04 పవర్ డ్రైవ్: 3-ఫేజ్ MOS బ్రిడ్జ్ జాయింట్ యొక్క అవుట్‌పుట్ టార్క్ సామర్థ్యాన్ని నిర్ధారిస్తుంది

పటం 5: మూడు-ఫేజ్ మోటార్ వైర్లు MOS పవర్ విభాగానికి కేంద్రంగా అనుసంధానించబడి ఉంటాయి, దాని చుట్టూ శాంప్లింగ్ రెసిస్టర్లు, డ్రైవర్లు మరియు ఫిల్టర్ కాంపోనెంట్లు అమర్చబడి ఉంటాయి.

 

ఈ జాయింట్ డ్రైవర్ మూడు-ఫేజ్ బ్రష్‌లెస్ మోటార్ల కోసం రూపొందించబడింది. మూడు-ఫేజ్ BLDC మోటార్ల యొక్క అధిక-పనితీరు నియంత్రణకు సాధారణంగా మూడు హాఫ్-బ్రిడ్జ్‌లు అవసరం, ఇవి కనీసం ఆరు పవర్ MOSFET లతో మూడు-ఫేజ్ ఇన్వర్టర్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. బహుళ పెద్ద-ప్యాకేజ్ MOS పరికరాలుచేయగలరుఈ ఆర్కిటెక్చర్‌కు అనుగుణంగా, త్రీ-ఫేజ్ అవుట్‌పుట్ సోల్డర్ పాయింట్ల చుట్టూ ఉన్న PCBAపై గుర్తించబడుతుంది.

 

మూడు-ఫేజ్ బ్రిడ్జ్ యొక్క ఆపరేటింగ్ లాజిక్‌ను ఈ క్రింది విధంగా సరళీకరించవచ్చు:

బ్యాటరీ లేదా బస్ వోల్టేజ్ P+ మరియు P- ద్వారా అందించబడుతుంది; MOS హాఫ్-బ్రిడ్జ్‌ల యొక్క హై-స్పీడ్ స్విచ్చింగ్ DC వోల్టేజ్‌ను త్రీ-ఫేజ్ కరెంట్‌గా మారుస్తుంది;

తిరిగే అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని ఉత్పత్తి చేయడానికి మూడు-దశల కరెంట్ మోటార్ వైండింగ్‌లలోకి ప్రవహిస్తుంది; కంట్రోలర్ ఎన్‌కోడర్ స్థానం మరియు కరెంట్ ఫీడ్‌బ్యాక్ ఆధారంగా PWM డ్యూటీ సైకిల్‌లను నిరంతరం సర్దుబాటు చేస్తుంది;

అంతిమంగా జాయింట్ లక్షిత టార్క్, వేగం లేదా స్థానాన్ని అవుట్‌పుట్ చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది.

ఈ విభాగం యొక్క పేలవమైన రూపకల్పన అనేక సాధారణ సమస్యలకు దారితీస్తుంది: అధిక MOS వేడెక్కడం, తక్కువ-వేగపు జిట్టర్, తీవ్రమైన టార్క్ రిపుల్, తప్పుడు ఓవర్‌కరెంట్ ప్రొటెక్షన్ ట్రిగ్గరింగ్, మరియు ఎన్‌కోడర్‌లు లేదా కమ్యూనికేషన్ సర్క్యూట్‌లను ప్రభావితం చేసే EMI జోక్యం. ఈ కారణంగా, సాధారణ చిన్న మోటార్ డ్రైవర్ బోర్డులతో పోలిస్తే రోబోట్ జాయింట్‌ల కోసం పవర్ బోర్డ్ రూపకల్పన చాలా సవాలుతో కూడుకున్నది.

 

పటం 6: బోర్డు మీద TLV767 వోల్టేజ్ రెగ్యులేటర్‌తో పాటు ఇండక్టర్లు, కెపాసిటర్లు మరియు అనేక తక్కువ-వోల్టేజ్ పవర్ కాంపోనెంట్లను చూడవచ్చు.

పవర్ సప్లై ట్రీని కూడా విశ్లేషించడం ముఖ్యం. PCB మీద TLV767 వంటి LDO రెగ్యులేటర్లు మరియు "100" అని గుర్తించబడిన పవర్ ఇండక్టర్లు కనిపిస్తాయి. 48V-రేటెడ్ జాయింట్ల అప్లికేషన్ దృష్టాంతాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, తక్కువ-వోల్టేజ్ సిస్టమ్ కేవలం LDOల ద్వారా మాత్రమే అధిక వోల్టేజ్ నుండి నేరుగా స్టెప్ డౌన్ అయ్యే అవకాశం లేదని ఊహించవచ్చు. దానికి బదులుగా, కింది వాటిని పోలిన పవర్ సప్లై ఆర్కిటెక్చర్‌ను అవలంబించారు:

అధిక-వోల్టేజ్ బస్ → స్విచ్చింగ్ స్టెప్-డౌన్ మార్పిడి → అల్ప-వోల్టేజ్ రైల్స్ (5V / 3.3V, మొదలైనవి) → సెకండరీ LDO నియంత్రణ / స్థానిక శబ్దం వడపోత

ఈ పవర్ ఆర్కిటెక్చర్ మరింత హేతుబద్ధమైనది. MCU, ఎన్‌కోడర్, శాంప్లింగ్ యాంప్లిఫైయర్‌లు మరియు కమ్యూనికేషన్ ట్రాన్స్‌సీవర్‌లకు స్వచ్ఛమైన, స్థిరమైన తక్కువ-వోల్టేజ్ పవర్ అవసరం కాగా, MOS స్విచ్‌లు మరియు మోటార్ ఫేజ్ లైన్‌లు తీవ్రమైన నాయిస్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఒకవేళ తక్కువ-వోల్టేజ్ పవర్ సప్లైకి తగినంత యాంటీ-ఇంటర్‌ఫియరెన్స్ పనితీరు లేకపోతే, మొదటగా తలెత్తే లోపాలు సాధారణంగా మోటార్ పనిచేయకపోవడం కాకుండా, ఆకస్మిక యాంగిల్ జంప్‌లు, కమ్యూనికేషన్ డ్రాప్‌అవుట్‌లు లేదా డ్రిఫ్టింగ్ కరెంట్ శాంప్లింగ్ రీడింగ్‌లుగా ఉంటాయి.

05 విద్యుత్ మరియు ఉష్ణోగ్రత పర్యవేక్షణ: రోబోట్ కీళ్ళు అవుట్‌పుట్ టార్క్‌ను నిజ సమయంలో పర్యవేక్షించాలి

 

పటం 7: మూడు-ఫేజ్ పవర్ సెక్షన్ క్రింద బహుళ R001 తక్కువ-విలువ సెన్స్ రెసిస్టర్‌లు ఉన్నాయి.

ఈ బోర్డులో R001 భాగాలు చాలా కీలకమైనవి, ఇవి మోటార్ ఫేజ్ కరెంట్ లేదా బస్ కరెంట్‌ను కొలవడానికి ఉపయోగించే మిల్లీఓమ్-స్థాయి తక్కువ-విలువ గల సెన్స్ రెసిస్టర్‌లను (సాధారణంగా 1 mΩ) సూచిస్తాయి. రోబోట్ జాయింట్‌ల కోసం క్లోజ్డ్-లూప్ నియంత్రణకు కరెంట్ సెన్సింగ్ ప్రధానమైనది, ఎందుకంటే ఒక BLDC మోటార్ యొక్క అవుట్‌పుట్ టార్క్ దాని ఫేజ్ కరెంట్‌తో బలంగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.

మరో మాటలో చెప్పాలంటే, కంట్రోలర్ జాయింట్ యొక్క టార్క్ అవుట్‌పుట్‌ను "ఊహించదు"; దానికి బదులుగా, అది సెన్స్ రెసిస్టర్‌ల మీదుగా ఉండే అతి చిన్న వోల్టేజ్ డ్రాప్‌ను కొలవడం ద్వారా కరెంట్‌ను లెక్కిస్తుంది:

సెన్స్ రెసిస్టర్ అంతటా వోల్టేజ్ డ్రాప్ → యాంప్లిఫికేషన్ & ఫిల్టరింగ్ → ADC శాంప్లింగ్ → కరెంట్ లెక్కింపు → FOC టార్క్ నియంత్రణ

ఈ సిగ్నల్ చైన్ యొక్క కచ్చితత్వం నేరుగా ప్రభావితం చేస్తుంది:

టార్క్ నియంత్రణ కచ్చితత్వం: కరెంట్ అంచనా కచ్చితంగా లేకపోతే, టార్క్ అవుట్‌పుట్ కూడా కచ్చితంగా ఉండదు.

తక్కువ-వేగపు సున్నితత్వం: అధిక శాంప్లింగ్ నాయిస్ తక్కువ వేగాల వద్ద జెట్టర్‌కు కారణమవుతుంది.

ఓవర్‌కరెంట్ ప్రొటెక్షన్: నెమ్మదైన ప్రతిస్పందన MOSFETలను కాలిపోయేలా చేయవచ్చు, అదే సమయంలో అతి సున్నితమైన సెట్టింగ్‌లు తప్పుడు ప్రొటెక్షన్ ట్రిగ్గర్‌లకు దారితీస్తాయి.

ఉష్ణ నిర్వహణ వ్యూహం: నిరంతర అధిక కరెంట్ మోటార్ వైండింగ్‌లు, MOSFETలు మరియు కరెంట్-సెన్స్ రెసిస్టర్‌లలో ఏకకాలంలో ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది.

లేఅవుట్ పరంగా చూస్తే, కరెంట్-సెన్స్ రెసిస్టర్‌లను MOSFETలకు మరియు ఫేజ్ వైరింగ్‌కు దగ్గరగా ఉంచడం వల్ల హై-కరెంట్ లూప్ పొడవు తగ్గుతుంది, ఇది పారాసిటిక్ ఇండక్టెన్స్ మరియు శాంప్లింగ్ లోపాలను తగ్గించడంలో సహాయపడుతుంది. ప్రతి ఫేజ్ దగ్గర పెద్ద సంఖ్యలో చిన్న రెసిస్టర్‌లు మరియు కెపాసిటర్‌లు అమర్చబడి ఉంటాయి, వీటిని సాధారణంగా గేట్ డంపింగ్, శాంప్లింగ్ ఫిల్టరింగ్, డ్రైవర్ స్టెబిలైజేషన్ మరియు లోకల్ డీకప్లింగ్ కోసం ఉపయోగిస్తారు.

ఉష్ణోగ్రతను గుర్తించడం కూడా అంతే అత్యవసరం. MOTOR NTC లేబుల్, మోటార్ లోపల లేదా వైండింగ్‌లకు సమీపంలో అమర్చబడిన థర్మిస్టర్‌ను సూచిస్తుంది. హ్యూమనాయిడ్ రోబోట్ జాయింట్‌ల విషయంలో, తక్కువ వేగంతో అధిక టార్క్‌తో పనిచేయడం, ఎక్కువసేపు కదలకుండా ఒకే చోట ఉండటం, మరియు నిలబడేటప్పుడు లేదా కూర్చున్నప్పుడు కలిగే తాత్కాలిక ప్రభావం వంటివన్నీ ఉష్ణోగ్రతలో గణనీయమైన పెరుగుదలను కలిగిస్తాయి. ఈ NTC, కంట్రోలర్‌కు ఉష్ణోగ్రత ఆధారిత మూడు కీలక విధులను నిర్వహించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది:

కరెంట్ పరిమితి: ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ గరిష్ట అవుట్‌పుట్ కరెంట్‌ను తగ్గించడం; డీరేటింగ్: నిరంతర భారీ లోడ్‌ల కింద గరిష్ట టార్క్‌ను పరిమితం చేయడం;

రక్షణాత్మక షట్‌డౌన్: ఉష్ణోగ్రత సురక్షా పరిమితిని దాటిన వెంటనే ఫాల్ట్ మోడ్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది.

ఇది కూడా ప్రొఫెషనల్ రోబోట్ జాయింట్‌లకు తప్పనిసరిగా ఉండవలసిన ఒక ప్రాథమిక సామర్థ్యం. ఉష్ణోగ్రత క్లోజ్డ్-లూప్ నియంత్రణ లేకుండా, దాని అధిక పీక్ టార్క్ రేటింగ్ ఉన్నప్పటికీ జాయింట్ ఎక్కువ కాలం విశ్వసనీయంగా పనిచేయదు.

06 స్థాన గుర్తింపు: ద్వంద్వ అయస్కాంత ఎన్‌కోడర్‌లు మరియు గేర్‌లు ఏక-మలుపు కోణాలను బహు-మలుపు స్థాన రీడింగ్‌లుగా మారుస్తాయి

PCBAను తొలగించిన తర్వాత, వెనుక వైపున చిన్న గేర్ నిర్మాణాల సముదాయం కనిపిస్తుంది. ఇవి ప్రధాన రిడక్షన్ గేర్లు కావు, కానీ కోణాన్ని గుర్తించడం కోసం రూపొందించిన సహాయక యంత్రాంగాలు.

 

పటం 8: నియంత్రణ బోర్డు వెనుక వైపున ఉన్న గేర్ మరియు అయస్కాంత ఎన్‌కోడర్ ప్రాంతం

 

పటం 9: కేంద్ర షాఫ్ట్ యొక్క భ్రమణం, ప్రక్కనే ఉన్న రెండు పినియన్ గేర్‌లను సమకాలీనంగా తిరిగేలా చేస్తుంది.

నిర్మాణపరంగా, కేంద్ర షాఫ్ట్ యొక్క భ్రమణం రెండు చిన్న గేర్‌లను నడుపుతుంది. ప్రతి చిన్న గేర్ మధ్యలో ఒక అయస్కాంత భాగం అమర్చబడి ఉంటుంది, మరియు PCBA వెనుక వైపున సరిపోలే స్థానాలలో మాగ్నెటిక్ ఎన్‌కోడర్ ICలు అమర్చబడి ఉంటాయి. మాగ్నెటిక్ ఎన్‌కోడర్‌లు అయస్కాంత క్షేత్రాల కోణీయ వైవిధ్యాలను కొలుస్తాయి, దీనివల్ల ఆప్టికల్ గ్రేటింగ్ డిస్క్‌ల అవసరం తొలగిపోతుంది. ఇవి స్వల్ప నూనె కాలుష్యం మరియు ధూళిని తట్టుకోగలవు, అందువల్ల పూర్తిగా మూసివున్న రోబోట్ జాయింట్‌లకు ఇవి మరింత అనుకూలంగా ఉంటాయి.

 

పటం 10: డ్యూయల్-గేర్ మరియు డ్యూయల్-ఎన్‌కోడర్ నిర్మాణం కోణీయ రిజల్యూషన్‌ను మెరుగుపరుస్తుంది మరియు బహుళ-మలుపుల స్థాన గుర్తింపును సాధ్యం చేస్తుంది.

ఇక్కడ అన్నింటికన్నా ముఖ్యంగా కనిపించేది "డ్యూయల్-గేర్ + డ్యూయల్ మాగ్నెటిక్ ఎన్‌కోడర్" కాన్ఫిగరేషన్. దీని విలువ కేవలం అధిక కచ్చితత్వం కోసం రెండవ సెన్సార్‌ను జోడించడం వరకే పరిమితం కాదు; బహుళ-మలుపుల సంపూర్ణ స్థాన ఎన్‌కోడింగ్ పథకాన్ని అమలు చేయడానికి దీనిని రూపొందించి ఉండవచ్చు:

ఒకే మాగ్నెటిక్ ఎన్‌కోడర్ 0–360° పరిధిలోని కోణాలను ఖచ్చితంగా కొలుస్తుంది;

అయినప్పటికీ ఒక జాయింట్ అనేక భ్రమణాలు తిరగవచ్చు, మరియు సింగిల్-టర్న్ ఎన్‌కోడర్ దాని స్వంతంగా భ్రమణాల సంఖ్యను నిర్ణయించదు;

రెండు గేర్‌లు వేర్వేరు పళ్ల సంఖ్యలను లేదా గేర్ నిష్పత్తులను కలిగి ఉంటే, అవి వెర్నియర్ లాంటి సంబంధాన్ని ఏర్పరుస్తాయి;

రెండు కోణీయ రీడింగులను కలపడం ద్వారా, కంట్రోలర్ చాలా విస్తృత పరిధిలో సంపూర్ణ స్థానాన్ని గణిస్తుంది.

ఈ నిర్మాణం హ్యూమనాయిడ్ రోబోట్‌లకు గొప్ప విలువను అందిస్తుంది. పవర్ ఆఫ్ అయిన తర్వాత, కాళ్లు, చేతులు లేదా నడుము కీళ్ళు బాహ్య శక్తుల వల్ల స్థానభ్రంశం చెందవచ్చు. తిరిగి పవర్ ఇచ్చినప్పుడు, విస్తృతమైన హోమింగ్ కదలికలు అవసరమయ్యే కీళ్ళు తక్కువ సామర్థ్యంతో పనిచేస్తాయి మరియు భద్రతా ప్రమాదాలను కలిగిస్తాయి. మల్టీ-టర్న్ అబ్సొల్యూట్ పొజిషన్ సెన్సింగ్, పవర్ పునరుద్ధరించబడిన వెంటనే కీళ్ళు తక్షణమే భంగిమ డేటాను తిరిగి పొందేందుకు అనుమతిస్తుంది.