04 Pemacu Kuasa: Jambatan MOS 3 Fasa Menentukan Kapasiti Tork Output Sambungan

Rajah 5: Wayar motor tiga fasa disambungkan secara berpusat ke bahagian kuasa MOS, dengan perintang pensampelan, pemacu dan komponen penapis disusun di sekelilingnya.

 

Pemacu bersama ini direka bentuk untuk motor tanpa berus tiga fasa. Kawalan berprestasi tinggi motor BLDC tiga fasa biasanya memerlukan tiga separuh jambatan, membentuk penyongsang tiga fasa dengan minimum enam MOSFET kuasa. Pelbagai peranti MOS pakej besarbolehdapat dilihat pada PCBA yang mengelilingi titik pateri output tiga fasa, selaras dengan seni bina ini.

 

Logik operasi jambatan tiga fasa boleh dipermudahkan seperti berikut:

Voltan bateri atau bas dimasukkan melalui P+ dan P-; Pensuisan separuh jambatan MOS berkelajuan tinggi menukar voltan DC kepada arus tiga fasa;

Arus tiga fasa mengalir ke dalam belitan motor untuk menghasilkan medan magnet berputar; Pengawal melaraskan kitaran tugas PWM secara berterusan berdasarkan kedudukan pengekod dan maklum balas arus;

Akhirnya membolehkan sambungan mengeluarkan tork, kelajuan atau kedudukan sasaran.

Reka bentuk bahagian ini yang lemah akan membawa kepada beberapa isu biasa: pemanasan MOS yang berlebihan, jitter berkelajuan rendah, riak tork yang teruk, pencetusan perlindungan arus lampau palsu dan gangguan EMI yang menjejaskan pengekod atau litar komunikasi. Atas sebab ini, reka bentuk papan kuasa untuk sambungan robot jauh lebih mencabar berbanding papan pemacu motor kecil biasa.

 

Rajah 6: Pengatur voltan TLV767 boleh dilihat pada papan, di samping induktor, kapasitor dan beberapa komponen kuasa voltan rendah.

Pokok bekalan kuasa juga patut dianalisis. Pengawal selia LDO seperti TLV767 dan induktor kuasa bertanda "100" boleh dilihat pada PCB. Memandangkan senario aplikasi sambungan berkadar 48V, dapat disimpulkan bahawa sistem voltan rendah tidak mungkin diturunkan secara langsung daripada voltan tinggi semata-mata melalui LDO. Sebaliknya, seni bina bekalan kuasa yang serupa dengan yang berikut diguna pakai:

Bas voltan tinggi → Penukaran langkah ke bawah suis → Rel voltan rendah (5V / 3.3V, dsb.) → Peraturan LDO sekunder / penapisan hingar tempatan

Seni bina kuasa ini lebih rasional. MCU, pengekod, penguat pensampelan dan transceiver komunikasi memerlukan kuasa voltan rendah yang bersih dan stabil, manakala suis MOS dan talian fasa motor menghasilkan hingar yang kuat. Jika bekalan kuasa voltan rendah kekurangan prestasi anti-gangguan yang mencukupi, kerosakan pertama yang muncul biasanya bukan kerosakan motor, tetapi lonjakan sudut yang mendadak, putus komunikasi atau bacaan pensampelan arus yang hanyut.

05 Pengesanan Arus & Suhu: Sambungan Robot Mesti Memantau Tork Output dalam Masa Nyata

 

Rajah 7: Berbilang perintang deria nilai rendah R001 terletak di bawah bahagian kuasa tiga fasa.

Komponen R001 adalah kritikal pada papan ini, mewakili perintang deria nilai rendah tahap miliohm (biasanya 1 mΩ) yang digunakan untuk mengukur arus fasa motor atau arus bas. Pengesanan arus membentuk teras kawalan gelung tertutup untuk sambungan robot, kerana tork output motor BLDC berkorelasi kuat dengan arus fasanya.

Dalam erti kata lain, pengawal tidak "meneka" output tork sambungan; sebaliknya, ia mengira arus dengan mengukur penurunan voltan kecil merentasi perintang deria:

Kejatuhan voltan merentasi perintang deria → Penguatan & penapisan → Pensampelan ADC → Pengiraan arus → Kawalan tork FOC

Ketepatan rantaian isyarat ini secara langsung mempengaruhi:

Ketepatan Kawalan Tork: Jika anggaran semasa tidak tepat, output tork juga akan menjadi tidak tepat.

Kelancaran Berkelajuan Rendah: Bunyi pensampelan yang tinggi cenderung menyebabkan keganjilan pada kelajuan rendah.

Perlindungan Arus Lebihan: Tindak balas yang perlahan mungkin membakar MOSFET, manakala tetapan yang terlalu sensitif mengakibatkan pencetus perlindungan palsu.

Strategi Pengurusan Terma: Arus tinggi yang berterusan membawa kepada peningkatan suhu serentak dalam belitan motor, MOSFET dan perintang pengesan arus.

Dari perspektif susun atur, meletakkan perintang pengesanan arus dekat dengan MOSFET dan pendawaian fasa memendekkan gelung arus tinggi, yang membantu mengurangkan induktans parasit dan ralat pensampelan. Sebilangan besar perintang dan kapasitor kecil disusun berhampiran setiap fasa, biasanya digunakan untuk redaman get, penapisan pensampelan, penstabilan pemacu dan penyahgandingan setempat.

Pengesanan suhu juga penting. Label NTC MOTOR menunjukkan termistor yang dipasang di dalam motor atau bersebelahan dengan belitan. Bagi sambungan robot humanoid, operasi tork tinggi berkelajuan rendah, pegangan statik yang berpanjangan dan hentaman sementara semasa berdiri atau mencangkung semuanya menghasilkan peningkatan suhu yang ketara. NTC membolehkan pengawal melaksanakan tiga fungsi utama berasaskan suhu:

Pengehadan arus: Kurangkan arus output maksimum apabila suhu meningkat; Penyahterasan: Hadkan tork puncak di bawah beban berat yang berterusan;

Penutupan pelindung: Masuk ke mod kerosakan sebaik sahaja suhu melebihi ambang keselamatan.

Ini juga merupakan keupayaan asas yang mesti dimiliki oleh sambungan robot profesional. Tanpa kawalan gelung tertutup suhu, sambungan tidak dapat beroperasi dengan andal untuk tempoh yang lama walaupun mempunyai penarafan tork puncak yang tinggi.

06 Pengesanan Kedudukan: Pengekod Magnetik Berganda dan Gear Menukar Sudut Pusingan Tunggal kepada Bacaan Kedudukan Berbilang Pusingan

Selepas menanggalkan PCBA, satu set struktur gear kecil boleh dilihat di bahagian belakang. Ini bukanlah gear pengurangan utama, tetapi mekanisme tambahan yang direka untuk pengesanan sudut.

 

Rajah 8: Kawasan pengekod gear dan magnet di bahagian belakang papan kawalan

 

Rajah 9: Putaran aci tengah memacu dua gear pinion bersebelahan untuk berputar secara segerak.

Secara strukturnya, putaran aci tengah memacu dua gear kecil. Komponen magnet dipasang di tengah setiap gear kecil, dengan IC pengekod magnet dipasang pada kedudukan yang sepadan di bahagian belakang PCBA. Pengekod magnet mengukur variasi sudut medan magnet, menghapuskan keperluan untuk cakera parut optik. Ia bertolak ansur dengan pencemaran minyak dan habuk kecil, menjadikannya lebih sesuai untuk sambungan robot yang tertutup sepenuhnya.

 

Rajah 10: Struktur dwi-gear dan dwi-pengekod meningkatkan resolusi sudut dan membolehkan pengesanan kedudukan berbilang pusingan.

Apa yang paling menonjol di sini ialah konfigurasi "gear dwi + pengekod magnet dwi". Nilainya jauh melangkaui sekadar menambah sensor kedua untuk ketepatan yang lebih tinggi; ia kemungkinan besar direka bentuk untuk merealisasikan skema pengekodan kedudukan mutlak berbilang pusingan:

Satu pengekod magnet mengukur sudut dengan tepat dalam lingkungan 0–360°;

namun sambungan boleh memutarkan berbilang pusingan, dan pengekod pusingan tunggal tidak dapat menentukan bilangan putaran dengan sendirinya;

Jika kedua-dua gear mempunyai kiraan gigi atau nisbah gear yang berbeza, ia membentuk korelasi seperti vernier;

Dengan menggabungkan dua bacaan sudut, pengawal mengira kedudukan mutlak dalam julat yang lebih luas.

Struktur ini memberikan nilai yang besar kepada robot humanoid. Selepas dimatikan, sendi kaki, lengan atau pinggang mungkin teralih oleh daya luaran. Setelah dihidupkan semula, sendi yang memerlukan pergerakan homing yang meluas mengalami kecekapan yang rendah dan menimbulkan bahaya keselamatan. Pengesanan kedudukan mutlak berbilang pusingan membolehkan sendi mendapatkan data postur serta-merta sebaik sahaja kuasa dipulihkan.