04 Maitinimo pavara: Trifazis MOS tiltas nustato jungties išėjimo sukimo momento talpą

5 pav.: Trifazio variklio laidai yra centralizuotai prijungti prie MOS maitinimo bloko, o aplink jį išdėstyti diskretizavimo rezistoriai, valdikliai ir filtro komponentai.

 

Šis jungtinis valdiklis skirtas trifaziams bešepetiniams varikliams. Didelio našumo trifazių BLDC variklių valdymui paprastai reikia trijų pusinių tiltelių, sudarančių trifazį keitiklį su mažiausiai šešiais galios MOSFET tranzistoriais. Keli didelio korpuso MOS įtaisaiskardinėbūti pastebėtas ant PCBA aplink trifazio išėjimo litavimo taškus, atitinkantį šią architektūrą.

 

Trifazio tilto veikimo logiką galima supaprastinti taip:

Akumuliatoriaus arba magistralės įtampa tiekiama per P+ ir P-; didelio greičio MOS pusinių tiltelių perjungimas nuolatinę įtampą paverčia trifaze srove;

Trifazė srovė teka į variklio apvijas ir sukuria sukamąjį magnetinį lauką; valdiklis nuolat reguliuoja PWM darbo ciklus pagal kodavimo įrenginio padėtį ir srovės grįžtamąjį ryšį;

Galiausiai jungtis leidžia išgauti tikslinį sukimo momentą, greitį arba padėtį.

Prastas šios dalies projektavimas sukels keletą tipinių problemų: per didelį MOS įkaitimą, mažo greičio virpėjimą, didelį sukimo momento pulsavimą, klaidingą viršsrovės apsaugos suveikimą ir EMI trukdžius, darančius įtaką kodavimo įrenginiams ar ryšio grandinėms. Dėl šios priežasties robotų jungčių maitinimo plokščių projektavimas yra daug sudėtingesnis nei įprastų mažų variklių valdymo plokščių.

 

6 pav.: Ant plokštės pavaizduotas įtampos reguliatorius TLV767 kartu su induktoriais, kondensatoriais ir keliais žemos įtampos maitinimo komponentais.

Taip pat verta išanalizuoti maitinimo šaltinių medį. Ant spausdintinės plokštės matomi LDO reguliatoriai, tokie kaip TLV767, ir galios induktoriai, pažymėti „100“. Atsižvelgiant į 48 V įtampos jungčių taikymo scenarijų, galima daryti išvadą, kad žemos įtampos sistema greičiausiai nebus tiesiogiai sumažinta nuo aukštos įtampos vien tik per LDO. Vietoj to naudojama maitinimo šaltinių architektūra, panaši į šią:

Aukštos įtampos magistralė → Perjungimo žemesnio lygio konversija → Žemos įtampos bėgiai (5 V / 3,3 V ir kt.) → Antrinis LDO reguliavimas / vietinis triukšmo filtravimas

Ši maitinimo architektūra yra racionalesnė. Mikrovaldikliui, kodavimo įrenginiui, diskretizavimo stiprintuvams ir ryšio siųstuvams-imtuvams reikalinga švari, stabili žemos įtampos galia, o MOS jungikliai ir variklio fazės linijos generuoja stiprų triukšmą. Jei žemos įtampos maitinimo šaltinis nepakankamai gerai apsaugo nuo trukdžių, pirmieji gedimai paprastai būna ne variklio gedimai, o staigūs kampiniai šuoliai, ryšio nutrūkimai arba dreifuojantys srovės diskretizavimo rodmenys.

05 Srovės ir temperatūros jutimas: robotų jungtys turi stebėti išėjimo sukimo momentą realiuoju laiku

 

7 pav.: Po trifaziu maitinimo skyriumi yra keli R001 mažos vertės jutimo rezistoriai.

Šioje plokštėje R001 komponentai yra labai svarbūs, nes jie yra miliomo lygio žemos vertės jutimo rezistoriai (paprastai 1 mΩ), naudojami variklio fazės srovei arba magistralės srovei matuoti. Srovės jutimas yra uždaros grandinės robotų jungčių valdymo pagrindas, nes BLDC variklio išėjimo sukimo momentas yra stipriai koreliuojamas su jo fazės srove.

Kitaip tariant, valdiklis „nespėja“ jungties sukimo momento išėjimo; vietoj to jis apskaičiuoja srovę matuodamas mažytį įtampos kritimą tarp jutimo rezistorių:

Įtampos kritimas jutimo rezistoriuje → Stiprinimas ir filtravimas → ADC diskretizavimas → Srovės skaičiavimas → FOC sukimo momento valdymas

Šios signalo grandinės tikslumas tiesiogiai veikia:

Sukimo momento valdymo tikslumas: jei srovės įvertinimas netikslus, sukimo momento išvestis bus netiksli.

Mažo greičio sklandumas: didelis diskretizavimo triukšmas mažu greičiu sukelia virpėjimą.

Apsauga nuo viršsrovės: lėtas atsakas gali perdeginti MOSFET tranzistorius, o pernelyg jautrūs nustatymai sukelia klaidingus apsaugos suveikimus.

Šilumos valdymo strategija: ilgalaikė didelė srovė sukelia vienalaikį variklio apvijų, MOSFETų ir srovės jutimo rezistorių temperatūros kilimą.

Išdėstymo požiūriu, srovės jutimo rezistorių išdėstymas arti MOSFETų ir fazių laidų sutrumpina didelės srovės kilpą, o tai padeda sumažinti parazitinį induktyvumą ir diskretizavimo paklaidas. Šalia kiekvienos fazės išdėstyta daug mažų rezistorių ir kondensatorių, kurie paprastai naudojami užtūros slopinimui, diskretizavimo filtravimui, valdiklio stabilizavimui ir vietiniam atjungimui.

Temperatūros matavimas yra ne mažiau svarbus. „MOTOR NTC“ žymėjimas nurodo termistorių, įmontuotą variklio viduje arba šalia apvijų. Humanoidinių robotų jungčių atveju, mažo greičio veikimas dideliu sukimo momentu, ilgalaikis statinis laikymas ir trumpalaikis smūgis stojantis ar pritūpiant sukelia didelį temperatūros padidėjimą. NTC leidžia valdikliui atlikti tris pagrindines temperatūros pagrindu veikiančias funkcijas:

Srovės ribojimas: sumažina maksimalią išėjimo srovę kylant temperatūrai; galios mažinimas: apriboja didžiausią sukimo momentą esant ilgalaikėms didelėms apkrovoms;

Apsauginis išsijungimas: Įjunkite gedimo režimą, kai temperatūra viršija saugos ribą.

Tai taip pat yra esminė funkcija, kurią privalo turėti profesionalūs robotų sujungimai. Be uždaros temperatūros valdymo grandinės, jungtis negali patikimai veikti ilgą laiką, nepaisant didelio maksimalaus sukimo momento.

06 Padėties aptikimas: dvigubi magnetiniai kodavimo įrenginiai ir krumpliaračiai konvertuoja vieno apsisukimo kampus į kelių apsisukimų padėties rodmenis

Nuėmus spausdintinę plokštę, kitoje pusėje galima pamatyti nedidelių krumpliaračių konstrukcijų rinkinį. Tai ne pagrindiniai reduktoriai, o pagalbiniai mechanizmai, skirti kampui aptikti.

 

8 pav.: Pavarų ir magnetinio kodavimo įrenginio sritis valdymo plokštės kitoje pusėje

 

9 pav.: Centrinio veleno sukimasis priverčia du gretimus krumpliaračius suktis sinchroniškai.

Struktūriškai centrinio veleno sukimasis varo du mažus krumpliaračius. Kiekvieno mažo krumpliaračio centre sumontuotas magnetinis komponentas, o magnetinio kodavimo integriniai grandynai sumontuoti atitinkamose vietose PCBA galinėje pusėje. Magnetiniai kodavimo įrenginiai matuoja magnetinių laukų kampinius pokyčius, todėl nereikia optinių grotelių diskų. Jie yra atsparūs nedideliam alyvos užterštumui ir dulkėms, todėl labiau tinka visiškai uždaroms robotų jungtims.

 

10 pav.: Dviejų pavarų ir dviejų kodavimo įrenginių konstrukcija pagerina kampinę skiriamąją gebą ir įgalina padėties aptikimą keliais apsisukimais.

Labiausiai čia išsiskiria „dviejų pavarų + dvigubo magnetinio kodavimo“ konfigūracija. Jos vertė yra daug didesnė nei tiesiog antro jutiklio pridėjimas didesniam tikslumui; greičiausiai ji sukurta taip, kad būtų įgyvendinta daugiaapsukė absoliučios padėties kodavimo schema:

Vienas magnetinis kodavimo įrenginys tiksliai matuoja kampus 0–360° intervale;

tačiau jungtis gali apsisukti kelis kartus, o vieno apsisukimo kodavimo įrenginys negali pats nustatyti apsisukimų skaičiaus;

Jei dvi pavaros turi skirtingą dantų skaičių arba pavarų perdavimo skaičių, jos sudaro vernierio tipo koreliaciją;

Sujungdamas du kampinius rodmenis, valdiklis apskaičiuoja absoliučią padėtį daug platesniame diapazone.

Ši konstrukcija yra labai vertinga humanoidiniams robotams. Išjungus maitinimą, kojų, rankų ar juosmens sąnariai gali būti pasislinkę dėl išorinių jėgų. Pakartotinai įjungus maitinimą, sąnariai, kuriems reikalingi dideli grįžtamieji judesiai, yra mažai efektyvūs ir kelia pavojų saugai. Daugiaapsisukimo absoliučios padėties jutimas leidžia sąnariams akimirksniu gauti padėties duomenis, kai tik maitinimas vėl tiekiamas.