04 Azionamento di potenza: il ponte MOS trifase determina la capacità di coppia in uscita del giunto

Figura 5: I fili del motore trifase sono collegati centralmente alla sezione di potenza MOS, con resistori di campionamento, driver e componenti di filtro disposti attorno ad essa.

 

Questo driver congiunto è progettato per motori brushless trifase. Il controllo ad alte prestazioni dei motori BLDC trifase richiede in genere tre semiponti, che formano un inverter trifase con un minimo di sei MOSFET di potenza. Dispositivi MOS multipli di grandi dimensioniPotereessere individuati sulla scheda PCBA attorno ai punti di saldatura dell'uscita trifase, in linea con questa architettura.

 

La logica di funzionamento del ponte trifase può essere semplificata come segue:

La tensione della batteria o del bus viene fornita tramite P+ e P-; la commutazione ad alta velocità dei semiponti MOS converte la tensione CC in corrente trifase;

La corrente trifase fluisce negli avvolgimenti del motore per generare un campo magnetico rotante; il controllore regola continuamente i cicli di lavoro PWM in base alla posizione dell'encoder e al feedback di corrente;

In definitiva, ciò consente all'articolazione di erogare la coppia, la velocità o la posizione desiderate.

Una progettazione inadeguata di questa sezione porterà a diversi problemi tipici: eccessivo riscaldamento dei MOS, jitter a bassa velocità, forte ondulazione della coppia, falsi allarmi di protezione da sovracorrente e interferenze elettromagnetiche che interessano gli encoder o i circuiti di comunicazione. Per questo motivo, la progettazione delle schede di alimentazione per le articolazioni robotiche è molto più complessa rispetto a quella delle normali schede di controllo per piccoli motori.

 

Figura 6: Il regolatore di tensione TLV767 è visibile sulla scheda, insieme a induttori, condensatori e diversi componenti di potenza a bassa tensione.

Vale la pena analizzare anche l'albero di alimentazione. Sul PCB sono visibili regolatori LDO come il TLV767 e induttori di potenza contrassegnati con "100". Considerando lo scenario applicativo di giunzioni con tensione nominale di 48 V, si può dedurre che è improbabile che il sistema a bassa tensione venga ridotto direttamente dall'alta tensione esclusivamente tramite LDO. Al contrario, viene adottata un'architettura di alimentazione simile alla seguente:

Bus ad alta tensione → Conversione step-down a commutazione → Linee a bassa tensione (5V / 3,3V, ecc.) → Regolazione LDO secondaria / filtraggio locale del rumore

Questa architettura di alimentazione è più razionale. La MCU, l'encoder, gli amplificatori di campionamento e i ricetrasmettitori di comunicazione richiedono un'alimentazione a bassa tensione pulita e stabile, mentre gli interruttori MOS e le linee di fase del motore generano un rumore intenso. Se l'alimentatore a bassa tensione non offre prestazioni anti-interferenza sufficienti, i primi guasti che si manifestano di solito non sono malfunzionamenti del motore, ma bruschi salti angolari, interruzioni di comunicazione o letture di campionamento della corrente instabili.

05 Rilevamento di corrente e temperatura: le articolazioni del robot devono monitorare la coppia in uscita in tempo reale

 

Figura 7: Diversi resistori di rilevamento a basso valore R001 sono posizionati sotto la sezione di potenza trifase.

I componenti R001 sono fondamentali su questa scheda, in quanto rappresentano resistori di rilevamento di basso valore dell'ordine dei milliohm (tipicamente 1 mΩ) utilizzati per misurare la corrente di fase del motore o la corrente del bus. Il rilevamento della corrente costituisce il fulcro del controllo ad anello chiuso per le articolazioni del robot, poiché la coppia in uscita di un motore BLDC è fortemente correlata alla sua corrente di fase.

In altre parole, il controller non "indovina" la coppia erogata dall'articolazione; calcola invece la corrente misurando la piccola caduta di tensione ai capi delle resistenze di rilevamento:

Caduta di tensione attraverso il resistore di rilevamento → Amplificazione e filtraggio → Campionamento ADC → Calcolo della corrente → Controllo della coppia FOC

La precisione di questa catena di segnalazione influisce direttamente su:

Precisione del controllo della coppia: se la stima corrente è imprecisa, anche la coppia in uscita sarà imprecisa.

Fluidità a bassa velocità: un elevato rumore di campionamento tende a causare jitter a basse velocità.

Protezione da sovracorrente: una risposta lenta può bruciare i MOSFET, mentre impostazioni eccessivamente sensibili provocano falsi allarmi di protezione.

Strategia di gestione termica: una corrente elevata e prolungata provoca un aumento simultaneo della temperatura negli avvolgimenti del motore, nei MOSFET e nelle resistenze di rilevamento della corrente.

Dal punto di vista del layout, posizionare le resistenze di rilevamento della corrente vicino ai MOSFET e al cablaggio di fase accorcia il circuito ad alta corrente, contribuendo a ridurre l'induttanza parassita e gli errori di campionamento. Un gran numero di piccole resistenze e condensatori sono disposti vicino a ciascuna fase e sono generalmente utilizzati per lo smorzamento del gate, il filtraggio del campionamento, la stabilizzazione del driver e il disaccoppiamento locale.

Il rilevamento della temperatura è altrettanto indispensabile. L'etichetta MOTOR NTC indica la presenza di un termistore installato all'interno del motore o in prossimità degli avvolgimenti. Per le articolazioni dei robot umanoidi, il funzionamento a bassa velocità e coppia elevata, il mantenimento statico prolungato e gli impatti transitori durante l'alzarsi o l'accovacciarsi generano tutti aumenti di temperatura considerevoli. L'NTC consente al controller di eseguire tre funzioni chiave basate sulla temperatura:

Limitazione di corrente: riduce la corrente di uscita massima all'aumentare della temperatura; Declassamento: limita la coppia di picco sotto carichi pesanti prolungati;

Arresto di protezione: entra in modalità di guasto quando la temperatura supera la soglia di sicurezza.

Questa è anche una capacità fondamentale che i giunti robotici professionali devono possedere. Senza un controllo a circuito chiuso della temperatura, il giunto non può funzionare in modo affidabile per periodi prolungati, nonostante l'elevata coppia di picco.

06 Rilevamento della posizione: doppi encoder magnetici e ingranaggi convertono gli angoli di rotazione singola in letture di posizione a più giri

Dopo aver rimosso la scheda PCBA, sul lato posteriore è possibile osservare una serie di piccole strutture a ingranaggi. Queste non sono le principali ruote di riduzione, bensì meccanismi ausiliari progettati per il rilevamento dell'angolo.

 

Figura 8: Area degli ingranaggi e dell'encoder magnetico sul lato posteriore della scheda di controllo.

 

Figura 9: La rotazione dell'albero centrale fa ruotare in modo sincrono i due pignoni adiacenti.

Strutturalmente, la rotazione dell'albero centrale aziona i due piccoli ingranaggi. Un componente magnetico è montato al centro di ciascun piccolo ingranaggio, con circuiti integrati encoder magnetici posizionati nelle rispettive sedi sul lato posteriore del PCBA. Gli encoder magnetici misurano le variazioni angolari dei campi magnetici, eliminando la necessità di dischi a reticolo ottico. Sono resistenti a piccole contaminazioni da olio e polvere, il che li rende più adatti per giunti robotici completamente chiusi.

 

Figura 10: La struttura a doppio ingranaggio e doppio encoder migliora la risoluzione angolare e consente il rilevamento della posizione su più giri.

Ciò che spicca maggiormente è la configurazione "doppio ingranaggio + doppio encoder magnetico". Il suo valore va ben oltre la semplice aggiunta di un secondo sensore per una maggiore precisione; è molto probabilmente progettata per realizzare uno schema di codifica della posizione assoluta a più giri:

Un singolo encoder magnetico misura con precisione gli angoli entro 0–360°;

Tuttavia, un giunto può compiere più giri e un encoder a giro singolo non è in grado di determinare autonomamente il numero di rotazioni;

Se i due ingranaggi presentano un numero di denti o un rapporto di trasmissione diverso, si forma una correlazione di tipo nonio;

Combinando le due letture angolari, il controllore calcola la posizione assoluta su un intervallo molto più ampio.

Questa struttura offre un grande valore aggiunto ai robot umanoidi. Dopo un'interruzione di corrente, le articolazioni di gambe, braccia o vita possono essere spostate da forze esterne. Al ripristino dell'alimentazione, le articolazioni che richiedono ampi movimenti di ritorno alla posizione iniziale presentano una bassa efficienza e rappresentano un rischio per la sicurezza. Il rilevamento della posizione assoluta multi-giro consente alle articolazioni di recuperare istantaneamente i dati di postura non appena viene ripristinata l'alimentazione.