04 Accionament de potència: el pont MOS trifàsic determina la capacitat de parell de sortida de la junta

Figura 5: Els cables del motor trifàsic estan connectats centralment a la secció de potència del MOS, amb resistències de mostreig, controladors i components de filtre disposats al seu voltant.

 

Aquest controlador de corrent conjunt està dissenyat per a motors sense escombretes trifàsics. El control d'alt rendiment dels motors BLDC trifàsics normalment requereix tres semiponts, formant un inversor trifàsic amb un mínim de sis MOSFET de potència. Diversos dispositius MOS de gran capacitatpotes pot veure a la PCBA que envolta els punts de soldadura de sortida trifàsica, d'acord amb aquesta arquitectura.

 

La lògica de funcionament del pont trifàsic es pot simplificar de la següent manera:

El voltatge de la bateria o del bus s'alimenta a través de P+ i P-; la commutació d'alta velocitat dels semiponts MOS converteix el voltatge de CC en corrent trifàsic;

El corrent trifàsic flueix cap als debanaments del motor per generar un camp magnètic giratori; el controlador ajusta contínuament els cicles de treball PWM en funció de la posició de l'encoder i la retroalimentació del corrent;

En definitiva, permet que l'articulació produeixi el parell, la velocitat o la posició objectiu.

Un mal disseny d'aquesta secció comportarà diversos problemes típics: escalfament excessiu del MOS, fluctuació de baixa velocitat, ondulació de parell important, activació falsa de la protecció contra sobrecorrent i interferències EMI que afecten els codificadors o els circuits de comunicació. Per aquest motiu, el disseny de plaques d'alimentació per a les unions de robots és molt més complex que el de les plaques de controlador de motors petits ordinàries.

 

Figura 6: El regulador de voltatge TLV767 es pot veure a la placa, juntament amb inductors, condensadors i diversos components d'alimentació de baix voltatge.

També val la pena analitzar l'arbre de fonts d'alimentació. Els reguladors LDO com el TLV767 i els inductors de potència marcats amb "100" són visibles a la placa de circuit imprès. Tenint en compte l'escenari d'aplicació de juntes amb una classificació de 48 V, es pot inferir que és poc probable que el sistema de baixa tensió es desactivi directament des d'alta tensió únicament a través de LDO. En canvi, s'adopta una arquitectura de font d'alimentació similar a la següent:

Bus d'alta tensió → Conversió reductora de commutació → Carrils de baixa tensió (5V / 3,3V, etc.) → Regulació LDO secundària / filtratge de soroll local

Aquesta arquitectura d'alimentació és més racional. L'MCU, el codificador, els amplificadors de mostreig i els transceptors de comunicació requereixen una alimentació de baixa tensió neta i estable, mentre que els interruptors MOS i les línies de fase del motor generen un soroll intens. Si la font d'alimentació de baixa tensió no té un rendiment antiinterferències suficient, els primers errors que apareixen no solen ser mal funcionaments del motor, sinó salts d'angle bruscos, caigudes de comunicació o lectures de mostreig de corrent a la deriva.

05 Detecció de corrent i temperatura: les juntes robòtiques han de monitoritzar el parell de sortida en temps real

 

Figura 7: Diverses resistències de detecció de baix valor R001 es troben sota la secció de potència trifàsica.

Els components R001 són crítics en aquesta placa, ja que representen resistències de detecció de baix valor a nivell de miliohms (normalment 1 mΩ) que s'utilitzen per mesurar el corrent de fase del motor o el corrent del bus. La detecció de corrent forma el nucli del control de bucle tancat per a les unions de robots, ja que el parell de sortida d'un motor BLDC està fortament correlacionat amb el seu corrent de fase.

En altres paraules, el controlador no "endevina" el parell de sortida de l'articulació; en canvi, calcula el corrent mesurant la petita caiguda de tensió a través de les resistències de detecció:

Caiguda de tensió a la resistència de detecció → Amplificació i filtratge → Mostreig ADC → Càlcul de corrent → Control de parell FOC

La precisió d'aquesta cadena de senyals afecta directament:

Precisió del control de parell: Si l'estimació del corrent és inexacta, la sortida de parell també serà inexacta.

Suavitat a baixa velocitat: un soroll de mostreig elevat tendeix a causar tremolor a baixes velocitats.

Protecció contra sobrecorrent: una resposta lenta pot cremar els MOSFET, mentre que una configuració massa sensible provoca activacions de protecció falses.

Estratègia de gestió tèrmica: un corrent elevat sostingut provoca un augment simultani de la temperatura en els bobinatges del motor, els MOSFET i les resistències de detecció de corrent.

Des d'una perspectiva de disseny, col·locar resistències de detecció de corrent a prop dels MOSFET i del cablejat de fase escurça el bucle d'alt corrent, cosa que ajuda a reduir la inductància paràsita i els errors de mostreig. Un gran nombre de petites resistències i condensadors es disposen a prop de cada fase, generalment utilitzats per a l'amortiment de la porta, el filtratge de mostreig, l'estabilització del controlador i el desacoblament local.

La detecció de temperatura és igualment indispensable. L'etiqueta MOTOR NTC indica un termistor instal·lat dins del motor o adjacent als bobinatges. Per a les unions de robots humanoides, el funcionament a baixa velocitat i alt parell, la retenció estàtica prolongada i l'impacte transitori durant l'aixecament o l'ajupida generen augments substancials de temperatura. L'NTC permet que el controlador realitzi tres funcions clau basades en la temperatura:

Limitació de corrent: Reduir el corrent de sortida màxim a mesura que augmenta la temperatura; Desclassificació: Limitar el parell màxim sota càrregues elevades sostingudes;

Apagada de protecció: entra en mode d'error quan la temperatura supera el llindar de seguretat.

Aquesta també és una capacitat fonamental que han de tenir les unions de robots professionals. Sense un control de temperatura en circuit tancat, l'unió no pot funcionar de manera fiable durant períodes prolongats malgrat el seu alt parell màxim de torsió.

06 Detecció de posició: Encoders i engranatges magnètics duals converteixen angles d'un sol gir en lectures de posició de diversos girs

Després de treure la placa de circuit imprès (PCBA), es pot veure un conjunt de petites estructures d'engranatges al revers. No són els engranatges de reducció principals, sinó mecanismes auxiliars dissenyats per a la detecció d'angles.

 

Figura 8: Zona de l'engranatge i l'encoder magnètic al revers de la placa de control

 

Figura 9: La rotació de l'eix central fa que els dos pinyons adjacents girin sincronitzadament.

Estructuralment, la rotació de l'eix central acciona els dos petits engranatges. Un component magnètic està muntat al centre de cada petit engranatge, amb circuits integrats d'encoder magnètic muntats a les posicions coincidents a la part posterior de la PCBA. Els encoder magnètics mesuren les variacions angulars dels camps magnètics, eliminant la necessitat de discs de reixeta òptica. Són tolerants a la contaminació menor d'oli i la pols, cosa que els fa més adequats per a unions de robots completament tancades.

 

Figura 10: L'estructura de doble engranatge i doble codificador millora la resolució angular i permet la detecció de posició multigir.

El que més destaca aquí és la configuració de "doble engranatge + codificador magnètic dual". El seu valor va molt més enllà de simplement afegir un segon sensor per a una major precisió; el més probable és que estigui dissenyat per aconseguir un esquema de codificació de posició absoluta multigir:

Un únic codificador magnètic mesura amb precisió angles entre 0 i 360°;

tot i això, una articulació pot girar diverses revolucions, i un codificador d'una sola volta no pot determinar el nombre de rotacions per si sol;

Si els dos engranatges presenten un nombre de dents o relacions de transmissió diferents, formen una correlació semblant al vernier;

Combinant les dues lectures angulars, el controlador calcula la posició absoluta en un rang molt més ampli.

Aquesta estructura ofereix un gran valor als robots humanoides. Després de l'apagada, les articulacions de les cames, els braços o la cintura poden desplaçar-se per forces externes. En tornar a engegar-les, les articulacions que requereixen moviments de retorn extensos pateixen una baixa eficiència i representen riscos per a la seguretat. La detecció de posició absoluta multigir permet que les articulacions recuperin instantàniament dades de postura tan bon punt es restableix l'alimentació.