04 Kragdryf: Die 3-fase MOS-brug bepaal die gewrig se uitsetmomentkapasiteit

Figuur 5: Die driefase-motordrade is sentraal aan die MOS-kragafdeling gekoppel, met monsterweerstande, drywers en filterkomponente wat daaromheen gerangskik is.

 

Hierdie gesamentlike drywer is ontwerp vir driefase-borsellose motors. Hoëprestasiebeheer van driefase-BLDC-motors vereis tipies drie halfbruggies, wat 'n driefase-omsetter met 'n minimum van ses krag-MOSFET's vorm. Verskeie grootpakket MOS-toestelleblikkiegesien kan word op die PCBA rondom die driefase-uitset-soldeerpunte, in ooreenstemming met hierdie argitektuur.

 

Die bedryfslogika van die driefasebrug kan soos volg vereenvoudig word:

Battery- of busspanning word via P+ en P- ingevoer; Hoëspoed-skakeling van MOS-halfbrugge skakel GS-spanning om in driefasestroom;

Die driefasestroom vloei in motorwikkelings om 'n roterende magneetveld te genereer; Die beheerder pas PWM-diensiklusse voortdurend aan gebaseer op die enkodeerderposisie en stroomterugvoer;

Uiteindelik stel dit die gewrig in staat om teikenwringkrag, spoed of posisie uit te voer.

Swak ontwerp van hierdie afdeling sal tot verskeie tipiese probleme lei: oormatige MOS-verhitting, laespoed-jitter, erge wringkragrimpeling, vals oorstroombeskerming wat veroorsaak word, en EMI-interferensie wat enkodeerders of kommunikasiekringe beïnvloed. Om hierdie rede is die ontwerp van kragborde vir robotgewrigte baie meer uitdagend as dié van gewone klein motordrywerborde.

 

Figuur 6: Die TLV767-spanningsreguleerder kan op die bord gesien word, saam met induktors, kapasitors en verskeie laespanning-kragkomponente.

Die kragtoevoerboom is ook die moeite werd om te analiseer. LDO-reguleerders soos die TLV767 en kraginduktors gemerk "100" is sigbaar op die PCB. As mens die toepassingscenario van 48V-gegradeerde verbindings in ag neem, kan afgelei word dat die laespanningstelsel waarskynlik nie direk vanaf hoë spanning afgeskaal sal word nie, slegs via LDO's. In plaas daarvan word 'n kragtoevoerargitektuur soortgelyk aan die volgende aangeneem:

Hoëspanningsbus → Skakel-afwaartse omskakeling → Laespanningsrails (5V / 3.3V, ens.) → Sekondêre LDO-regulering / plaaslike geraasfiltrering

Hierdie kragargitektuur is meer rasioneel. Die MCU, kodeerder, monsternemingsversterkers en kommunikasie-sendersenders benodig skoon, stabiele laespanningskrag, terwyl die MOS-skakelaars en motorfaselyne intense geraas genereer. As die laespanningskragtoevoer nie voldoende anti-interferensieprestasie het nie, is die eerste foute wat opduik gewoonlik nie motorwanfunksies nie, maar skielike hoekspronge, kommunikasie-uitval of drywende stroommonsternemingslesings.

05 Stroom- en temperatuurwaarneming: Robotgewrigte moet uitsetmoment intyds monitor

 

Figuur 7: Verskeie R001 lae-waarde sensorweerstande is onder die driefase-kragafdeling geleë.

Die R001-komponente is krities op hierdie bord en verteenwoordig lae-waarde-sensorweerstande (tipies 1 mΩ) op milliohm-vlak wat gebruik word om motorfasestroom of busstroom te meet. Stroomwaarneming vorm die kern van geslote-lusbeheer vir robotgewrigte, aangesien die uitsetwringkrag van 'n BLDC-motor sterk gekorreleer is met sy fasestroom.

Met ander woorde, die beheerder "raai" nie die wringkraguitset van die verbinding nie; in plaas daarvan bereken dit die stroom deur die klein spanningsval oor die sensorweerstande te meet:

Spanningsval oor sensorweerstand → Versterking en filterering → ADC-monsterneming → Stroomberekening → FOC-wringkragbeheer

Die presisie van hierdie seinketting beïnvloed direk:

Wringkragbeheer-akkuraatheid: As die stroomberaming onakkuraat is, sal die wringkraguitset onakkuraat wees.

Lae-Spoed Gladdigheid: Hoë monsternemingsgeraas is geneig om trillings teen lae snelhede te veroorsaak.

Oorstroombeskerming: Stadige reaksie kan MOSFET's uitbrand, terwyl oorsensitiewe instellings tot vals beskermingsaanvalle lei.

Termiese Bestuurstrategie: Volgehoue ​​hoë stroom lei tot gelyktydige temperatuurstyging in motorwikkelings, MOSFET's en stroomgevoelige weerstande.

Vanuit 'n uitlegperspektief verkort die plasing van stroomgevoelige weerstande naby MOSFET's en fasebedrading die hoëstroomlus, wat help om parasitiese induktansie en monsternemingsfoute te verminder. 'n Groot aantal klein weerstande en kapasitors word naby elke fase gerangskik, gewoonlik gebruik vir hekdemping, monsternemingsfiltering, drywerstabilisering en plaaslike ontkoppeling.

Temperatuuropsporing is ewe onontbeerlik. Die MOTOR NTC-etiket dui op 'n termistor wat binne die motor of langs die windings geïnstalleer is. Vir humanoïde robotgewrigte genereer laespoed-hoëwringkragwerking, langdurige statiese houvas en oorgangsimpak tydens staan ​​of hurk alles aansienlike temperatuurstygings. Die NTC stel die beheerder in staat om drie sleutel temperatuurgebaseerde funksies uit te voer:

Stroombeperking: Verminder die maksimum uitsetstroom soos temperatuur styg; Derating: Beperk piekwringkrag onder volgehoue ​​swaar belastings;

Beskermende afskakeling: Gaan na foutmodus sodra die temperatuur die veiligheidsdrempel oorskry.

Dit is ook 'n fundamentele vermoë wat professionele robotverbindings moet hê. Sonder temperatuurgeslote-lusbeheer kan die verbinding nie vir lang tydperke betroubaar werk nie, ten spyte van sy hoë piekwringkraggradering.

06 Posisie-opsporing: Dubbele magnetiese enkodeerders en ratte skakel enkeldraaihoeke om na meerdraaiposisielesings

Nadat die PCBA verwyder is, kan 'n stel klein ratstrukture aan die agterkant gesien word. Dit is nie die hoofverminderingsratte nie, maar hulpmeganismes wat ontwerp is vir hoekopsporing.

 

Figuur 8: Rat- en magnetiese kodeerderarea aan die agterkant van die beheerbord

 

Figuur 9: Rotasie van die sentrale as dryf die twee aangrensende kleinratte aan om sinchroon te roteer.

Struktureel dryf rotasie van die sentrale as die twee klein ratte aan. 'n Magnetiese komponent is in die middel van elke klein rat gepas, met magnetiese enkodeer-IC's wat op die ooreenstemmende posisies aan die agterkant van die PCBA gemonteer is. Magnetiese enkodeerders meet hoekvariasies van magnetiese velde, wat die behoefte aan optiese roosterskywe uitskakel. Hulle is verdraagsaam teenoor geringe oliebesoedeling en stof, wat hulle meer geskik maak vir volledig geslote robotgewrigte.

 

Figuur 10: Die dubbelrat- en dubbelenkodeerderstruktuur verbeter hoekresolusie en maak multi-draai posisie-opsporing moontlik.

Wat hier die meeste uitstaan, is die "dubbelrat + dubbele magnetiese kodeerder"-konfigurasie. Die waarde daarvan gaan veel verder as om bloot 'n tweede sensor by te voeg vir hoër akkuraatheid; dit is heel waarskynlik ontwerp om 'n absolute posisie-koderingskema met veelvuldige draaie te realiseer:

'n Enkele magnetiese kodeerder meet hoeke binne 0–360° akkuraat;

tog kan 'n gewrig verskeie omwentelings roteer, en 'n enkeldraai-enkodeerder kan nie die aantal rotasies op sy eie bepaal nie;

As die twee ratte verskillende tandtellings of ratverhoudings het, vorm hulle 'n vernier-agtige korrelasie;

Deur die twee hoeklesings te kombineer, bereken die beheerder die absolute posisie oor 'n baie wyer reeks.

Hierdie struktuur bied groot waarde aan humanoïde robotte. Na afskakeling kan die bene, arms of middellyfgewrigte deur eksterne kragte verplaas word. Na heraanskakeling ly gewrigte wat uitgebreide tuisbewegings vereis aan lae doeltreffendheid en hou veiligheidsgevare in. Multi-draai absolute posisiewaarneming laat gewrigte toe om onmiddellik postuurdata te herwin sodra die krag herstel word.