04 Power Drive: U ponte MOS trifase determina a capacità di coppia di uscita di u giuntu

Figura 5: I fili di u mutore trifase sò cunnessi centralmente à a sezione di putenza MOS, cù resistenze di campionamentu, driver è cumpunenti di filtru disposti intornu à ella.

 

Stu driver di giunzione hè cuncipitu per i motori trifase senza spazzole. U cuntrollu d'altu rendimentu di i motori BLDC trifase richiede tipicamente trè mezzi ponti, furmendu un inverter trifase cù un minimu di sei MOSFET di putenza. Parechji dispositivi MOS di grande dimensionepòesse vistu nantu à u PCBA chì circunda i punti di saldatura di uscita trifase, coerente cù sta architettura.

 

A logica di funziunamentu di u ponte trifase pò esse simplificata cusì:

A tensione di a batteria o di u bus hè alimentata via P+ è P-; A cummutazione à alta velocità di i mezzi ponti MOS cunverte a tensione CC in corrente trifase;

A corrente trifase scorre in l'avvolgimenti di u mutore per generà un campu magneticu rotante; U controller aghjusta continuamente i cicli di travagliu PWM in basa à a pusizione di l'encoder è à u feedback di corrente;

In fine, permette à l'articulazione di furnisce a coppia, a velocità o a pusizione desiderate.

Una mala cuncepzione di sta sezione porterà à parechji prublemi tipici: riscaldamentu eccessivu di u MOS, jitter à bassa velocità, ondulazione di coppia severa, attivazione di falsa prutezzione di sovracorrente è interferenza EMI chì affetta l'encoder o i circuiti di cumunicazione. Per questa ragione, a cuncepzione di a scheda di putenza per i giunti di robot hè assai più difficiule chè quella di e schede di driver di motori chjuchi ordinarie.

 

Figura 6: U regulatore di tensione TLV767 pò esse vistu nantu à a scheda, accantu à l'induttori, i condensatori è parechji cumpunenti di putenza à bassa tensione.

L'arburu di l'alimentazione hè ancu degne d'esse analizatu. I regulatori LDO cum'è u TLV767 è l'induttori di putenza marcati "100" sò visibili nantu à u PCB. Cunsiderendu u scenariu d'applicazione di i giunti à 48V, si pò deduce chì hè improbabile chì u sistema à bassa tensione sia direttamente abbassatu da alta tensione solu via LDO. Invece, hè aduttata un'architettura di alimentazione simile à a seguente:

Bus d'alta tensione → Cunversione step-down di commutazione → Rail à bassa tensione (5V / 3,3V, ecc.) → Regulazione LDO secundaria / filtrazione di rumore lucale

Questa architettura di putenza hè più raziunale. L'MCU, l'encoder, l'amplificatori di campionamentu è i transceiver di cumunicazione necessitanu una alimentazione à bassa tensione pulita è stabile, mentre chì l'interruttori MOS è e linee di fase di u mutore generanu un rumore intensu. Se l'alimentazione à bassa tensione ùn hà micca prestazioni anti-interferenza sufficienti, i primi difetti chì emergenu ùn sò di solitu micca malfunzionamenti di u mutore, ma salti bruschi d'angulu, interruzioni di cumunicazione o letture di campionamentu di corrente à deriva.

05 Rilevazione di corrente è temperatura: i giunti robotichi devenu monitorà a coppia di uscita in tempu reale

 

Figura 7: Parechje resistenze di rilevamentu di bassu valore R001 sò situate sottu à a sezione di putenza trifase.

I cumpunenti R001 sò critichi nantu à sta scheda, rapprisentendu resistenze di rilevamentu di bassu valore à livellu di milliohm (tipicamente 1 mΩ) aduprate per misurà a corrente di fase di u mutore o a corrente di bus. U rilevamentu di corrente forma u core di u cuntrollu in circuitu chjusu per i giunti robotichi, postu chì a coppia di uscita di un mutore BLDC hè fortemente correlata cù a so corrente di fase.

In altre parolle, u controller ùn "induvina" micca a coppia di uscita di l'articulazione; invece, calcula a corrente misurendu a piccula caduta di tensione à traversu e resistenze di rilevamentu:

Caduta di tensione à traversu a resistenza di rilevamentu → Amplificazione è filtrazione → Campionamentu ADC → Calculu di corrente → Cuntrollu di coppia FOC

A precisione di sta catena di signali affetta direttamente:

Precisione di u cuntrollu di coppia: Se a stima di a corrente hè imprecisa, a uscita di coppia serà imprecisa.

Scorrevolezza à bassa velocità: Un rumore di campionamentu elevatu tende à causà jitter à basse velocità.

Prutezzione di sovracorrente: Una risposta lenta pò brusgià i MOSFET, mentre chì i paràmetri troppu sensibili risultanu in falsi trigger di prutezzione.

Strategia di Gestione Termica: Una corrente elevata sustenuta porta à un aumentu simultaneu di a temperatura in l'avvolgimenti di u mutore, i MOSFET è e resistenze di rilevamentu di corrente.

Da una perspettiva di layout, piazzà e resistenze di rilevamentu di corrente vicinu à i MOSFET è u cablaggio di fase accurta u ciclu di alta corrente, ciò chì aiuta à riduce l'induttanza parassita è l'errori di campionamentu. Un gran numeru di piccule resistenze è condensatori sò disposti vicinu à ogni fase, generalmente aduprati per u smorzamentu di u gate, u filtraggio di campionamentu, a stabilizazione di u driver è u disaccoppiamentu lucale.

A rilevazione di a temperatura hè altrettantu indispensabile. L'etichetta MOTOR NTC indica un termistore installatu in l'internu di u mutore o vicinu à l'avvolgimenti. Per e articulazioni di robot umanoidi, u funziunamentu à bassa velocità è alta coppia, a tenuta statica prolungata è l'impattu transitoriu durante a pusizione in piedi o accovacciata generanu tutti aumenti sustanziali di temperatura. L'NTC permette à u controller di eseguisce trè funzioni chjave basate nantu à a temperatura:

Limitazione di corrente: Riduce a corrente di uscita massima quandu a temperatura aumenta; Derating: Limita a coppia di piccu sottu carichi pesanti sustinuti;

Spegnimentu di prutezzione: Entre in modu di guastu una volta chì a temperatura supera a soglia di sicurezza.

Questa hè ancu una capacità fundamentale chì i giunti robotichi prufessiunali devenu avè. Senza u cuntrollu di a temperatura in circuitu chjusu, u giuntu ùn pò micca funziunà in modu affidabile per periodi estesi malgradu a so alta coppia di piccu.

06 Rilevazione di pusizione: Encoder è ingranaggi magnetichi duali cunvertenu anguli di giru unicu in letture di pusizione multi-giru

Dopu avè cacciatu u PCBA, si pò vede un inseme di piccule strutture d'ingranaggi à u reversu. Quessi ùn sò micca l'ingranaggi di riduzione principali, ma meccanismi ausiliari cuncepiti per a rilevazione di l'anguli.

 

Figura 8: Zona di l'ingranaggi è di l'encoder magneticu nantu à u latu oppostu di a scheda di cuntrollu

 

Figura 9: A rotazione di l'arburu cintrali face chì i dui pignoni adiacenti rotinu in modu sincronu.

Strutturalmente, a rotazione di l'arburu cintrali aziona i dui picculi ingranaggi. Un cumpunente magneticu hè muntatu à u centru di ogni picculu ingranaggio, cù circuiti integrati di encoder magneticu muntati nantu à e pusizioni currispondenti nantu à u latu posteriore di u PCBA. L'encoder magnetichi misuranu e variazioni angulari di i campi magnetichi, eliminendu a necessità di dischi à reticolo otticu. Sò tolleranti à una piccula contaminazione da oliu è à a polvera, rendenduli più adatti per giunti robotichi cumpletamente chjusi.

 

Figura 10: A struttura à doppia marcia è à doppia encoder migliora a risoluzione angulare è permette a rilevazione di pusizione multi-giru.

Ciò chì spicca di più quì hè a cunfigurazione "doppiu ingranaggio + doppio encoder magneticu". U so valore va assai al di là di a semplice aghjunta di un secondu sensore per una precisione più elevata; hè probabilmente cuncipitu per realizà un schema di codificazione di pusizione assoluta multi-giru:

Un unicu codificatore magneticu misura accuratamente l'anguli trà 0 è 360°;

eppuru un'articulazione pò girà parechje rivoluzioni, è un encoder à un solu giru ùn pò micca determinà u numeru di rotazioni da per ellu;

Sè i dui ingranaggi presentanu un numeru di denti o rapporti di trasmissione diversi, formanu una currelazione simile à un nonio;

Cumbinendu e duie letture angulari, u controller calcula a pusizione assoluta annantu à un intervallu assai più largu.

Sta struttura offre un grande valore à i robot umanoidi. Dopu à a spegnimentu, e gambe, e braccia o l'articuli di a cintura ponu esse spiazzati da forze esterne. Dopu à a riaccensione, l'articuli chì necessitanu movimenti di ripresa estensivi soffrenu di bassa efficienza è presentanu periculi per a sicurezza. U rilevamentu di pusizione assoluta multi-giru permette à l'articuli di recuperà istantaneamente i dati di postura appena a putenza hè ripristinata.