04 Прывад харчавання: трохфазны МОП-мост вызначае магутнасць выходнага крутоўнага моманту злучэння

Малюнак 5: Правады трохфазнага рухавіка падключаны па цэнтры да сілкавой часткі МОП-транзістара, вакол якога размешчаны дыскрэтызуючыя рэзістары, драйверы і кампаненты фільтра.

 

Гэты сумесны драйвер прызначаны для трохфазных бесшчоткавых рухавікоў. Высокапрадукцыйнае кіраванне трохфазнымі рухавікамі BLDC звычайна патрабуе трох паўмастоў, якія ўтвараюць трохфазны інвертар з мінімум шасцю магутнымі MOSFET. Некалькі буйных MOS-прылад.можаможна ўбачыць на друкаванай плаце вакол кропак паяння трохфазнага выхаду, што адпавядае гэтай архітэктуры.

 

Логіку працы трохфазнага моста можна спрасціць наступным чынам:

Напружанне батарэі або шыны падаецца праз P+ і P-; Высокахуткаснае пераключэнне паўмастоў МОП пераўтварае пастаяннае напружанне ў трохфазны ток;

Трохфазны ток паступае ў абмоткі рухавіка, ствараючы верцяльнае магнітнае поле; кантролер пастаянна рэгулюе каэфіцыенты запаўнення ШІМ у залежнасці ад становішча энкодэра і зваротнай сувязі па току;

У канчатковым выніку дазваляе суставу выдаваць мэтавы крутоўны момант, хуткасць або становішча.

Няправільная канструкцыя гэтай часткі прывядзе да некалькіх тыповых праблем: празмернага нагрэву МОП-транзістараў, нізкахуткаснага вагання, моцнай пульсацыі крутоўнага моманту, ілжывага спрацоўвання абароны ад перагрузкі па току і электрамагнітных перашкод, якія ўплываюць на энкодэры або схемы сувязі. Па гэтай прычыне распрацоўка сілавых плат для злучэнняў робата значна больш складаная, чым распрацоўка звычайных плат драйвераў невялікіх рухавікоў.

 

Малюнак 6: На плаце можна ўбачыць рэгулятар напружання TLV767, а таксама індуктыўнасць, кандэнсатары і некалькі нізкавольтных кампанентаў харчавання.

Варта таксама прааналізаваць схему харчавання. На друкаванай плаце бачныя LDO-рэгулятары, такія як TLV767, і сілавыя індуктыўныя шпулькі з пазнакай "100". Улічваючы сцэнар прымянення злучэнняў намінальнай напругай 48 В, можна зрабіць выснову, што нізкавольтная сістэма наўрад ці будзе непасрэдна зніжацца з высокага напружання выключна праз LDO. Замест гэтага выкарыстоўваецца архітэктура харчавання, падобная да наступнай:

Высокавольтная шына → Пераключэнне паніжальнага пераўтварэння → Нізкавольтныя рэйкі (5 В / 3,3 В і г.д.) → Другасная рэгуляцыя LDO / лакальная фільтрацыя шуму

Такая архітэктура сілкавання больш рацыянальная. Мікракантролер, энкодэр, узмацняльнікі дыскрэтызацыі і прыёмаперадатчыкі сувязі патрабуюць чыстага, стабільнага нізкавольтнага харчавання, у той час як МОП-перамыкачы і фазныя лініі рухавіка генеруюць інтэнсіўны шум. Калі нізкавольтная крыніца сілкавання не мае дастатковай эфектыўнасці супраць перашкод, першымі няспраўнасцямі, якія ўзнікаюць, звычайна з'яўляюцца не няспраўнасці рухавіка, а рэзкія скачкі вугла, зрывы сувязі або дрэйф паказанняў току дыскрэтызацыі.

05 Датчыкі току і тэмпературы: суставы робата павінны кантраляваць выходны крутоўны момант у рэжыме рэальнага часу

 

Малюнак 7: Некалькі нізканамэтавых рэзістараў R001 размешчаны пад трохфазнай сілавой секцыяй.

Кампаненты R001 маюць вырашальнае значэнне на гэтай плаце. Яны ўяўляюць сабой нізканапружаныя рэзістары з мкОм (звычайна 1 мОм), якія выкарыстоўваюцца для вымярэння фазнага току рухавіка або току шыны. Датчыкі току з'яўляюцца асновай замкнёнага цыклу кіравання робатападобнымі суставамі, паколькі выхадны крутоўны момант рухавіка BLDC моцна карэлюе з яго фазным токам.

Іншымі словамі, кантролер не «адгадвае» крутоўны момант злучэння; замест гэтага ён разлічвае ток, вымяраючы малюсенькае падзенне напружання на датчыках-рэзістарах:

Падзенне напружання на рэзістары вымярэння → Узмацненне і фільтрацыя → Дыскрэтрызацыя АЦП → Разлік току → Кіраванне момантам на вонкавым акне

Дакладнасць гэтага сігнальнага ланцужка непасрэдна ўплывае на:

Дакладнасць кіравання крутоўным момантам: калі ацэнка току недакладная, выхадны крутоўны момант будзе недакладным.

Плаўнасць на нізкай хуткасці: высокі ўзровень шуму дыскрэтызацыі мае тэндэнцыю выклікаць ваганні на нізкіх хуткасцях.

Абарона ад перагрузкі па току: павольная рэакцыя можа перагарэць MOSFET, а занадта адчувальныя налады прывядуць да ілжывых спрацоўванняў абароны.

Стратэгія рэгулявання тэмпературы: працяглы высокі ток прыводзіць да адначасовага павышэння тэмпературы абмотак рухавіка, MOSFET і токаадчувальных рэзістараў.

З пункту гледжання разводкі, размяшчэнне рэзістараў токаадчувальнікаў блізка да МАП-транзістараў і фазавай праводкі скарачае контур высокага току, што дапамагае паменшыць паразітную індуктыўнасць і памылкі выбаркі. Вялікая колькасць невялікіх рэзістараў і кандэнсатараў размешчана паблізу кожнай фазы, звычайна выкарыстоўваюцца для дэмпфіравання затвора, фільтрацыі выбаркі, стабілізацыі драйвера і лакальнай развязкі.

Вымярэнне тэмпературы гэтак жа неабходнае. Пазнака MOTOR NTC паказвае на тое, што тэрмарэзістар усталяваны ўнутры рухавіка або побач з абмоткамі. Для гуманоідных робатаў праца на нізкай хуткасці з высокім крутоўным момантам, працяглае статычнае ўтрыманне і кароткачасовыя ўдары падчас стаяння або прысядання выклікаюць значнае павышэнне тэмпературы. NTC дазваляе кантролеру выконваць тры ключавыя функцыі, заснаваныя на тэмпературы:

Абмежаванне току: Зніжэнне максімальнага выходнага току па меры павышэння тэмпературы; Зніжэнне намінальных значэнняў: Абмежаванне пікавага крутоўнага моманту пры працяглых вялікіх нагрузках;

Ахоўнае адключэнне: пераход у рэжым няспраўнасці, калі тэмпература перавышае бяспечны парог.

Гэта таксама фундаментальная здольнасць, якой павінны валодаць прафесійныя робатызаваныя злучэнні. Без замкнёнага контуру рэгулявання тэмпературы злучэнне не можа надзейна працаваць працяглы час, нягледзячы на ​​высокі пікавы крутоўны момант.

06 Вызначэнне становішча: двайныя магнітныя датчыкі і шасцярні пераўтвараюць аднаабаротныя вуглы ў шматабаротныя паказанні становішча

Пасля зняцця друкаванай платы на адваротным баку можна ўбачыць набор невялікіх зубчастых канструкцый. Гэта не асноўныя рэдуктары, а дапаможныя механізмы, прызначаныя для вызначэння вугла.

 

Малюнак 8: Зона шасцярні і магнітнага датчыка на адваротным баку платы кіравання

 

Малюнак 9: Кручэнне цэнтральнага вала прыводзіць да сінхроннага кручэння двух суседніх шасцярняў.

Структурна, кручэнне цэнтральнага вала прыводзіць у рух дзве малыя шасцярні. У цэнтры кожнай малой шасцярні ўсталяваны магнітны кампанент, а мікрасхемы магнітных датчыкаў усталяваны ў адпаведных пазіцыях на задняй частцы друкаванай платы. Магнітныя датчыкі вымяраюць вуглавыя змены магнітных палёў, што выключае неабходнасць у аптычных рашотчатых дысках. Яны ўстойлівыя да нязначнага забруджвання алеем і пылам, што робіць іх больш прыдатнымі для цалкам закрытых злучэнняў робатаў.

 

Малюнак 10: Структура з падвойнай перадачай і падвойным энкодэрам паляпшае вуглавое разрозненне і дазваляе выяўляць становішча ў некалькіх абаротах.

Найбольш кідаецца ў вочы канфігурацыя «падвойная шасцярня + падвойны магнітны энкодэр». Яе каштоўнасць выходзіць далёка за рамкі простага дадання другога датчыка для больш высокай дакладнасці; хутчэй за ўсё, яна распрацавана для рэалізацыі шматабаротнай схемы кадавання абсалютнай пазіцыі:

Адзін магнітны энкодэр дакладна вымярае вуглы ў дыяпазоне 0–360°;

аднак сустаў можа зрабіць некалькі абаротаў, і аднаабаротны энкодэр не можа самастойна вызначыць колькасць абаротаў;

Калі дзве шасцярні маюць розную колькасць зубцоў або перадаткавыя лікі, яны ўтвараюць карэляцыю, падобную да ноніуса;

Аб'ядноўваючы два вуглавыя паказанні, кантролер вылічвае абсалютную пазіцыю ў значна шырэйшым дыяпазоне.

Такая канструкцыя мае вялікую каштоўнасць для гуманоідных робатаў. Пасля адключэння харчавання ногі, рукі або паясныя суставы могуць зрушыцца пад уздзеяннем знешніх сіл. Пасля паўторнага ўключэння харчавання суставы, якія патрабуюць значных рухаў саманавядзення, маюць нізкую эфектыўнасць і ўяўляюць пагрозу бяспецы. Шматабаротнае абсалютнае вымярэнне становішча дазваляе суставам імгненна атрымліваць дадзеныя аб паставе, як толькі электраэнергія аднаўляецца.