04 Motordrift: 3-fas MOS-bryggan bestämmer ledens utgångsmomentkapacitet

Figur 5: Trefasmotorns kablar är centralt anslutna till MOS-effektsektionen, med samplingsmotstånd, drivkretsar och filterkomponenter arrangerade runt den.

 

Denna gemensamma drivkrets är konstruerad för trefasiga borstlösa motorer. Högpresterande styrning av trefasiga BLDC-motorer kräver vanligtvis tre halvbryggor, vilket bildar en trefasväxelriktare med minst sex effekt-MOSFET:er. Flera storkapslade MOS-enheterburkkunna ses på PCBA:n som omger lödpunkterna för trefasutgångarna, i överensstämmelse med denna arkitektur.

 

Trefasbryggans funktionslogik kan förenklas enligt följande:

Batteri- eller busspänning matas in via P+ och P-; Snabbkoppling av MOS-halvbryggor omvandlar likspänning till trefasström;

Trefasströmmen flyter in i motorlindningarna för att generera ett roterande magnetfält; Styrenheten justerar kontinuerligt PWM-driftscyklerna baserat på pulsgivarens position och strömåterkoppling;

Slutligen möjliggör det för leden att mata ut önskat vridmoment, hastighet eller position.

Dålig design av denna sektion leder till flera typiska problem: överdriven MOS-uppvärmning, jitter vid låg hastighet, kraftigt momentrippel, utlösning av falskt överströmsskydd och EMI-störningar som påverkar kodare eller kommunikationskretsar. Av denna anledning är design av kraftkort för robotkopplingar mycket mer utmanande än för vanliga små motordrivkort.

 

Figur 6: Spänningsregulatorn TLV767 kan ses på kortet, tillsammans med induktorer, kondensatorer och flera lågspänningskomponenter.

Strömförsörjningsträdet är också värt att analysera. LDO-regulatorer som TLV767 och effektinduktorer markerade "100" är synliga på kretskortet. Med tanke på tillämpningsscenariot för 48V-märkta kopplingar kan man dra slutsatsen att lågspänningssystemet sannolikt inte kommer att direkt stegas ner från högspänning enbart via LDO:er. Istället används en strömförsörjningsarkitektur som liknar följande:

Högspänningsbuss → Omvandling med switchande nedspänning → Lågspänningsskenor (5V / 3,3V, etc.) → Sekundär LDO-reglering / lokal brusfiltrering

Denna kraftarkitektur är mer rationell. MCU:n, kodaren, samplingsförstärkarna och kommunikationstransceivrarna kräver ren, stabil lågspänningsström, medan MOS-switcharna och motorns fasledningar genererar intensivt brus. Om lågspänningsströmförsörjningen saknar tillräcklig störningsskyddsprestanda är de första felen som uppstår vanligtvis inte motorfel, utan abrupta vinkelhopp, kommunikationsavbrott eller drivande strömavläsningar.

05 Ström- och temperaturavkänning: Robotleder måste övervaka utgångsmomentet i realtid

 

Figur 7: Flera R001-lågvärdesavkänningsmotstånd är placerade under trefasektionen.

R001-komponenterna är avgörande på detta kort och representerar lågvärdesmotstånd på milliohm-nivå (vanligtvis 1 mΩ) som används för att mäta motorfasström eller bussström. Strömavkänning utgör kärnan i sluten styrning för robotkopplingar, eftersom utgångsmomentet från en BLDC-motor är starkt korrelerat med dess fasström.

Med andra ord "gissar" inte styrenheten ledens vridmomentutgång; istället beräknar den strömmen genom att mäta det lilla spänningsfallet över avkänningsmotstånden:

Spänningsfall över avkänningsmotstånd → Förstärkning och filtrering → ADC-sampling → Strömberäkning → FOC-momentkontroll

Precisionen i denna signalkedja påverkar direkt:

Momentregleringens noggrannhet: Om strömuppskattningen är felaktig, kommer momentutgången att vara felaktig.

Låg hastighetsjämnhet: Högt samplingsbrus tenderar att orsaka jitter vid låga hastigheter.

Överströmsskydd: Långsamt svar kan bränna ut MOSFET:er, medan alltför känsliga inställningar resulterar i falska skyddsutlösare.

Strategi för termisk hantering: Ihållande hög ström leder till samtidig temperaturökning i motorlindningar, MOSFET:er och strömavkännande motstånd.

Ur ett layoutperspektiv förkortar placering av strömavkännande motstånd nära MOSFET:er och faskoppling högströmsslingan, vilket bidrar till att minska parasitisk induktans och samplingsfel. Ett stort antal små motstånd och kondensatorer är anordnade nära varje fas, vanligtvis används för gatedämpning, samplingsfiltrering, drivrutinsstabilisering och lokal avkoppling.

Temperaturdetektering är lika oumbärlig. MOTOR NTC-etiketten indikerar en termistor installerad inuti motorn eller intill lindningarna. För humanoida robotleder genererar låghastighetsdrift med högt vridmoment, långvarig statisk hållning och övergående stötar vid stående eller hukande alla betydande temperaturökningar. NTC:n gör det möjligt för styrenheten att utföra tre viktiga temperaturbaserade funktioner:

Strömbegränsning: Minska maximal utström när temperaturen stiger; Nedstämpling: Begränsa toppmomentet under ihållande tung belastning;

Skyddsavstängning: Gå in i felläge när temperaturen överstiger säkerhetströskeln.

Detta är också en grundläggande funktion som professionella robotkopplingar måste ha. Utan temperaturreglering med sluten slinga kan kopplingen inte fungera tillförlitligt under längre perioder trots sitt höga maximala vridmoment.

06 Positionsdetektering: Dubbla magnetiska kodare och kugghjul omvandlar envarvsvinklar till positionsavläsningar med flera varv

Efter att kretskortet har tagits bort kan en uppsättning små kugghjulsstrukturer ses på baksidan. Dessa är inte huvudreduktionsväxlarna, utan hjälpmekanismer utformade för vinkeldetektering.

 

Figur 8: Område för växel och magnetisk kodare på baksidan av styrkortet

 

Figur 9: Rotation av den centrala axeln driver de två intilliggande pinjongdreven att rotera synkront.

Strukturellt sett driver rotationen av den centrala axeln de två små kugghjulen. En magnetisk komponent är monterad i mitten av varje litet kugghjul, med magnetiska kodare för integrerade kretskort monterade på matchande positioner på baksidan av kretskortet. Magnetiska kodare mäter vinkelvariationer i magnetfält, vilket eliminerar behovet av optiska gitterskivor. De är toleranta mot mindre oljeföroreningar och damm, vilket gör dem mer lämpade för helt slutna robotkopplingar.

 

Figur 10: Strukturen med dubbla växlar och dubbla kodare förbättrar vinkelupplösningen och möjliggör positionsdetektering vid flera varv.

Det som sticker ut mest här är konfigurationen "dubbelväxlad + dubbel magnetisk kodare". Dess värde går långt utöver att bara lägga till en andra sensor för högre noggrannhet; den är troligtvis konstruerad för att realisera ett absolut positionskodningsschema med flera varv:

En enda magnetisk kodare mäter noggrant vinklar inom 0–360°;

ändå kan en fog rotera flera varv, och en envarvskodare kan inte bestämma antalet rotationer på egen hand;

Om de två kugghjulen har olika kuggantal eller utväxlingsförhållanden, bildar de en nonieliknande korrelation;

Genom att kombinera de två vinkelavläsningarna beräknar regulatorn den absoluta positionen över ett mycket bredare område.

Denna struktur ger stort värde åt humanoida robotar. Efter avstängning kan ben, armar eller midjeleder förskjutas av yttre krafter. Vid återinkoppling lider leder som kräver omfattande målsökande rörelser av låg effektivitet och utgör säkerhetsrisker. Absolut positionsavkänning med flera varv gör att lederna omedelbart kan hämta positionsdata så snart strömmen återställs.