04 درایو قدرت: پل MOS سه فاز، ظرفیت گشتاور خروجی مفصل را تعیین می‌کند

شکل ۵: سیم‌های موتور سه فاز به صورت مرکزی به بخش قدرت MOS متصل شده‌اند و مقاومت‌های نمونه‌برداری، درایورها و اجزای فیلتر در اطراف آن قرار گرفته‌اند.

 

این درایور مشترک برای موتورهای بدون جاروبک سه فاز طراحی شده است. کنترل با کارایی بالای موتورهای BLDC سه فاز معمولاً به سه نیم پل نیاز دارد که یک اینورتر سه فاز با حداقل شش ماسفت قدرت را تشکیل می‌دهند. چندین دستگاه MOS در بسته‌های بزرگمی‌تواندمطابق با این معماری، روی PCBA اطراف نقاط لحیم خروجی سه فاز مشاهده شود.

 

منطق عملکرد پل سه فاز را می‌توان به صورت زیر ساده کرد:

ولتاژ باتری یا باس از طریق P+ و P- وارد می‌شود؛ سوئیچینگ پرسرعت نیم‌پل‌های MOS، ولتاژ DC را به جریان سه‌فاز تبدیل می‌کند؛

جریان سه فاز به سیم‌پیچ‌های موتور جریان می‌یابد تا یک میدان مغناطیسی دوار تولید کند؛ کنترل‌کننده به‌طور مداوم چرخه‌های کاری PWM را بر اساس موقعیت انکودر و بازخورد جریان تنظیم می‌کند؛

در نهایت، مفصل را قادر می‌سازد تا گشتاور، سرعت یا موقعیت هدف را تولید کند.

طراحی ضعیف این بخش منجر به چندین مشکل معمول خواهد شد: گرمایش بیش از حد MOS، لرزش سرعت پایین، ریپل شدید گشتاور، تحریک محافظت در برابر اضافه جریان کاذب و تداخل EMI که بر انکودرها یا مدارهای ارتباطی تأثیر می‌گذارد. به همین دلیل، طراحی برد قدرت برای اتصالات ربات بسیار چالش برانگیزتر از بردهای درایور موتور کوچک معمولی است.

 

شکل 6: رگولاتور ولتاژ TLV767 را می‌توان روی برد، در کنار سلف‌ها، خازن‌ها و چندین قطعه برق ولتاژ پایین مشاهده کرد.

نمودار منبع تغذیه نیز ارزش بررسی دارد. رگولاتورهای LDO مانند TLV767 و سلف‌های برق با علامت "100" روی PCB قابل مشاهده هستند. با توجه به سناریوی کاربرد اتصالات با ولتاژ 48 ولت، می‌توان استنباط کرد که بعید است سیستم ولتاژ پایین مستقیماً از طریق LDOها از ولتاژ بالا کاهش یابد. در عوض، معماری منبع تغذیه مشابه زیر اتخاذ می‌شود:

باس ولتاژ بالا → تبدیل کاهنده سوئیچینگ → ریل‌های ولتاژ پایین (5 ولت / 3.3 ولت و غیره) → تنظیم ثانویه LDO / فیلتر نویز محلی

این معماری توان منطقی‌تر است. MCU، رمزگذار، تقویت‌کننده‌های نمونه‌برداری و فرستنده-گیرنده‌های ارتباطی به برق ولتاژ پایین، تمیز و پایدار نیاز دارند، در حالی که سوئیچ‌های MOS و خطوط فاز موتور نویز شدیدی ایجاد می‌کنند. اگر منبع تغذیه ولتاژ پایین فاقد عملکرد ضد تداخل کافی باشد، اولین خطاهایی که ظاهر می‌شوند معمولاً نقص موتور نیستند، بلکه پرش‌های ناگهانی زاویه، قطع ارتباط یا تغییر در قرائت‌های نمونه‌برداری جریان هستند.

05 حسگر جریان و دما: اتصالات ربات باید گشتاور خروجی را به صورت بلادرنگ کنترل کنند

 

شکل ۷: چندین مقاومت حسگر کم‌مقدار R001 در زیر بخش برق سه فاز قرار دارند.

قطعات R001 در این برد بسیار مهم هستند و مقاومت‌های حسگر کم‌مقدار در سطح میلی‌اهم (معمولاً ۱ میلی‌اهم) را نشان می‌دهند که برای اندازه‌گیری جریان فاز موتور یا جریان باس استفاده می‌شوند. حسگر جریان، هسته کنترل حلقه بسته برای مفاصل ربات را تشکیل می‌دهد، زیرا گشتاور خروجی یک موتور BLDC به شدت با جریان فاز آن همبستگی دارد.

به عبارت دیگر، کنترل‌کننده گشتاور خروجی مفصل را «حدس» نمی‌کند؛ در عوض، جریان را با اندازه‌گیری افت ولتاژ ناچیز در مقاومت‌های حسگر محاسبه می‌کند:

افت ولتاژ در مقاومت حسگر → تقویت و فیلتر کردن → نمونه‌برداری ADC → محاسبه جریان → کنترل گشتاور FOC

دقت این زنجیره سیگنال مستقیماً بر موارد زیر تأثیر می‌گذارد:

دقت کنترل گشتاور: اگر تخمین جریان نادرست باشد، خروجی گشتاور نیز نادرست خواهد بود.

نرمی در سرعت پایین: نویز نمونه‌برداری بالا باعث ایجاد لرزش در سرعت‌های پایین می‌شود.

محافظت در برابر اضافه جریان: پاسخ کند ممکن است باعث سوختن MOSFETها شود، در حالی که تنظیمات بیش از حد حساس منجر به فعال شدن محافظت کاذب می‌شود.

استراتژی مدیریت حرارتی: جریان بالای پایدار منجر به افزایش همزمان دما در سیم‌پیچ‌های موتور، ماسفت‌ها و مقاومت‌های جریان‌سنج می‌شود.

از دیدگاه طرح‌بندی، قرار دادن مقاومت‌های جریان‌سنج نزدیک به MOSFETها و سیم‌کشی فاز، حلقه جریان بالا را کوتاه می‌کند که به کاهش اندوکتانس انگلی و خطاهای نمونه‌برداری کمک می‌کند. تعداد زیادی مقاومت و خازن کوچک در نزدیکی هر فاز چیده شده‌اند که عموماً برای میرایی گیت، فیلتر نمونه‌برداری، پایدارسازی درایور و جداسازی محلی استفاده می‌شوند.

تشخیص دما نیز به همان اندازه ضروری است. برچسب NTC موتور نشان دهنده یک ترمیستور است که در داخل موتور یا مجاور سیم پیچ ها نصب شده است. برای اتصالات ربات انسان نما، عملکرد کم سرعت با گشتاور بالا، نگه داشتن طولانی مدت در حالت ایستا و ضربه گذرا هنگام ایستادن یا چمباتمه زدن، همگی باعث افزایش قابل توجه دما می شوند. NTC به کنترلر این امکان را می دهد که سه عملکرد کلیدی مبتنی بر دما را انجام دهد:

محدود کردن جریان: با افزایش دما، حداکثر جریان خروجی را کاهش دهید؛ کاهش توان: حداکثر گشتاور را تحت بارهای سنگین پایدار محدود کنید؛

خاموشی حفاظتی: زمانی که دما از آستانه ایمنی فراتر رود، دستگاه وارد حالت خطا می‌شود.

این همچنین یک قابلیت اساسی است که مفاصل ربات‌های حرفه‌ای باید داشته باشند. بدون کنترل حلقه بسته دما، مفصل نمی‌تواند برای مدت طولانی با وجود حداکثر گشتاور بالا، به طور قابل اعتمادی کار کند.

۶ تشخیص موقعیت: انکودرهای مغناطیسی دوگانه و چرخ‌دنده‌ها، زوایای تک‌دور را به موقعیت‌های چنددور تبدیل می‌کنند

پس از برداشتن PCBA، مجموعه‌ای از ساختارهای چرخ‌دنده کوچک در طرف مقابل دیده می‌شوند. اینها چرخ‌دنده‌های کاهنده اصلی نیستند، بلکه مکانیسم‌های کمکی هستند که برای تشخیص زاویه طراحی شده‌اند.

 

شکل ۸: ناحیه چرخ‌دنده و انکودر مغناطیسی در پشت برد کنترل

 

شکل ۹: چرخش شفت مرکزی، دو چرخ‌دنده پینیون مجاور را به چرخش همزمان وادار می‌کند.

از نظر ساختاری، چرخش شفت مرکزی، دو چرخ‌دنده کوچک را به حرکت در می‌آورد. یک قطعه مغناطیسی در مرکز هر چرخ‌دنده کوچک تعبیه شده است که آی‌سی‌های انکودر مغناطیسی در موقعیت‌های منطبق در قسمت عقب PCBA نصب شده‌اند. انکودرهای مغناطیسی تغییرات زاویه‌ای میدان‌های مغناطیسی را اندازه‌گیری می‌کنند و نیاز به دیسک‌های توری نوری را از بین می‌برند. آن‌ها در برابر آلودگی جزئی روغن و گرد و غبار مقاوم هستند و همین امر آن‌ها را برای اتصالات کاملاً محصور ربات مناسب‌تر می‌کند.

 

شکل 10: ساختار دو چرخ‌دنده و دو انکودر، وضوح زاویه‌ای را بهبود می‌بخشد و تشخیص موقعیت چند چرخشی را امکان‌پذیر می‌کند.

چیزی که اینجا بیشتر از همه جلب توجه می‌کند، پیکربندی «دنده دوگانه + انکودر مغناطیسی دوگانه» است. ارزش آن فراتر از اضافه کردن یک سنسور دوم برای دقت بالاتر است؛ به احتمال زیاد برای تحقق یک طرح کدگذاری موقعیت مطلق چند چرخشی طراحی شده است:

یک انکودر مغناطیسی تکی، زاویه‌ها را با دقت بین ۰ تا ۳۶۰ درجه اندازه‌گیری می‌کند؛

با این حال، یک مفصل ممکن است چندین دور بچرخد، و یک انکودر تک دور نمی‌تواند تعداد چرخش‌ها را به تنهایی تعیین کند؛

اگر دو چرخ‌دنده تعداد دندانه یا نسبت دنده‌های متفاوتی داشته باشند، یک همبستگی شبیه به ورنیه تشکیل می‌دهند؛

با ترکیب دو قرائت زاویه‌ای، کنترل‌کننده موقعیت مطلق را در محدوده بسیار وسیع‌تری محاسبه می‌کند.

این ساختار برای ربات‌های انسان‌نما ارزش زیادی دارد. پس از خاموش شدن، مفاصل پاها، بازوها یا کمر ممکن است توسط نیروهای خارجی جابجا شوند. پس از روشن شدن مجدد، مفاصلی که نیاز به حرکات چرخشی گسترده دارند، از راندمان پایین رنج می‌برند و خطرات ایمنی ایجاد می‌کنند. حسگر موقعیت مطلق چند چرخشی به مفاصل اجازه می‌دهد تا به محض وصل شدن مجدد برق، فوراً داده‌های وضعیت بدن را بازیابی کنند.