04 ระบบขับเคลื่อนกำลัง: วงจรบริดจ์ MOS 3 เฟส กำหนดความสามารถในการรับแรงบิดเอาต์พุตของข้อต่อ

รูปที่ 5: สายไฟของมอเตอร์สามเฟสเชื่อมต่อเข้ากับส่วนกำลังของ MOS ตรงกลาง โดยมีตัวต้านทานการสุ่มตัวอย่าง ตัวขับ และส่วนประกอบตัวกรองจัดเรียงอยู่รอบๆ

 

วงจรขับร่วมนี้ได้รับการออกแบบมาสำหรับมอเตอร์ไร้แปรงถ่านสามเฟส การควบคุมมอเตอร์ BLDC สามเฟสที่มีประสิทธิภาพสูงโดยทั่วไปต้องใช้ฮาล์ฟบริดจ์สามตัวเพื่อสร้างอินเวอร์เตอร์สามเฟสที่มี MOSFET กำลังอย่างน้อยหกตัว อุปกรณ์ MOS ขนาดใหญ่หลายตัวสามารถสามารถมองเห็นได้บนแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) บริเวณรอบๆ จุดบัดกรีเอาต์พุตสามเฟส ซึ่งสอดคล้องกับสถาปัตยกรรมนี้

 

หลักการทำงานของวงจรบริดจ์สามเฟสสามารถสรุปได้ดังนี้:

แรงดันแบตเตอรี่หรือแรงดันบัสจะถูกป้อนเข้ามาทาง P+ และ P-; การสลับความเร็วสูงของฮาล์ฟบริดจ์ MOS จะแปลงแรงดัน DC เป็นกระแสสามเฟส;

กระแสไฟฟ้าสามเฟสไหลเข้าสู่ขดลวดมอเตอร์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กหมุน ตัวควบคุมจะปรับรอบการทำงานของ PWM อย่างต่อเนื่องโดยอิงจากตำแหน่งของตัวเข้ารหัสและการป้อนกลับของกระแสไฟฟ้า

ท้ายที่สุดแล้ว ข้อต่อนี้จะช่วยให้สามารถสร้างแรงบิด ความเร็ว หรือตำแหน่งตามเป้าหมายได้

การออกแบบส่วนนี้ที่ไม่ดีจะนำไปสู่ปัญหาทั่วไปหลายประการ ได้แก่ ความร้อนสูงเกินไปของ MOS การสั่นไหวที่ความเร็วต่ำ แรงบิดกระเพื่อมอย่างรุนแรง การทำงานผิดพลาดของระบบป้องกันกระแสเกิน และการรบกวน EMI ที่ส่งผลกระทบต่อตัวเข้ารหัสหรือวงจรสื่อสาร ด้วยเหตุนี้ การออกแบบแผงวงจรจ่ายไฟสำหรับข้อต่อหุ่นยนต์จึงมีความท้าทายมากกว่าการออกแบบแผงวงจรขับมอเตอร์ขนาดเล็กทั่วไปมาก

 

รูปที่ 6: จะเห็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า TLV767 บนแผงวงจร ร่วมกับตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และส่วนประกอบกำลังไฟฟ้าแรงดันต่ำอื่นๆ อีกหลายชิ้น

โครงสร้างวงจรจ่ายไฟก็ควรค่าแก่การวิเคราะห์เช่นกัน ตัวควบคุมแรงดันไฟต่ำแบบ LDO เช่น TLV767 และตัวเหนี่ยวนำกำลังไฟฟ้าที่ทำเครื่องหมาย "100" สามารถมองเห็นได้บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เมื่อพิจารณาถึงสถานการณ์การใช้งานกับจุดเชื่อมต่อที่มีพิกัด 48V จะสามารถอนุมานได้ว่าระบบแรงดันต่ำไม่น่าจะถูกลดแรงดันจากแรงดันสูงโดยตรงผ่าน LDO เพียงอย่างเดียว แต่จะใช้สถาปัตยกรรมวงจรจ่ายไฟที่คล้ายกับต่อไปนี้แทน:

บัสแรงดันสูง → การแปลงแรงดันแบบสวิตชิ่ง → รางแรงดันต่ำ (5V / 3.3V เป็นต้น) → การควบคุมแรงดันด้วย LDO รอง / การกรองสัญญาณรบกวนเฉพาะจุด

โครงสร้างพลังงานนี้มีความสมเหตุสมผลมากกว่า ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU), ตัวเข้ารหัส (encoder), ตัวขยายสัญญาณสุ่มตัวอย่าง (sampling amplifiers) และตัวรับส่งสัญญาณสื่อสาร (communication transceivers) ต้องการพลังงานแรงดันต่ำที่สะอาดและเสถียร ในขณะที่สวิตช์ MOS และสายเฟสของมอเตอร์สร้างสัญญาณรบกวนสูง หากแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำมีประสิทธิภาพในการป้องกันการรบกวนไม่เพียงพอ ความผิดพลาดแรกที่มักเกิดขึ้นมักไม่ใช่การทำงานผิดปกติของมอเตอร์ แต่เป็นการกระโดดของมุมอย่างกะทันหัน การขาดการเชื่อมต่อสื่อสาร หรือการอ่านค่ากระแสไฟฟ้าสุ่มตัวอย่างที่เปลี่ยนแปลงไป

05 การตรวจจับกระแสและอุณหภูมิ: ข้อต่อหุ่นยนต์ต้องตรวจสอบแรงบิดเอาต์พุตแบบเรียลไทม์

 

รูปที่ 7: ตัวต้านทานตรวจจับค่าต่ำ R001 หลายตัวติดตั้งอยู่ใต้ส่วนจ่ายไฟสามเฟส

ส่วนประกอบ R001 มีความสำคัญอย่างยิ่งในแผงวงจรนี้ โดยเป็นตัวต้านทานตรวจจับค่าต่ำระดับมิลลิโอห์ม (โดยทั่วไป 1 mΩ) ที่ใช้ในการวัดกระแสเฟสของมอเตอร์หรือกระแสบัส การตรวจจับกระแสเป็นหัวใจสำคัญของการควบคุมแบบวงปิดสำหรับข้อต่อของหุ่นยนต์ เนื่องจากแรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์ BLDC มีความสัมพันธ์อย่างมากกับกระแสเฟสของมัน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ตัวควบคุมไม่ได้ "เดา" แรงบิดที่ส่งออกจากข้อต่อ แต่จะคำนวณกระแสไฟฟ้าโดยการวัดแรงดันตกคร่อมเล็กน้อยที่เกิดขึ้นกับตัวต้านทานตรวจจับ:

แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานตรวจจับ → การขยายและการกรอง → การสุ่มตัวอย่าง ADC → การคำนวณกระแส → การควบคุมแรงบิด FOC

ความแม่นยำของวงจรส่งสัญญาณนี้ส่งผลโดยตรงต่อ:

ความแม่นยำในการควบคุมแรงบิด: หากการประมาณค่ากระแสไฟฟ้าไม่แม่นยำ แรงบิดที่ได้ก็จะผิดพลาดไปด้วย

ความราบรื่นที่ความเร็วต่ำ: สัญญาณรบกวนจากการสุ่มตัวอย่างสูงมักทำให้เกิดการสั่นไหวที่ความเร็วต่ำ

ระบบป้องกันกระแสเกิน: การตอบสนองที่ช้าอาจทำให้ MOSFET ไหม้ได้ ในขณะที่การตั้งค่าที่ไวเกินไปจะทำให้เกิดการแจ้งเตือนการป้องกันที่ผิดพลาด

กลยุทธ์การจัดการความร้อน: กระแสไฟฟ้าสูงต่อเนื่องจะทำให้เกิดอุณหภูมิสูงขึ้นพร้อมกันในขดลวดมอเตอร์ MOSFET และตัวต้านทานตรวจจับกระแส

จากมุมมองด้านการจัดวาง การวางตัวต้านทานตรวจจับกระแสไว้ใกล้กับ MOSFET และการเดินสายเฟสจะช่วยลดความยาวของวงจรที่มีกระแสสูง ซึ่งช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิตและข้อผิดพลาดในการสุ่มตัวอย่างได้ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุขนาดเล็กจำนวนมากจะถูกจัดวางไว้ใกล้กับแต่ละเฟส โดยทั่วไปจะใช้สำหรับการหน่วงเกต การกรองการสุ่มตัวอย่าง การรักษาเสถียรภาพของไดรเวอร์ และการแยกส่วนเฉพาะที่

การตรวจจับอุณหภูมิก็มีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน ฉลาก MOTOR NTC แสดงว่ามีเทอร์มิสเตอร์ติดตั้งอยู่ภายในมอเตอร์หรือใกล้กับขดลวด สำหรับข้อต่อของหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ การทำงานที่ความเร็วต่ำแต่แรงบิดสูง การคงท่าไว้เป็นเวลานาน และแรงกระแทกชั่วขณะระหว่างการลุกขึ้นยืนหรือการนั่งยองๆ ล้วนทำให้เกิดอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างมาก NTC ช่วยให้ตัวควบคุมสามารถทำงานหลักๆ สามอย่างโดยอิงจากอุณหภูมิได้:

การจำกัดกระแส: ลดกระแสเอาต์พุตสูงสุดเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น; การลดกำลัง: จำกัดแรงบิดสูงสุดภายใต้ภาระหนักต่อเนื่อง;

ระบบปิดการทำงานเพื่อป้องกันความเสียหาย: เข้าสู่โหมดตรวจจับข้อผิดพลาดเมื่ออุณหภูมิเกินเกณฑ์ความปลอดภัย

นี่เป็นความสามารถพื้นฐานที่ข้อต่อหุ่นยนต์ระดับมืออาชีพต้องมีเช่นกัน หากไม่มีการควบคุมอุณหภูมิแบบวงปิด ข้อต่อจะไม่สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลานาน แม้ว่าจะมีแรงบิดสูงสุดสูงก็ตาม

06 การตรวจจับตำแหน่ง: ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กคู่และเฟืองแปลงมุมการหมุนรอบเดียวเป็นการอ่านค่าตำแหน่งแบบหลายรอบ

หลังจากถอดแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ออกแล้ว จะเห็นโครงสร้างเฟืองขนาดเล็กชุดหนึ่งอยู่ด้านหลัง ชิ้นส่วนเหล่านี้ไม่ใช่เฟืองทดรอบหลัก แต่เป็นกลไกเสริมที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับมุม

 

รูปที่ 8: บริเวณเฟืองและตัวเข้ารหัสแม่เหล็กด้านหลังของแผงควบคุม

 

รูปที่ 9: การหมุนของเพลาตรงกลางทำให้เฟืองตัวเล็กสองตัวที่อยู่ติดกันหมุนไปพร้อมกัน

ในเชิงโครงสร้าง การหมุนของเพลาตรงกลางจะขับเคลื่อนเฟืองขนาดเล็กสองตัว มีการติดตั้งชิ้นส่วนแม่เหล็กไว้ที่กึ่งกลางของเฟืองขนาดเล็กแต่ละตัว โดยมีไอซีตัวเข้ารหัสแม่เหล็กติดตั้งอยู่ในตำแหน่งที่ตรงกันทางด้านหลังของแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กจะวัดการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมของสนามแม่เหล็ก ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นกระจายแสง นอกจากนี้ยังทนต่อการปนเปื้อนของน้ำมันและฝุ่นละอองเล็กน้อย ทำให้เหมาะสำหรับข้อต่อหุ่นยนต์แบบปิดสนิทมากกว่า

 

รูปที่ 10: โครงสร้างแบบเฟืองคู่และตัวเข้ารหัสคู่ช่วยเพิ่มความละเอียดเชิงมุมและทำให้สามารถตรวจจับตำแหน่งการหมุนหลายรอบได้

สิ่งที่โดดเด่นที่สุดในที่นี้คือการกำหนดค่า "เฟืองคู่ + ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กคู่" คุณค่าของมันไม่ได้จำกัดอยู่แค่การเพิ่มเซ็นเซอร์ตัวที่สองเพื่อความแม่นยำที่สูงขึ้นเท่านั้น แต่ยังได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับระบบการเข้ารหัสตำแหน่งสัมบูรณ์แบบหลายรอบอีกด้วย

ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กตัวเดียวสามารถวัดมุมได้อย่างแม่นยำในช่วง 0–360°

อย่างไรก็ตาม ข้อต่ออาจหมุนได้หลายรอบ และตัวเข้ารหัสแบบหมุนรอบเดียวไม่สามารถกำหนดจำนวนรอบการหมุนได้ด้วยตัวเอง

หากเฟืองทั้งสองมีจำนวนฟันหรืออัตราทดเกียร์ที่แตกต่างกัน จะทำให้เกิดความสัมพันธ์แบบคล้ายเวอร์เนียร์

ด้วยการรวมค่าการวัดเชิงมุมทั้งสองเข้าด้วยกัน ตัวควบคุมจะคำนวณตำแหน่งสัมบูรณ์ในช่วงที่กว้างขึ้นมาก

โครงสร้างนี้มอบประโยชน์อย่างมากให้กับหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ หลังจากไฟฟ้าดับ ข้อต่อขา แขน หรือเอวอาจเคลื่อนที่ผิดตำแหน่งเนื่องจากแรงภายนอก เมื่อไฟฟ้ากลับมาทำงานอีกครั้ง ข้อต่อที่ต้องการการเคลื่อนที่เพื่อหาตำแหน่งเริ่มต้นอย่างละเอียดจะทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพและอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัย การตรวจจับตำแหน่งสัมบูรณ์แบบหลายรอบช่วยให้ข้อต่อสามารถดึงข้อมูลท่าทางได้ทันทีที่ไฟฟ้ากลับมาทำงาน