04 Potentzia-unitatea: 3 faseko MOS zubiak junturaren irteera-momentu-ahalmena zehazten du

5. irudia: Hiru faseko motorraren kableak MOS potentzia atalera zentralki konektatuta daude, laginketa erresistentziak, kontrolatzaileak eta iragazki osagaiak inguruan antolatuta daudela.

 

Gidari juntura hau hiru faseko motor eskuilarik gabekoetarako diseinatuta dago. Hiru faseko BLDC motorren errendimendu handiko kontrolak normalean hiru erdi-zubi behar ditu, gutxienez sei potentzia MOSFET dituen hiru faseko inbertsore bat osatuz. Hainbat MOS gailu pakete handiahalarkitektura honekin bat etorriz, hiru faseko irteerako soldadura puntuen inguruko PCBA-n ikus daiteke.

 

Hiru faseko zubiaren funtzionamendu logika honela sinplifikatu daiteke:

Bateriaren edo busaren tentsioa P+ eta P- bidez sartzen da; MOS erdi-zubien kommutazio azkarrak tentsio zuzena hiru faseko korronte bihurtzen du;

Hiru faseko korrontea motorraren harilkatzean sartzen da biraketa-eremu magnetiko bat sortzeko; Kontrolagailuak etengabe doitzen ditu PWM lan-zikloak kodetzailearen posizioaren eta korronte-feedbackaren arabera;

Azken finean, junturak helburuko momentua, abiadura edo posizioa emateko aukera ematen du.

Atal honen diseinu txarrak hainbat arazo tipiko sortuko ditu: MOS gehiegizko berotzea, abiadura txikiko dardara, momentu-uhin larria, gehiegizko korrontearen aurkako babes faltsua aktibatzea eta kodetzaileei edo komunikazio-zirkuituei eragiten dien EMI interferentziak. Hori dela eta, robot junturetarako potentzia-plaken diseinua askoz zailagoa da ohiko motor txikien kontrolatzaile-plaken diseinua baino.

 

6. irudia: TLV767 tentsio erreguladorea ikus daiteke plakan, induktoreekin, kondentsadoreekin eta hainbat tentsio baxuko potentzia osagairekin batera.

Elikatze-iturri zuhaitza ere aztertzeko modukoa da. LDO erregulatzaileak, hala nola TLV767, eta "100" markatutako potentzia-induktoreak, PCBan ikusgai daude. 48V-ko junturen aplikazio-eszenatokia kontuan hartuta, ondoriozta daiteke tentsio baxuko sistema ez dela litekeena tentsio altutik zuzenean jaistea LDOen bidez soilik. Horren ordez, honako honen antzeko elikatze-iturri arkitektura bat hartzen da:

Goi-tentsioko busa → Kommutazio-bihurketa mailakatua → Behe-tentsioko errailak (5V / 3.3V, etab.) → Bigarren mailako LDO erregulazioa / tokiko zarata-iragazketa

Energia-arkitektura hau arrazionalagoa da. MCUak, kodetzaileak, laginketa-anplifikadoreek eta komunikazio-transzeptoreek tentsio baxuko energia garbia eta egonkorra behar dute, eta MOS etengailuek eta motorraren fase-lineek, berriz, zarata bizia sortzen dute. Tentsio baxuko energia-iturriak interferentziaren aurkako errendimendu nahikorik ez badu, agertzen diren lehenengo akatsak ez dira motorraren matxurak izaten, baizik eta angelu-jauzi bortitzak, komunikazio-galerak edo korronte-laginketa-irakurketen noraezean daudenak.

05 Korronte eta tenperatura detektatzea: robot junturek irteerako momentua denbora errealean kontrolatu behar dute

 

7. irudia: R001 balio baxuko hainbat erresistentzia daude hiru faseko potentzia-sekzioaren azpian.

R001 osagaiak funtsezkoak dira plaka honetan, miliohm mailako balio baxuko sentsore-erresistentziak (1 mΩ normalean) irudikatzen baitituzte, motorraren fase-korrontea edo bus-korrontea neurtzeko erabiltzen direnak. Korronte-sentsazioa robot-junturen begizta itxiko kontrolaren muina da, BLDC motor baten irteera-momentua bere fase-korrontearekin oso lotuta baitago.

Beste era batera esanda, kontrolatzaileak ez du junturaren irteerako momentua "asmatzen"; horren ordez, korrontea kalkulatzen du erresistentzia sentsorialetan zehar gertatzen den tentsio-jausketa txikia neurtuz:

Tentsio-jausketa erresistentzia sentsorialean → Anplifikazioa eta iragazketa → ADC laginketa → Korronte-kalkulua → FOC momentu-kontrola

Seinale-kate honen zehaztasunak zuzenean eragiten dio:

Momentuaren Kontrolaren Zehaztasuna: Uneko kalkulua zehaztugabea bada, momentuaren irteera zehaztugabea izango da.

Abiadura Baxuko Leuntasuna: Laginketa-zarata handiak dardara eragin ohi du abiadura baxuetan.

Gainkorrontearen Babesa: Erantzun motelak MOSFETak erre ditzake, eta ezarpen gehiegi sentikorrek babes-abiarazle faltsuak eragiten dituzte.

Kudeaketa Termikoaren Estrategia: Korronte altu etengabeak motorraren harilkatzean, MOSFETetan eta korronte-sentsore erresistentzietan tenperatura igotzea dakar aldi berean.

Diseinuaren ikuspuntutik, korronte-sentsore erresistentziak MOSFETetatik eta fase-kableatuetatik gertu jartzeak korronte handiko begizta laburtzen du, eta horrek induktantzia parasitoa eta laginketa-erroreak murrizten laguntzen du. Erresistentzia eta kondentsadore txiki ugari daude kokatuta fase bakoitzaren ondoan, normalean atearen moteltzea, laginketa-iragazketa, gidariaren egonkortzea eta tokiko desakoplamendua egiteko erabiltzen direnak.

Tenperatura detektatzea ezinbestekoa da, halaber. MOTOR NTC etiketak motorraren barruan edo harilkatzearen ondoan instalatutako termistorea adierazten du. Giza-robot artikulazioetan, abiadura txikiko momentu handiko funtzionamendua, denbora luzez karga estatikoa mantentzea eta zutik edo okupatzean gertatzen den aldi baterako inpaktua tenperatura igoera handiak sortzen dituzte. NTC-k kontrolatzaileari tenperaturan oinarritutako hiru funtzio nagusi egiteko aukera ematen dio:

Korrontearen mugaketa: Irteerako korronte maximoa murriztu tenperatura igotzen den heinean; Potentzia murriztea: Karga handien pean dagoen momentu maximoa mugatu;

Babes-itzaltzea: Sartu matxura moduan tenperaturak segurtasun-atalasea gainditzen duenean.

Hau ere oinarrizko gaitasuna da robot profesionalen junturek izan behar dutena. Tenperatura-begizta itxiko kontrolik gabe, junturak ezin du fidagarritasunez funtzionatu denbora luzez, bere momentu-balio maximo altua izan arren.

06 Posizio Detekzioa: Kodetzaile eta Engranaje Magnetiko Bikoitzek Bira Bakarreko Angeluak Bira Anitzeko Posizio Irakurketa bihurtzen dituzte

PCBA kendu ondoren, engranaje-egitura txiki multzo bat ikus daiteke atzealdean. Hauek ez dira erredukzio-engranaje nagusiak, angelua detektatzeko diseinatutako mekanismo lagungarriak baizik.

 

8. irudia: Engranaje eta kodetzaile magnetikoaren eremua kontrol-taularen atzealdean

 

9. irudia: Erdiko ardatzaren biraketak ondoz ondoko bi pinoi-engranajeak sinkronoki birarazten ditu.

Egiturari dagokionez, ardatz zentralaren biraketak bi engranaje txikiak mugitzen ditu. Osagai magnetiko bat jartzen da engranaje txiki bakoitzaren erdian, eta kodetzaile magnetikoen zirkuituak PCBAren atzealdeko posizio egokietan muntatzen dira. Kodetzaile magnetikoek eremu magnetikoen aldakuntza angeluarrak neurtzen dituzte, sare optikoko diskoen beharra ezabatuz. Olio-kutsadura txikiarekiko eta hautsarekiko toleranteak dira, eta horrek robot-junturak guztiz itxita daudenean egokiagoak bihurtzen ditu.

 

10. irudia: Engranaje bikoitzeko eta kodetzaile bikoitzeko egiturak angelu-bereizmena hobetzen du eta bira anitzeko posizio-detekzioa ahalbidetzen du.

Hemen nabarmentzen dena "bikoitzeko engranaje + kodetzaile magnetiko bikoitza" konfigurazioa da. Bere balioa zehaztasun handiagoa lortzeko bigarren sentsore bat gehitzea baino askoz haratago doa; ziurrenik bira anitzeko posizio absolutuaren kodeketa eskema bat gauzatzeko diseinatuta dago:

Kodetzaile magnetiko bakar batek zehaztasunez neurtzen ditu 0–360°-ko angeluak;

hala ere, juntura batek hainbat bira eman ditzake, eta bira bakarreko kodetzaile batek ezin du bere kabuz zehaztu biraketa kopurua;

Bi engranajeek hortz kopuru edo engranaje-erlazio desberdinak badituzte, nonier antzeko korrelazioa eratzen dute;

Bi angelu-irakurketak konbinatuz, kontrolatzaileak posizio absolutua kalkulatzen du tarte zabalago batean.

Egitura honek balio handia ematen die humanoide robotei. Energia itzali ondoren, hankak, besoak edo gerriaren artikulazioak kanpoko indarrek mugiarazi ditzakete. Berriro piztean, hasierako mugimendu handiak behar dituzten artikulazioek eraginkortasun txikia dute eta segurtasun arriskuak sortzen dituzte. Bira anitzeko posizio absolutua detektatzeko aukera ematen die artikulazioei jarreraren datuak berehala berreskuratzeko energia berreskuratzen den bezain laster.