04 Қуат жетегі: 3 фазалы MOS көпірі қосылыстың шығыс момент сыйымдылығын анықтайды

5-сурет: Үш фазалы қозғалтқыш сымдары MOS қуат бөліміне орталықтан қосылған, оның айналасында іріктеу резисторлары, драйверлері және сүзгі компоненттері орналасқан.

 

Бұл біріктіруші қозғалтқыш үш фазалы щеткасыз қозғалтқыштарға арналған. Үш фазалы BLDC қозғалтқыштарын жоғары өнімді басқару үшін әдетте кемінде алты қуатты MOSFET бар үш фазалы инверторды құрайтын үш жартылай көпір қажет. Бірнеше үлкен пакетті MOS құрылғыларыбанкаосы архитектураға сәйкес үш фазалы шығыс дәнекерлеу нүктелерін қоршап тұрған PCBA-да байқалуы мүмкін.

 

Үш фазалы көпірдің жұмыс логикасын келесідей жеңілдетуге болады:

Батарея немесе шина кернеуі P+ және P- арқылы беріледі; MOS жартылай көпірлерін жоғары жылдамдықпен ауыстыру тұрақты ток кернеуін үш фазалы токқа түрлендіреді;

Үш фазалы ток айналмалы магнит өрісін тудыру үшін қозғалтқыш орамаларына түседі; Контроллер кодтаушының орналасуы мен ток кері байланысына негізделген PWM жұмыс циклдарын үздіксіз реттейді;

Нәтижесінде, буынға нысана моментін, жылдамдықты немесе позицияны шығаруға мүмкіндік береді.

Бұл бөлімнің нашар дизайны бірнеше типтік мәселелерге әкеледі: шамадан тыс MOS қызуы, төмен жылдамдықты діріл, күшті айналу моментінің толқындары, жалған шамадан тыс ток қорғанысының іске қосылуы және кодтаушыларға немесе байланыс тізбектеріне әсер ететін электромагниттік кедергі. Осы себепті робот қосылыстарына арналған қуат тақтасын жобалау кәдімгі шағын қозғалтқыш драйвер тақталарына қарағанда әлдеқайда қиын.

 

6-сурет: TLV767 кернеу реттегішін индукторлармен, конденсаторлармен және бірнеше төмен вольтты қуат компоненттерімен қатар тақтадан көруге болады.

Қуат көзі ағашын да талдауға тұрарлық. TLV767 сияқты LDO реттегіштері және «100» деп белгіленген қуат индукторлары баспа тақтасында көрінеді. 48 В номиналды қосылыстардың қолданылу сценарийін ескере отырып, төмен вольтты жүйенің жоғары кернеуден тек LDO арқылы тікелей ажыратылуы екіталай деп қорытынды жасауға болады. Оның орнына келесіге ұқсас қуат көзі архитектурасы қолданылады:

Жоғары вольтты шина → Төмендетілген түрлендіруді ауыстыру → Төмен вольтты рельстер (5В / 3,3В және т.б.) → Екінші реттік LDO реттеуі / жергілікті шуды сүзу

Бұл қуат архитектурасы тиімдірек. MCU, энкодер, дискретизация күшейткіштері және байланыс қабылдағыш-таратқыштары таза, тұрақты төмен вольтты қуатты қажет етеді, ал MOS қосқыштары мен қозғалтқыш фазалық желілері қатты шу шығарады. Егер төмен вольтты қуат көзінде жеткілікті кедергіге қарсы өнімділік болмаса, пайда болатын алғашқы ақаулар әдетте қозғалтқыштың ақаулары емес, бұрыштың кенеттен секіруі, байланыс үзілуі немесе дрейфтік ток дискретизациясының көрсеткіштері болады.

05 Ток және температураны сезу: Робот қосылыстары шығыс моментін нақты уақыт режимінде бақылауы керек

 

7-сурет: Бірнеше R001 төмен мәнді сенсорлық резисторлар үш фазалы қуат бөлімінің астында орналасқан.

Бұл тақтада R001 компоненттері өте маңызды, олар қозғалтқыштың фазалық тогын немесе шина тогын өлшеу үшін қолданылатын миллиом деңгейіндегі төмен мәнді сенсорлық резисторларды (әдетте 1 мΩ) білдіреді. Ток сенсоры робот қосылыстары үшін тұйықталған циклді басқарудың негізін құрайды, себебі BLDC қозғалтқышының шығыс моменті оның фазалық тогымен тығыз байланысты.

Басқаша айтқанда, контроллер қосылыстың айналу моментін «болжамайды»; оның орнына ол сенсорлық резисторлардағы кернеудің аздап төмендеуін өлшеу арқылы ток күшін есептейді:

Сенсорлық резистордағы кернеудің төмендеуі → Күшейту және сүзу → АЦП дискретизациясы → Токты есептеу → ФОК моментін басқару

Бұл сигнал тізбегінің дәлдігі тікелей әсер етеді:

Айналдыру моментін басқару дәлдігі: Егер ағымдағы бағалау дәл болмаса, айналу моменті дәл болмайды.

Төмен жылдамдықты тегістік: Жоғары дискретизация шуы төмен жылдамдықта діріл тудырады.

Шамадан тыс токтан қорғау: Баяу жауап беру MOSFET-терді күйдіруі мүмкін, ал тым сезімтал параметрлер жалған қорғаныс триггерлеріне әкеледі.

Жылуды басқару стратегиясы: Тұрақты жоғары ток қозғалтқыш орамаларында, MOSFET-терде және ток сезгіш резисторларда температураның бір мезгілде көтерілуіне әкеледі.

Орналасу тұрғысынан алғанда, ток сезгіш резисторларды MOSFET және фазалық сымдарға жақын орналастыру жоғары ток тізбегін қысқартады, бұл паразиттік индуктивтілікті және іріктеу қателерін азайтуға көмектеседі. Әр фазаның жанында көптеген шағын резисторлар мен конденсаторлар орналастырылған, олар әдетте қақпаны өшіру, іріктеуді сүзу, драйверді тұрақтандыру және жергілікті ажырату үшін қолданылады.

Температураны анықтау да маңызды. МОТОРДЫҢ NTC белгісі қозғалтқыштың ішіне немесе орамаларға жақын орналасқан терморезисторды көрсетеді. Гуманоидты робот қосылыстары үшін төмен жылдамдықты жоғары моментпен жұмыс істеу, ұзақ статикалық ұстап тұру және тұру немесе отыру кезіндегі уақытша соққы температураның айтарлықтай көтерілуіне әкеледі. NTC контроллерге температураға негізделген үш негізгі функцияны орындауға мүмкіндік береді:

Токты шектеу: Температура көтерілген сайын максималды шығыс тогын азайтыңыз; Дератинг: Тұрақты ауыр жүктемелер кезіндегі ең жоғары момент;

Қорғаныс өшіру: Температура қауіпсіздік шегінен асқаннан кейін ақаулық режиміне өтіңіз.

Бұл сондай-ақ кәсіби робот қосылыстарында болуы керек негізгі мүмкіндік. Температураны тұйықталған циклмен басқарусыз қосылыс жоғары шыңдық моментіне қарамастан ұзақ уақыт бойы сенімді жұмыс істей алмайды.

06 Орынды анықтау: қос магнитті энкодерлер мен берілістер бір айналымды бұрыштарды көп айналымды позиция көрсеткіштеріне түрлендіреді

PCBA алып тастағаннан кейін, артқы жағында шағын беріліс құрылымдарының жиынтығын көруге болады. Бұл негізгі редукторлар емес, бұрышты анықтауға арналған қосалқы механизмдер.

 

8-сурет: Басқару тақтасының артқы жағындағы беріліс қорабы және магниттік кодтаушы аймағы

 

9-сурет: Орталық біліктің айналуы екі көршілес тістегершікті берілістің синхронды айналуына әкеледі.

Құрылымдық тұрғыдан алғанда, орталық біліктің айналуы екі кішкентай беріліс қорабын басқарады. Әрбір кішкентай беріліс қорабының ортасында магниттік компонент орнатылған, ал магниттік кодтаушы интегралдық схемалар PCBA артқы жағындағы сәйкес келетін позицияларға орнатылған. Магниттік кодтаушылар магнит өрістерінің бұрыштық ауытқуларын өлшейді, бұл оптикалық торлы дискілерге деген қажеттілікті жояды. Олар майдың аздаған ластануына және шаңға төзімді, бұл оларды толығымен жабық робот қосылыстары үшін қолайлы етеді.

 

10-сурет: Қос беріліс қорабы және қос кодтаушы құрылым бұрыштық ажыратымдылықты жақсартады және көп бұрылысты позицияны анықтауға мүмкіндік береді.

Мұнда ең ерекшеленетіні - «қос беріліс + қос магниттік кодтаушы» конфигурациясы. Оның құндылығы жоғары дәлдік үшін екінші сенсорды қосудан әлдеқайда асып түседі; ол, бәлкім, көп айналымды абсолютті позицияны кодтау схемасын жүзеге асыру үшін жасалған:

Бір магниттік кодтағыш бұрыштарды 0–360° аралығында дәл өлшейді;

дегенмен, буын бірнеше айналым жасай алады, ал бір айналымды энкодер айналым санын өздігінен анықтай алмайды;

Егер екі берілістің тіс саны немесе беріліс қатынасы әртүрлі болса, олар верниус тәрізді корреляцияны құрайды;

Екі бұрыштық көрсеткіштерді біріктіру арқылы контроллер абсолютті позицияны әлдеқайда кең диапазонда есептейді.

Бұл құрылым гуманоидты роботтар үшін үлкен құндылық береді. Қуат өшірілгеннен кейін, аяқтар, қолдар немесе бел буындары сыртқы күштердің әсерінен ығысып кетуі мүмкін. Қайта қуаттандырған кезде, кең көлемді бастапқы қозғалыстарды қажет ететін буындардың тиімділігі төмен болады және қауіпсіздікке қауіп төндіреді. Көп айналымды абсолютті позицияны сезу буындарға қуат қалпына келтірілгеннен кейін бірден қалып деректерін алуға мүмкіндік береді.