04 Güç Tahrik Sistemi: 3 Fazlı MOS Köprüsü, Bağlantı Noktasının Çıkış Tork Kapasitesini Belirler

Şekil 5: Üç fazlı motor telleri, örnekleme dirençleri, sürücüler ve filtre bileşenleri etrafına yerleştirilmiş şekilde, MOS güç bölümüne merkezi olarak bağlanmıştır.

 

Bu ortak sürücü, üç fazlı fırçasız motorlar için tasarlanmıştır. Üç fazlı BLDC motorların yüksek performanslı kontrolü tipik olarak, en az altı güç MOSFET'i içeren üç fazlı bir invertör oluşturan üç yarım köprü gerektirir. Birden fazla büyük paketli MOS cihazıolabilmekBu mimariye uygun olarak, PCBA üzerinde üç fazlı çıkış lehim noktalarının etrafında görülebilir.

 

Üç fazlı köprünün çalışma mantığı şu şekilde basitleştirilebilir:

Pil veya bara gerilimi P+ ve P- üzerinden beslenir; MOS yarım köprülerinin yüksek hızlı anahtarlaması, doğru akım gerilimini üç fazlı akıma dönüştürür;

Üç fazlı akım, dönen bir manyetik alan oluşturmak üzere motor sargılarına akar; kontrolör, kodlayıcı konumuna ve akım geri bildirimine bağlı olarak PWM görev döngülerini sürekli olarak ayarlar;

Sonuç olarak, bağlantı noktasının hedef tork, hız veya pozisyonu üretmesini sağlar.

Bu bölümün kötü tasarımı, aşırı MOS ısınması, düşük hızda titreşim, şiddetli tork dalgalanması, yanlış aşırı akım koruma tetiklenmesi ve kodlayıcıları veya iletişim devrelerini etkileyen EMI paraziti gibi çeşitli tipik sorunlara yol açacaktır. Bu nedenle, robot eklemleri için güç kartı tasarımı, sıradan küçük motor sürücü kartlarına göre çok daha zordur.

 

Şekil 6: Devre kartı üzerinde, indüktörler, kapasitörler ve çeşitli düşük voltajlı güç bileşenlerinin yanında TLV767 voltaj regülatörü görülebilir.

Güç kaynağı ağacını da analiz etmekte fayda var. PCB üzerinde TLV767 gibi LDO regülatörleri ve "100" ile işaretlenmiş güç indüktörleri görülebiliyor. 48V nominal gerilim bağlantılarının uygulama senaryosunu göz önünde bulundurarak, düşük voltaj sisteminin yalnızca LDO'lar aracılığıyla yüksek voltajdan doğrudan düşürülmesinin olası olmadığı sonucuna varılabilir. Bunun yerine, aşağıdaki gibi bir güç kaynağı mimarisi benimsenmiştir:

Yüksek gerilim bara → Anahtarlamalı düşürücü dönüştürme → Düşük gerilim hatları (5V / 3.3V, vb.) → İkincil LDO regülasyonu / yerel gürültü filtreleme

Bu güç mimarisi daha rasyoneldir. Mikrodenetleyici, kodlayıcı, örnekleme yükselticileri ve iletişim alıcı-vericileri temiz, kararlı düşük voltajlı güce ihtiyaç duyarken, MOS anahtarları ve motor faz hatları yoğun gürültü üretir. Düşük voltajlı güç kaynağı yeterli parazit önleme performansına sahip değilse, ortaya çıkan ilk arızalar genellikle motor arızaları değil, ani açı sıçramaları, iletişim kesintileri veya akım örnekleme okumalarında sapmalar olur.

05 Akım ve Sıcaklık Algılama: Robot Eklemleri Çıkış Torkunu Gerçek Zamanlı Olarak İzlemelidir

 

Şekil 7: Üç fazlı güç bölümünün altında birden fazla R001 düşük değerli algılama direnci bulunmaktadır.

Bu kart üzerindeki R001 bileşenleri kritik öneme sahiptir ve motor faz akımını veya bara akımını ölçmek için kullanılan miliohm seviyesinde düşük değerli algılama dirençlerini (tipik olarak 1 mΩ) temsil eder. Akım algılama, robot eklemleri için kapalı döngü kontrolünün temelini oluşturur, çünkü bir BLDC motorun çıkış torku, faz akımıyla güçlü bir şekilde ilişkilidir.

Başka bir deyişle, kontrol ünitesi eklemin tork çıkışını "tahmin etmez"; bunun yerine, algılama dirençleri üzerindeki küçük voltaj düşüşünü ölçerek akımı hesaplar:

Algılama direnci üzerindeki gerilim düşüşü → Yükseltme ve filtreleme → ADC örnekleme → Akım hesaplama → FOC tork kontrolü

Bu sinyal zincirinin hassasiyeti doğrudan şunları etkiler:

Tork Kontrol Doğruluğu: Akım tahmini doğru değilse, tork çıkışı da doğru olmayacaktır.

Düşük Hızda Pürüzsüzlük: Yüksek örnekleme gürültüsü, düşük hızlarda titremeye neden olma eğilimindedir.

Aşırı Akım Koruması: Yavaş tepki süresi MOSFET'lerin yanmasına neden olabilirken, aşırı hassas ayarlar yanlış koruma tetiklemelerine yol açabilir.

Termal Yönetim Stratejisi: Sürekli yüksek akım, motor sargılarında, MOSFET'lerde ve akım algılama dirençlerinde eş zamanlı sıcaklık artışına yol açar.

Yerleşim açısından bakıldığında, akım algılama dirençlerinin MOSFET'lere ve faz kablolamasına yakın yerleştirilmesi, yüksek akım döngüsünü kısaltır; bu da parazitik endüktansı ve örnekleme hatalarını azaltmaya yardımcı olur. Her fazın yakınına çok sayıda küçük direnç ve kapasitör yerleştirilir; bunlar genellikle kapı sönümlemesi, örnekleme filtrelemesi, sürücü stabilizasyonu ve yerel ayrıştırma için kullanılır.

Sıcaklık tespiti de aynı derecede vazgeçilmezdir. MOTOR NTC etiketi, motorun içine veya sargıların yanına monte edilmiş bir termistörü gösterir. İnsansı robot eklemleri için, düşük hızda yüksek torklu çalışma, uzun süreli statik tutma ve ayağa kalkma veya çömelme sırasında geçici darbeler önemli sıcaklık artışlarına neden olur. NTC, kontrol cihazının üç temel sıcaklık tabanlı işlevi yerine getirmesini sağlar:

Akım sınırlama: Sıcaklık yükseldikçe maksimum çıkış akımını azaltır; Güç düşürme: Sürekli ağır yükler altında tepe torkunu sınırlandırır;

Koruyucu kapatma: Sıcaklık güvenlik eşiğini aştığında arıza moduna geçer.

Bu, profesyonel robot eklemlerinin sahip olması gereken temel bir yetenektir. Sıcaklık kapalı devre kontrolü olmadan, eklem yüksek tepe tork değerine rağmen uzun süre güvenilir bir şekilde çalışamaz.

06 Konum Algılama: Çift Manyetik Enkoder ve Dişliler Tek Tur Açılarını Çok Tur Konum Okumalarına Dönüştürür

PCBA çıkarıldıktan sonra, arka tarafta bir dizi küçük dişli yapısı görülebilir. Bunlar ana redüksiyon dişlileri değil, açı algılama için tasarlanmış yardımcı mekanizmalardır.

 

Şekil 8: Kontrol panosunun arka tarafındaki dişli ve manyetik kodlayıcı alanı

 

Şekil 9: Merkez milin dönmesi, bitişik iki pinyon dişlisinin senkronize olarak dönmesini sağlar.

Yapısal olarak, merkezi şaftın dönüşü iki küçük dişliyi tahrik eder. Her küçük dişlinin merkezine manyetik bir bileşen yerleştirilmiştir ve PCBA'nın arka tarafındaki eşleşen konumlara manyetik kodlayıcı entegre devreler monte edilmiştir. Manyetik kodlayıcılar, manyetik alanların açısal değişimlerini ölçerek optik ızgara disklerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Küçük yağ kirliliğine ve toza karşı dayanıklıdırlar, bu da onları tamamen kapalı robot eklemleri için daha uygun hale getirir.

 

Şekil 10: Çift dişli ve çift kodlayıcı yapısı, açısal çözünürlüğü iyileştirir ve çok turlu konum algılamayı mümkün kılar.

Burada en çok dikkat çeken şey "çift dişli + çift manyetik kodlayıcı" konfigürasyonudur. Değeri, daha yüksek doğruluk için ikinci bir sensör eklemekten çok daha öteye gidiyor; büyük olasılıkla çok turlu mutlak konum kodlama şemasını gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır:

Tek bir manyetik kodlayıcı, 0–360° aralığındaki açıları doğru bir şekilde ölçer;

Ancak bir eklem birden fazla devir dönebilir ve tek turlu bir kodlayıcı kendi başına dönüş sayısını belirleyemez;

İki dişlinin diş sayıları veya dişli oranları farklıysa, bunlar verniyer benzeri bir ilişki oluştururlar;

Kontrol ünitesi, iki açısal ölçümü birleştirerek çok daha geniş bir aralıkta mutlak konumu hesaplar.

Bu yapı, insansı robotlar için büyük değer sunmaktadır. Güç kesildikten sonra, bacaklar, kollar veya bel eklemleri dış kuvvetler tarafından yerinden oynatılabilir. Güç yeniden verildiğinde, kapsamlı konumlandırma hareketleri gerektiren eklemler düşük verimlilikten muzdarip olur ve güvenlik tehlikeleri oluşturur. Çok turlu mutlak konum algılama, eklemlerin güç geri verildiği anda duruş verilerini anında almasını sağlar.