performancë të lartë i motorëve BLDC trefazorë zakonisht kërkon tre gjysmë-ura, duke formuar një inverter trefazorë me një minimum prej gjashtë MOSFET-esh fuqie. Pajisje të shumëfishta MOS me pako të mëdhamundtë dallohet në PCBA-në që rrethon pikat e saldimit të daljes trefazore, në përputhje me këtë arkitekturë.

 

Logjika e funksionimit të urës trefazore mund të thjeshtohet si më poshtë:

Tensioni i baterisë ose i bus-it ushqehet nëpërmjet P+ dhe P-; Ndërrimi me shpejtësi të lartë i gjysmë-urave MOS e shndërron tensionin DC në rrymë trefazore;

Rryma trefazore rrjedh në mbështjelljet e motorit për të gjeneruar një fushë magnetike rrotulluese; Kontrolluesi rregullon vazhdimisht ciklet e punës PWM bazuar në pozicionin e koduesit dhe reagimin e rrymës;

Në fund të fundit, duke i mundësuar nyjes të nxjerrë çift rrotullues, shpejtësi ose pozicion të synuar.

Projektimi i dobët i këtij seksioni do të çojë në disa probleme tipike: ngrohje të tepërt të MOS, luhatje me shpejtësi të ulët, valëzim të fortë të çift rrotullues, shkaktim të rremë të mbrojtjes nga mbirryma dhe ndërhyrje EMI që ndikojnë në enkoderët ose qarqet e komunikimit. Për këtë arsye, projektimi i bordeve të fuqisë për nyjet e robotëve është shumë më sfidues sesa ai i bordeve të zakonshme të ngasësve të motorëve të vegjël.

 

Figura 6: Rregullatori i tensionit TLV767 mund të shihet në tabelë, së bashku me induktorët, kondensatorët dhe disa komponentë të energjisë me tension të ulët.

Pema e furnizimit me energji ia vlen gjithashtu të analizohet. Rregullatorët LDO si TLV767 dhe induktorët e fuqisë të shënuar "100" janë të dukshëm në PCB. Duke marrë parasysh skenarin e aplikimit të nyjeve me vlerësim 48V, mund të nxirret përfundimi se sistemi i tensionit të ulët nuk ka gjasa të ulet drejtpërdrejt nga tensioni i lartë vetëm nëpërmjet LDO-ve. Në vend të kësaj, miratohet një arkitekturë furnizimi me energji e ngjashme me sa vijon:

Bus me tension të lartë → Konvertim me hapa poshtë me ndërrim → Shina me tension të ulët (5V / 3.3V, etj.) → Rregullim sekondar LDO / filtrim lokal i zhurmës

Kjo arkitekturë fuqie është më racionale. MCU, enkoderi, amplifikatorët e marrjes së mostrave dhe transmetuesit e komunikimit kërkojnë fuqi të pastër dhe të qëndrueshme me tension të ulët, ndërsa çelësat MOS dhe linjat e fazës së motorit gjenerojnë zhurmë intensive. Nëse furnizimi me energji me tension të ulët nuk ka performancë të mjaftueshme kundër ndërhyrjeve, defektet e para që shfaqen zakonisht nuk janë keqfunksionime të motorit, por kërcime të menjëhershme në kënd, rënie të komunikimit ose lexime të mostrave të rrymës me devijim.

05 Ndjesia e rrymës dhe temperaturës: Lidhjet e robotëve duhet të monitorojnë çift rrotulluesin e daljes në kohë reale

 

Figura 7: Rezistorë të shumtë me vlerë të ulët R001 janë të vendosur poshtë seksionit të energjisë trefazore.

Komponentët R001 janë kritikë në këtë pllakë, duke përfaqësuar rezistorë sensorë me vlerë të ulët në nivel miliohmi (zakonisht 1 mΩ) të përdorur për të matur rrymën e fazës së motorit ose rrymën e bus-it. Sensori i rrymës formon thelbin e kontrollit me lak të mbyllur për nyjet robotike, pasi çift rrotullues i daljes së një motori BLDC është i lidhur fort me rrymën e tij të fazës.

Me fjalë të tjera, kontrolluesi nuk e "parashikon" daljen e çift rrotullues të kyçjes; në vend të kësaj, ai llogarit rrymën duke matur rënien e vogël të tensionit nëpër rezistorët sensorë:

Rënia e tensionit nëpër rezistencën e ndjeshmërisë → Amplifikimi dhe filtrimi → Marrja e mostrave ADC → Llogaritja e rrymës → Kontrolli i momentit rrotullues FOC

Saktësia e këtij zinxhiri sinjalesh ndikon drejtpërdrejt në:

Saktësia e Kontrollit të Çiftit Momental: Nëse vlerësimi i rrymës është i pasaktë, edhe rezultati i çiftit momental do të jetë i pasaktë.

Butësi në Shpejtësi të Ulët: Zhurma e lartë e marrjes së mostrave tenton të shkaktojë dridhje në shpejtësi të ulëta.

Mbrojtje nga mbirryma: Përgjigja e ngadaltë mund të djegë MOSFET-et, ndërsa cilësimet tepër të ndjeshme rezultojnë në shkaktarë të mbrojtjes së rreme.

Strategjia e Menaxhimit Termik: Rryma e lartë e qëndrueshme çon në rritje të njëkohshme të temperaturës në mbështjelljet e motorit, MOSFET-et dhe rezistorët e ndjeshmërisë ndaj rrymës.

Nga një perspektivë e planifikimit, vendosja e rezistorëve të ndjeshmërisë ndaj rrymës pranë MOSFET-eve dhe instalimeve elektrike të fazës shkurton lakun me rrymë të lartë, gjë që ndihmon në zvogëlimin e induktancës parazitare dhe gabimeve të marrjes së mostrave. Një numër i madh rezistencash dhe kondensatorësh të vegjël janë vendosur pranë secilës fazë, të përdorura përgjithësisht për amortizimin e portës, filtrimin e marrjes së mostrave, stabilizimin e drajverit dhe shkëputjen lokale.

Zbulimi i temperaturës është po aq i domosdoshëm. Etiketa NTC e MOTORIT tregon një termistor të instaluar brenda motorit ose ngjitur me dredha-dredha. Për nyjet e robotëve humanoide, funksionimi me shpejtësi të ulët dhe çift rrotullues të lartë, mbajtja e zgjatur statike dhe ndikimi kalimtar gjatë qëndrimit në këmbë ose uljes së pjerrët gjenerojnë të gjitha rritje të konsiderueshme të temperaturës. NTC i mundëson kontrolluesit të kryejë tre funksione kryesore të bazuara në temperaturë:

Kufizimi i rrymës: Zvogëlimi i rrymës maksimale të daljes ndërsa temperatura rritet; Deratimi: Mbulimi i momentit rrotullues maksimal nën ngarkesa të rënda të qëndrueshme;

Mbyllje mbrojtëse: Hyni në modalitetin e defektit sapo temperatura të kalojë pragun e sigurisë.

Kjo është gjithashtu një aftësi themelore që duhet të kenë nyjet profesionale të robotëve. Pa kontroll të temperaturës me lak të mbyllur, nyjet nuk mund të funksionojnë në mënyrë të besueshme për periudha të gjata kohore, pavarësisht vlerësimit të lartë të momentit rrotullues maksimal.

06 Zbulimi i Pozicionit: Enkoderët dhe Ingranazhet e Dyfishta Magnetike Konvertojnë Këndet me një Kthesë në Lexime Pozicioni me Shumë Kthesa

Pas heqjes së PCBA-së, në anën e pasme mund të shihet një grup strukturash të vogla ingranazhesh. Këto nuk janë ingranazhet kryesore të reduktimit, por mekanizma ndihmës të projektuar për zbulimin e këndit.

 

Figura 8: Zona e ingranazhit dhe enkoderit magnetik në anën e pasme të panelit të kontrollit

 

Figura 9: Rrotullimi i boshtit qendror i vë në lëvizje dy ingranazhet ngjitur me pinion që të rrotullohen në mënyrë sinkrone.

Strukturisht, rrotullimi i boshtit qendror vë në lëvizje dy ingranazhet e vogla. Një komponent magnetik është montuar në qendër të secilës ingranazh të vogël, me qarqe integrale të enkoderit magnetik të montuara në pozicionet përkatëse në anën e pasme të PCBA-së. Kodifikuesit magnetikë matin ndryshimet këndore të fushave magnetike, duke eliminuar nevojën për disqe optike me rrjetë. Ata janë tolerantë ndaj ndotjes së vogël me vaj dhe pluhurit, duke i bërë ato më të përshtatshme për nyje robotike plotësisht të mbyllura.

 

Figura 10: Struktura me dy marshe dhe dy enkoder përmirëson rezolucionin këndor dhe mundëson zbulimin e pozicionit me shumë kthesa.

Ajo që bie më shumë në sy këtu është konfigurimi "dy marsh + enkoder magnetik i dyfishtë". Vlera e tij shkon shumë përtej shtimit të thjeshtë të një sensori të dytë për saktësi më të lartë; ka shumë të ngjarë që është projektuar për të realizuar një skemë kodimi të pozicionit absolut me shumë kthesa:

Një enkoder i vetëm magnetik mat me saktësi këndet brenda 0–360°;

megjithatë, një nyje mund të bëjë rrotullime të shumëfishta, dhe një enkoder me një kthesë të vetme nuk mund të përcaktojë vetë numrin e rrotullimeve;

Nëse dy ingranazhet kanë numër të ndryshëm dhëmbësh ose raporte ingranazhesh, ato formojnë një korrelacion të ngjashëm me vernierin;

Duke kombinuar dy leximet këndore, kontrolluesi llogarit pozicionin absolut në një diapazon shumë më të gjerë.

Kjo strukturë u ofron vlerë të madhe robotëve humanoide. Pas fikjes së energjisë, këmbët, krahët ose nyjet e belit mund të zhvendosen nga forcat e jashtme. Pas rindezjes, nyjet që kërkojnë lëvizje të gjera kthimi në shtëpi vuajnë nga efikasitet i ulët dhe paraqesin rreziqe për sigurinë. Ndjesia absolute e pozicionit me shumë kthesa u lejon nyjeve të marrin menjëherë të dhënat e qëndrimit sapo të rikthehet energjia.