04 Accionamento de potencia: a ponte MOS trifásica determina a capacidade de par de saída da articulación

Figura 5: Os cables do motor trifásico están conectados centralmente á sección de potencia MOS, con resistencias de mostraxe, controladores e compoñentes de filtro dispostos ao seu redor.

 

Este controlador de corrente conxunta está deseñado para motores trifásicos sen escobillas. O control de alto rendemento de motores BLDC trifásicos normalmente require tres semipontes, formando un inversor trifásico cun mínimo de seis MOSFET de potencia. Varios dispositivos MOS de gran tamañopodepódese ver na PCBA que rodea os puntos de soldadura de saída trifásica, o que é coherente con esta arquitectura.

 

A lóxica de funcionamento dunha ponte trifásica pódese simplificar do seguinte xeito:

A tensión da batería ou do bus aliméntase a través de P+ e P-; a conmutación de alta velocidade das semipontes MOS converte a tensión continua en corrente trifásica;

A corrente trifásica flúe polos enrolamentos do motor para xerar un campo magnético rotatorio; o controlador axusta continuamente os ciclos de traballo PWM en función da posición do codificador e da retroalimentación de corrente;

En definitiva, permite que a articulación produza o par, a velocidade ou a posición obxectivos.

Un deseño deficiente desta sección provocará varios problemas típicos: quecemento excesivo do MOS, trepidación a baixa velocidade, ondulación de par grave, activación falsa da protección contra sobrecorrente e interferencias EMI que afectan aos codificadores ou circuítos de comunicación. Por este motivo, o deseño de placas de alimentación para unións de robots é moito máis complexo que o das placas de controlador de motores pequenos ordinarias.

 

Figura 6: O regulador de tensión TLV767 pódese ver na placa, xunto con inductores, condensadores e varios compoñentes de alimentación de baixa tensión.

Tamén paga a pena analizar a árbore de fontes de alimentación. Os reguladores LDO como o TLV767 e os indutores de potencia marcados con "100" son visibles na placa de circuíto impreso. Tendo en conta o escenario de aplicación de unións con clasificación de 48 V, pódese deducir que é improbable que o sistema de baixa tensión se descargue directamente desde alta tensión unicamente a través de LDO. No seu lugar, adóptase unha arquitectura de fonte de alimentación similar á seguinte:

Bus de alta tensión → Conversión reductora de conmutación → Carrís de baixa tensión (5 V / 3,3 V, etc.) → Regulación LDO secundaria / filtrado de ruído local

Esta arquitectura de alimentación é máis racional. A MCU, o codificador, os amplificadores de mostraxe e os transceptores de comunicación requiren alimentación de baixa tensión limpa e estable, mentres que os interruptores MOS e as liñas de fase do motor xeran ruído intenso. Se a fonte de alimentación de baixa tensión carece dun rendemento antiinterferencias suficiente, os primeiros fallos que aparecen non adoitan ser avarías do motor, senón saltos bruscos de ángulo, caídas de comunicación ou lecturas de mostraxe de corrente á deriva.

05 Detección de corrente e temperatura: as articulacións robóticas deben monitorizar o par de saída en tempo real

 

Figura 7: Varias resistencias de detección de baixo valor R001 están situadas debaixo da sección de potencia trifásica.

Os compoñentes R001 son fundamentais nesta placa, xa que representan resistencias de detección de baixo valor a nivel de miliohmios (normalmente 1 mΩ) que se usan para medir a corrente de fase do motor ou a corrente do bus. A detección de corrente constitúe o núcleo do control de bucle pechado para as unións robóticas, xa que o par de saída dun motor BLDC está fortemente correlacionado coa súa corrente de fase.

Noutras palabras, o controlador non "adiviña" o par de saída da articulación; en vez diso, calcula a corrente medindo a pequena caída de tensión nas resistencias de detección:

Caída de tensión na resistencia de detección → Amplificación e filtrado → Mostraxe ADC → Cálculo de corrente → Control de par FOC

A precisión desta cadea de sinais afecta directamente a:

Precisión do control de par: Se a estimación da corrente é inexacta, a saída de par tamén o será.

Suavidade a baixa velocidade: un ruído de mostraxe elevado tende a causar trepidacións a baixas velocidades.

Protección contra sobrecorrente: unha resposta lenta pode queimar os MOSFET, mentres que unha configuración demasiado sensible provoca activacións de protección falsas.

Estratexia de xestión térmica: unha corrente elevada sostida provoca un aumento simultáneo da temperatura nos enrolamentos do motor, nos MOSFET e nas resistencias de detección de corrente.

Desde unha perspectiva de deseño, colocar resistencias de detección de corrente preto dos MOSFET e do cableado de fase acurta o bucle de alta corrente, o que axuda a reducir a inductancia parasitaria e os erros de mostraxe. Preto de cada fase hai un gran número de pequenas resistencias e condensadores, que se usan xeralmente para a amortiguación da porta, o filtrado de mostraxe, a estabilización do controlador e o desacoplamento local.

A detección da temperatura é igualmente indispensable. A etiqueta NTC do MOTOR indica un termistor instalado dentro do motor ou adxacente aos enrolamentos. No caso das articulacións de robots humanoides, o funcionamento a baixa velocidade e alto par, a retención estática prolongada e o impacto transitorio ao levantarse ou agacharse xeran aumentos substanciais da temperatura. O NTC permite que o controlador realice tres funcións clave baseadas na temperatura:

Limitación de corrente: Reducir a corrente de saída máxima a medida que aumenta a temperatura; Redución de potencia: Limitar o par máximo baixo cargas pesadas sostidas;

Parada de protección: entra en modo de fallo unha vez que a temperatura supera o limiar de seguridade.

Esta é tamén unha capacidade fundamental que deben ter as unións robóticas profesionais. Sen un control de temperatura en bucle pechado, a unión non pode funcionar de forma fiable durante períodos prolongados a pesar da súa alta clasificación de par máximo.

06 Detección de posición: Os codificadores e engrenaxes magnéticos duplos converten ángulos dunha soa volta en lecturas de posición de varias voltas

Despois de retirar a placa de circuíto impreso (PCBA), pódese ver un conxunto de pequenas estruturas de engrenaxes no reverso. Non se trata das engrenaxes de redución principais, senón de mecanismos auxiliares deseñados para a detección de ángulos.

 

Figura 8: Zona da engrenaxe e do codificador magnético no reverso da placa de control

 

Figura 9: A rotación do eixe central acciona os dous piñóns adxacentes para que xiren sincronicamente.

Estruturalmente, a rotación do eixe central acciona as dúas pequenas engrenaxes. Un compoñente magnético está instalado no centro de cada pequena engrenaxe, con circuítos integrados de codificador magnético montados nas posicións correspondentes na parte traseira da PCBA. Os codificadores magnéticos miden as variacións angulares dos campos magnéticos, eliminando a necesidade de discos de reixa óptica. Son tolerantes a unha pequena contaminación por aceite e po, o que os fai máis axeitados para unións robóticas totalmente pechadas.

 

Figura 10: A estrutura de dobre engrenaxe e dobre codificador mellora a resolución angular e permite a detección de posición multixiro.

O que máis destaca aquí é a configuración de "dobre engrenaxe + codificador magnético dual". O seu valor vai moito máis alá de simplemente engadir un segundo sensor para unha maior precisión; o máis probable é que estea deseñado para realizar un esquema de codificación de posición absoluta multivolta:

Un único codificador magnético mide con precisión ángulos entre 0 e 360°;

con todo, unha articulación pode xirar varias revolucións e un codificador dunha soa volta non pode determinar o número de rotacións por si só;

Se as dúas engrenaxes presentan diferentes números de dentes ou relacións de engrenaxes, forman unha correlación semellante ao nonio;

Ao combinar as dúas lecturas angulares, o controlador calcula a posición absoluta nun rango moito máis amplo.

Esta estrutura ofrece un gran valor aos robots humanoides. Despois de apagar a alimentación, as pernas, os brazos ou as articulacións da cintura poden desprazarse por forzas externas. Ao volver a conectar a alimentación, as articulacións que requiren movementos de referencia extensos sofren unha baixa eficiencia e supoñen riscos para a seguridade. A detección de posición absoluta multixiro permite que as articulacións recuperen instantaneamente os datos de postura en canto se restablece a alimentación.