04 Power Drive: Tinutukoy ng 3-Phase MOS Bridge ang Kapasidad ng Output Torque ng Joint

Pigura 5: Ang mga kable ng three-phase motor ay nakakonekta sa gitnang bahagi ng MOS power, na may mga sampling resistor, driver, at mga bahagi ng filter na nakaayos sa paligid nito.

 

Ang joint driver na ito ay dinisenyo para sa mga three-phase brushless motor. Ang high-performance control ng mga three-phase BLDC motor ay karaniwang nangangailangan ng tatlong half-bridge, na bumubuo ng isang three-phase inverter na may minimum na anim na power MOSFET. Maramihang large-package MOS devicelatamakikita sa PCBA na nakapalibot sa mga three-phase output solder point, na naaayon sa arkitekturang ito.

 

Ang lohika ng pagpapatakbo ng three-phase bridge ay maaaring gawing simple tulad ng sumusunod:

Ang boltahe ng baterya o bus ay ipinapasok sa pamamagitan ng P+ at P-; Ang high-speed switching ng MOS half-bridges ay nagko-convert ng DC voltage sa three-phase current;

Ang three-phase current ay dumadaloy papunta sa mga winding ng motor upang makabuo ng umiikot na magnetic field; Patuloy na inaayos ng controller ang mga PWM duty cycle batay sa posisyon ng encoder at feedback ng current;

Sa huli, binibigyang-daan nito ang joint na mag-output ng target na torque, bilis o posisyon.

Ang mahinang disenyo ng seksyong ito ay hahantong sa ilang karaniwang isyu: labis na pag-init ng MOS, mababang bilis ng jitter, matinding torque ripple, pag-trigger ng false overcurrent protection, at EMI interference na nakakaapekto sa mga encoder o communication circuit. Dahil dito, ang disenyo ng power board para sa mga robot joint ay mas mahirap kaysa sa mga ordinaryong maliliit na motor driver board.

 

Pigura 6: Ang TLV767 voltage regulator ay makikita sa board, kasama ang mga inductor, capacitor at ilang low-voltage power component.

Ang power supply tree ay sulit ding suriin. Makikita sa PCB ang mga LDO regulator tulad ng TLV767 at mga power inductor na may markang "100". Kung isasaalang-alang ang sitwasyon ng aplikasyon ng 48V-rated joints, mahihinuha na ang low-voltage system ay malamang na hindi direktang mababawasan mula sa mataas na boltahe sa pamamagitan lamang ng mga LDO. Sa halip, isang arkitektura ng power supply na katulad ng sumusunod ang ginagamit:

Mataas na boltaheng bus → Pagpapalit ng step-down conversion → Mababang boltaheng riles (5V / 3.3V, atbp.) → Pangalawang regulasyon ng LDO / lokal na pagsala ng ingay

Mas makatuwiran ang arkitektura ng kuryenteng ito. Ang MCU, encoder, sampling amplifier, at communication transceiver ay nangangailangan ng malinis at matatag na low-voltage power, habang ang mga MOS switch at motor phase lines ay lumilikha ng matinding ingay. Kung ang low-voltage power supply ay kulang sa sapat na anti-interference performance, ang mga unang depekto na lumilitaw ay kadalasang hindi mga malfunction ng motor, kundi biglaang pagtalon ng anggulo, communication dropouts, o drifting current sampling readings.

05 Pagtukoy sa Agos at Temperatura: Dapat Subaybayan ng mga Robot Joints ang Output Torque sa Real Time

 

Pigura 7: Maraming R001 low-value sense resistors ang matatagpuan sa ilalim ng three-phase power section.

Ang mga bahaging R001 ay mahalaga sa board na ito, na kumakatawan sa mga milliohm-level low-value sense resistors (karaniwang 1 mΩ) na ginagamit upang sukatin ang motor phase current o bus current. Ang current sensing ang bumubuo sa core ng closed-loop control para sa mga robot joint, dahil ang output torque ng isang BLDC motor ay may malakas na kaugnayan sa phase current nito.

Sa madaling salita, hindi "hinuhulaan" ng controller ang torque output ng joint; sa halip, kinakalkula nito ang current sa pamamagitan ng pagsukat sa maliit na voltage drop sa mga sense resistor:

Pagbaba ng boltahe sa sense resistor → Amplipikasyon at pagsala → Pagsa-sample ng ADC → Pagkalkula ng kasalukuyang → Kontrol ng metalikang kuwintas ng FOC

Ang katumpakan ng signal chain na ito ay direktang nakakaapekto sa:

Katumpakan ng Pagkontrol ng Torque: Kung hindi tumpak ang kasalukuyang pagtatantya, magiging hindi tumpak ang output ng torque.

Mababang Bilis na Pagkinis: Ang mataas na ingay ng sampling ay may posibilidad na magdulot ng jitter sa mababang bilis.

Proteksyon sa Labis na Kuryente: Ang mabagal na pagtugon ay maaaring makasira sa mga MOSFET, habang ang mga sobrang sensitibong setting ay nagreresulta sa mga maling gatilyo ng proteksyon.

Istratehiya sa Pamamahala ng Thermal: Ang patuloy na mataas na kuryente ay humahantong sa sabay-sabay na pagtaas ng temperatura sa mga winding ng motor, MOSFET at mga resistor na nakakakita ng kuryente.

Mula sa perspektibo ng layout, ang paglalagay ng mga current-sense resistor malapit sa mga MOSFET at phase wiring ay nagpapaikli sa high-current loop, na nakakatulong na mabawasan ang parasitic inductance at sampling errors. Malaking bilang ng maliliit na resistor at capacitor ang nakaayos malapit sa bawat phase, na karaniwang ginagamit para sa gate damping, sampling filtering, driver stabilization at local decoupling.

Ang pagtukoy ng temperatura ay napakahalaga rin. Ang label ng MOTOR NTC ay nagpapahiwatig ng isang thermistor na naka-install sa loob ng motor o katabi ng mga winding. Para sa mga humanoid robot joint, ang low-speed high-torque operation, matagal na static holding, at transient impact habang nakatayo o nakayuko ay pawang lumilikha ng malaking pagtaas ng temperatura. Ang NTC ay nagbibigay-daan sa controller na magsagawa ng tatlong pangunahing tungkulin batay sa temperatura:

Paglilimita ng kuryente: Bawasan ang pinakamataas na output current habang tumataas ang temperatura; Pagbabawas ng temperatura: Limitahan ang peak torque sa ilalim ng patuloy na mabibigat na karga;

Protective shutdown: Pumasok sa fault mode kapag lumampas na ang temperatura sa safety threshold.

Ito rin ay isang pangunahing kakayahan na dapat taglayin ng mga propesyonal na robot joint. Kung walang closed-loop control sa temperatura, ang joint ay hindi maaaring gumana nang maaasahan sa loob ng mahabang panahon sa kabila ng mataas na peak torque rating nito.

06 Pagtukoy sa Posisyon: Kino-convert ng Dual Magnetic Encoder at Gears ang mga Single-Turn na Anggulo patungo sa mga Multi-Turn na Pagbasa ng Posisyon

Matapos tanggalin ang PCBA, makikita ang isang hanay ng maliliit na istruktura ng gear sa likod. Hindi ito ang mga pangunahing reduction gear, kundi mga auxiliary mechanism na idinisenyo para sa pagtukoy ng anggulo.

 

Pigura 8: Lugar ng gear at magnetic encoder sa likod na bahagi ng control board

 

Pigura 9: Ang pag-ikot ng gitnang baras ang nagtutulak sa dalawang magkatabing pinion gears upang umikot nang sabay-sabay.

Sa estruktura, ang pag-ikot ng gitnang baras ang nagpapaandar sa dalawang maliliit na gear. Isang magnetic component ang nakakabit sa gitna ng bawat maliit na gear, na may mga magnetic encoder IC na nakakabit sa magkatugmang posisyon sa likurang bahagi ng PCBA. Sinusukat ng mga magnetic encoder ang mga angular variation ng mga magnetic field, na nag-aalis ng pangangailangan para sa mga optical grating disc. Ang mga ito ay matibay sa maliliit na kontaminasyon ng langis at alikabok, na ginagawa itong mas angkop para sa mga ganap na nakapaloob na robot joint.

 

Pigura 10: Pinapabuti ng istrukturang dual-gear at dual-encoder ang angular resolution at nagbibigay-daan sa pagtukoy ng posisyon sa maraming pagliko.

Ang pinakanamumukod-tangi rito ay ang konpigurasyon na "dual-gear + dual magnetic encoder". Ang halaga nito ay higit pa sa simpleng pagdaragdag ng pangalawang sensor para sa mas mataas na katumpakan; malamang na ginawa ito upang maisakatuparan ang isang multi-turn absolute position encoding scheme:

Ang isang magnetic encoder ay tumpak na sumusukat ng mga anggulo sa loob ng 0–360°;

ngunit ang isang joint ay maaaring umikot nang maraming rebolusyon, at ang isang single-turn encoder ay hindi maaaring matukoy ang bilang ng mga pag-ikot nang mag-isa;

Kung ang dalawang gears ay may magkaibang bilang ng ngipin o gear ratio, bumubuo ang mga ito ng isang mala-vernier na ugnayan;

Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng dalawang angular reading, kinakalkula ng controller ang absolute na posisyon sa mas malawak na saklaw.

Ang istrukturang ito ay nagbibigay ng malaking halaga sa mga humanoid robot. Pagkatapos patayin ang kuryente, ang mga binti, braso, o mga kasukasuan ng baywang ay maaaring mabagot dahil sa mga panlabas na puwersa. Kapag muling pinagana, ang mga kasukasuan na nangangailangan ng malawakang paggalaw ng homing ay nakararanas ng mababang kahusayan at nagdudulot ng mga panganib sa kaligtasan. Ang multi-turn absolute position sensing ay nagbibigay-daan sa mga kasukasuan na agad na makuha ang datos ng postura sa sandaling maibalik ang kuryente.