04 הנעת כוח: גשר MOS תלת-פאזי קובע את קיבולת מומנט הפלט של המפרק

איור 5: חוטי המנוע התלת-פאזי מחוברים באופן מרכזי לחלק ההספק של ה-MOS, כאשר נגדי דגימה, דרייברים ורכיבי מסנן מסודרים סביבם.

 

דרייבר משותף זה מיועד למנועים תלת פאזיים ללא מברשות. בקרה בעלת ביצועים גבוהים של מנועי BLDC תלת פאזיים דורשת בדרך כלל שלושה חצאי גשרי מתח, היוצרים ממיר תלת פאזי עם מינימום של שישה טרנזיסטורי MOSFET בעלי הספק. מספר התקני MOS בעלי מארז גדולפַּחִיתניתן להבחין ב-PCBA המקיף את נקודות ההלחמה של פלט תלת פאזי, בהתאם לארכיטקטורה זו.

 

ניתן לפשט את הלוגיקה התפעולית של גשר תלת-פאזי באופן הבא:

מתח סוללה או אפיק מוזן דרך P+ ו- P-; מיתוג במהירות גבוהה של חצי גשרי MOS ממיר מתח ישר לזרם תלת פאזי;

זרם תלת-פאזי זורם לתוך סלילי המנוע כדי ליצור שדה מגנטי מסתובב; הבקר מתאים באופן רציף את מחזורי העבודה של PWM בהתבסס על מיקום המקודד ומשוב הזרם;

בסופו של דבר מאפשר למפרק להפיק מומנט, מהירות או מיקום יעד.

תכנון לקוי של מקטע זה יוביל למספר בעיות אופייניות: חימום מוגזם של MOS, ריצוד במהירות נמוכה, אדוות מומנט חמורות, הפעלת הגנה מפני זרם יתר כוזב, והפרעות EMI המשפיעות על מקודדים או מעגלי תקשורת. מסיבה זו, תכנון לוחות חשמל עבור מפרקי רובוטים מאתגר הרבה יותר מזה של לוחות נהגי מנועים קטנים רגילים.

 

איור 6: ניתן לראות את ווסת המתח TLV767 על הלוח, לצד סלילים, קבלים ומספר רכיבי הספק במתח נמוך.

גם עץ ספק הכוח שווה ניתוח. וסתים של LDO כגון TLV767 ומשרני הספק המסומנים ב-"100" נראים על גבי המעגל המודפס. בהתחשב בתרחיש היישום של חיבורים בעלי דירוג 48V, ניתן להסיק כי סביר להניח שמערכת המתח הנמוך לא תורד ישירות ממתח גבוה אך ורק באמצעות LDOs. במקום זאת, מאומצת ארכיטקטורת ספק כוח דומה לזו הבאה:

אפיק מתח גבוה → המרה מורידה מתח → פסים במתח נמוך (5V / 3.3V וכו') → ויסות LDO משני / סינון רעשים מקומי

ארכיטקטורת הספק זו רציונלית יותר. המיקרו-בקר, המקודד, מגברי הדגימה ומקלט-התקשורת דורשים הספק מתח נמוך נקי ויציב, בעוד שמתגי ה-MOS וקווי הפאזה של המנוע מייצרים רעש עז. אם ספק הכוח במתח נמוך חסר ביצועים מספיקים נגד הפרעות, התקלות הראשונות שצצות בדרך כלל אינן תקלות במנוע, אלא קפיצות זווית פתאומיות, נפילות תקשורת או קריאות דגימה זרם סחיפות.

05 חישת זרם וטמפרטורה: מפרקי הרובוט חייבים לנטר את מומנט המוצא בזמן אמת

 

איור 7: מספר נגדי חישה בעלי ערך נמוך מדגם R001 ממוקמים מתחת לחלק החשמל התלת-פאזי.

רכיבי ה-R001 הם קריטיים בלוח זה, ומייצגים נגדי חישה בעלי ערך נמוך ברמת מיליאוהם (בדרך כלל 1 mΩ) המשמשים למדידת זרם פאזה של המנוע או זרם אפיק. חישת הזרם מהווה את ליבת הבקרה בלולאה סגורה עבור מפרקי רובוט, מכיוון שמומנט המוצא של מנוע BLDC קשור חזק לזרם הפאזה שלו.

במילים אחרות, הבקר אינו "מנחש" את תפוקת המומנט של המפרק; במקום זאת, הוא מחשב את הזרם על ידי מדידת ירידת המתח הזעירה על פני נגדי החישה:

ירידת מתח על פני נגד חישה → הגברה וסינון → דגימת ADC → חישוב זרם → בקרת מומנט FOC

הדיוק של שרשרת אותות זו משפיע ישירות על:

דיוק בקרת מומנט: אם הערכת הזרם אינה מדויקת, פלט המומנט לא יהיה מדויק.

חלקות במהירות נמוכה: רעש דגימה גבוה נוטה לגרום לרעידות במהירויות נמוכות.

הגנה מפני זרם יתר: תגובה איטית עלולה לשרוף MOSFETs, בעוד שהגדרות רגישות יתר גורמות לטריגרים כוזבים של הגנה.

אסטרטגיית ניהול תרמי: זרם גבוה ומתמשך מוביל לעלייה בו זמנית בטמפרטורה בסלילי המנוע, בטרנזיסטורי MOSFET ובנגדי חישת זרם.

מנקודת מבט של פריסה, הצבת נגדי חישת זרם קרוב ל-MOSFETs וחיווט פאזה מקצרת את לולאת הזרם הגבוה, מה שעוזר להפחית שגיאות השראות טפיליות ודגימה. מספר רב של נגדים וקבלים קטנים מסודרים ליד כל פאזה, ומשמשים בדרך כלל לבלימת שער, סינון דגימה, ייצוב דרייברים וניתוק מקומי.

גילוי טמפרטורה הוא הכרחי באותה מידה. תווית ה-NTC של המנוע מציינת תרמיסטור המותקן בתוך המנוע או בסמוך לסלילים. עבור מפרקי רובוט דמויי אדם, פעולה במהירות נמוכה ומומנט גבוה, החזקה סטטית ממושכת ופגיעה חולפת במהלך עמידה או כריעה - כל אלה יוצרים עליות טמפרטורה משמעותיות. ה-NTC מאפשר לבקר לבצע שלוש פונקציות עיקריות המבוססות על טמפרטורה:

הגבלת זרם: הפחתת זרם המוצא המרבי ככל שהטמפרטורה עולה; ירידה ברמת הזרם: הגבלת מומנט שיא תחת עומסים כבדים מתמשכים;

כיבוי מגן: היכנס למצב תקלה ברגע שהטמפרטורה עולה על סף הבטיחות.

זוהי גם יכולת בסיסית שחייבות להיות למפרקי רובוט מקצועיים. ללא בקרת טמפרטורה בלולאה סגורה, המפרק לא יוכל לפעול בצורה אמינה למשך תקופות ממושכות למרות דירוג מומנט השיא הגבוה שלו.

06 זיהוי מיקום: מקודדים מגנטיים כפולים וגלגלי שיניים ממירים זוויות סיבוב יחיד לקריאות מיקום מרובות סיבובים

לאחר הסרת ה-PCBA, ניתן לראות בצד האחורי קבוצה של מבני גלגלי שיניים קטנים. אלה אינם גלגלי ההפחתה העיקריים, אלא מנגנוני עזר המיועדים לגילוי זווית.

 

איור 8: אזור גלגל השיניים והמקודד המגנטי בצד האחורי של לוח הבקרה

 

איור 9: סיבוב הציר המרכזי מניע את שני גלגלי השיניים הסמוכים לסיבוב סינכרוני.

מבחינה מבנית, סיבוב הציר המרכזי מניע את שני גלגלי השיניים הקטנים. רכיב מגנטי מותקן במרכז כל גלגל שיניים קטן, כאשר מעגלים משולבים של מקודדים מגנטיים מותקנים במיקומים התואמים בצד האחורי של ה-PCB. מקודדים מגנטיים מודדים שינויים זוויתיים של שדות מגנטיים, ובכך מבטלים את הצורך בדסקיות סורג אופטיות. הם עמידים לזיהום שמן קל ואבק, מה שהופך אותם למתאימים יותר למפרקי רובוט סגורים לחלוטין.

 

איור 10: מבנה ההילוכים הכפולים והמקודד הכפול משפר את הרזולוציה הזוויתית ומאפשר זיהוי מיקום רב-סיבובי.

מה שבולט כאן הוא תצורת "הילוכים כפולים + מקודד מגנטי כפול". ערכה חורג הרבה מעבר להוספת חיישן שני לדיוק גבוה יותר; סביר להניח שהיא תוכננה לממש סכימת קידוד מיקום מוחלט רב-סיבובי:

מקודד מגנטי יחיד מודד במדויק זוויות בטווח של 0–360°;

עם זאת, מפרק עשוי להסתובב מספר סיבובים, ומקודד בעל סיבוב יחיד אינו יכול לקבוע את מספר הסיבובים בכוחות עצמו;

אם לשני גלגלי השיניים יש מספר שיניים או יחסי העברה שונים, הם יוצרים מתאם דמוי ורניה;

על ידי שילוב שתי הקריאות הזוויתיות, הבקר מחשב את המיקום המוחלט על פני טווח רחב בהרבה.

מבנה זה מספק ערך רב לרובוטים דמויי אדם. לאחר כיבוי, הרגליים, הזרועות או מפרקי המותניים עלולים להזיז את עצמם על ידי כוחות חיצוניים. בעת הפעלה מחדש, מפרקים הדורשים תנועות ביתיות נרחבות סובלים מיעילות נמוכה ומהווים סכנות בטיחות. חישת מיקום מוחלטת רב-סיבובית מאפשרת למפרקים לאחזר באופן מיידי נתוני יציבה ברגע שמתח החשמל חוזר.