04 Bộ truyền động điện: Cầu MOS 3 pha quyết định khả năng momen xoắn đầu ra của khớp nối

Hình 5: Các dây dẫn của động cơ ba pha được kết nối tập trung với phần công suất MOS, với các điện trở lấy mẫu, mạch điều khiển và các thành phần lọc được bố trí xung quanh.

 

Mạch điều khiển chung này được thiết kế cho động cơ không chổi than ba pha. Việc điều khiển hiệu suất cao cho động cơ BLDC ba pha thường yêu cầu ba bán cầu, tạo thành một bộ biến tần ba pha với tối thiểu sáu MOSFET công suất. Nhiều thiết bị MOS kích thước lớn.Có thểCó thể tìm thấy các điểm hàn đầu ra ba pha trên bo mạch PCBA, phù hợp với kiến ​​trúc này.

 

Nguyên lý hoạt động của cầu chỉnh lưu ba pha có thể được đơn giản hóa như sau:

Điện áp nguồn hoặc điện áp bus được cấp vào qua P+ và P-; Việc chuyển mạch tốc độ cao của các bán cầu MOS chuyển đổi điện áp DC thành dòng điện ba pha;

Dòng điện ba pha chảy vào cuộn dây động cơ để tạo ra từ trường quay; bộ điều khiển liên tục điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ PWM dựa trên vị trí bộ mã hóa và phản hồi dòng điện;

Cuối cùng, điều này cho phép khớp nối tạo ra mô-men xoắn, tốc độ hoặc vị trí mục tiêu.

Thiết kế kém ở phần này sẽ dẫn đến một số vấn đề điển hình: quá nhiệt MOS, rung giật tốc độ thấp, gợn mô-men xoắn nghiêm trọng, kích hoạt bảo vệ quá dòng sai và nhiễu EMI ảnh hưởng đến bộ mã hóa hoặc mạch truyền thông. Vì lý do này, thiết kế bo mạch nguồn cho khớp robot khó khăn hơn nhiều so với các bo mạch điều khiển động cơ nhỏ thông thường.

 

Hình 6: Có thể thấy bộ điều chỉnh điện áp TLV767 trên bo mạch, cùng với các cuộn cảm, tụ điện và một số linh kiện nguồn điện áp thấp khác.

Sơ đồ mạch nguồn cũng đáng được phân tích. Các bộ điều chỉnh điện áp thấp (LDO) như TLV767 và các cuộn cảm công suất được đánh dấu "100" có thể nhìn thấy trên PCB. Xét đến kịch bản ứng dụng của các mối nối có điện áp định mức 48V, có thể suy ra rằng hệ thống điện áp thấp khó có thể được hạ áp trực tiếp từ điện áp cao chỉ thông qua các LDO. Thay vào đó, một kiến ​​trúc nguồn điện tương tự như sau được áp dụng:

Đường dây cao áp → Chuyển mạch hạ áp → Đường ray hạ áp (5V / 3.3V, v.v.) → Điều chỉnh LDO thứ cấp / Lọc nhiễu cục bộ

Kiến trúc nguồn này hợp lý hơn. Vi điều khiển (MCU), bộ mã hóa, bộ khuếch đại lấy mẫu và bộ thu phát tín hiệu yêu cầu nguồn điện áp thấp sạch và ổn định, trong khi các công tắc MOS và đường pha động cơ tạo ra nhiễu mạnh. Nếu nguồn điện áp thấp không có khả năng chống nhiễu tốt, các lỗi đầu tiên thường xuất hiện không phải là trục trặc động cơ, mà là các bước nhảy góc đột ngột, mất tín hiệu hoặc các chỉ số lấy mẫu dòng điện bị trôi lệch.

05 Cảm biến dòng điện và nhiệt độ: Các khớp robot phải giám sát mô-men xoắn đầu ra trong thời gian thực

 

Hình 7: Nhiều điện trở cảm biến giá trị thấp R001 được bố trí bên dưới phần nguồn ba pha.

Các linh kiện R001 rất quan trọng trên bo mạch này, chúng đại diện cho các điện trở cảm biến giá trị thấp ở mức miliôm (thường là 1 mΩ) được sử dụng để đo dòng điện pha của động cơ hoặc dòng điện bus. Việc cảm biến dòng điện tạo thành cốt lõi của điều khiển vòng kín cho các khớp robot, vì mô-men xoắn đầu ra của động cơ BLDC có mối tương quan chặt chẽ với dòng điện pha của nó.

Nói cách khác, bộ điều khiển không "đoán" mô-men xoắn đầu ra của khớp; thay vào đó, nó tính toán dòng điện bằng cách đo độ sụt điện áp nhỏ trên các điện trở cảm biến:

Sụt áp trên điện trở cảm biến → Khuếch đại & lọc → Lấy mẫu ADC → Tính toán dòng điện → Điều khiển mô-men xoắn FOC

Độ chính xác của chuỗi tín hiệu này ảnh hưởng trực tiếp đến:

Độ chính xác điều khiển mô-men xoắn: Nếu ước tính dòng điện không chính xác, mô-men xoắn đầu ra cũng sẽ không chính xác.

Độ mượt ở tốc độ thấp: Độ nhiễu lấy mẫu cao có xu hướng gây ra hiện tượng giật hình ở tốc độ thấp.

Bảo vệ quá dòng: Phản hồi chậm có thể làm cháy MOSFET, trong khi cài đặt quá nhạy có thể dẫn đến kích hoạt bảo vệ sai.

Chiến lược quản lý nhiệt: Dòng điện cao liên tục dẫn đến sự tăng nhiệt đồng thời ở cuộn dây động cơ, MOSFET và điện trở cảm biến dòng điện.

Từ góc độ bố trí mạch, việc đặt các điện trở cảm biến dòng điện gần MOSFET và dây dẫn pha giúp rút ngắn vòng lặp dòng điện cao, từ đó giảm điện cảm ký sinh và sai số lấy mẫu. Một số lượng lớn các điện trở và tụ điện nhỏ được bố trí gần mỗi pha, thường được sử dụng để giảm chấn cổng, lọc lấy mẫu, ổn định mạch điều khiển và tách nhiễu cục bộ.

Việc phát hiện nhiệt độ cũng vô cùng cần thiết. Nhãn MOTOR NTC cho biết một điện trở nhiệt được lắp đặt bên trong động cơ hoặc liền kề với cuộn dây. Đối với các khớp robot hình người, hoạt động ở tốc độ thấp với mô-men xoắn cao, giữ tĩnh trong thời gian dài và tác động tức thời trong quá trình đứng lên hoặc ngồi xổm đều tạo ra sự tăng nhiệt đáng kể. NTC cho phép bộ điều khiển thực hiện ba chức năng chính dựa trên nhiệt độ:

Giới hạn dòng điện: Giảm dòng điện đầu ra tối đa khi nhiệt độ tăng; Giảm công suất định mức: Giới hạn mô-men xoắn cực đại dưới tải nặng kéo dài;

Tắt máy bảo vệ: Chế độ tắt máy sẽ được kích hoạt khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng an toàn.

Đây cũng là một khả năng cơ bản mà các khớp robot chuyên nghiệp phải có. Nếu không có hệ thống điều khiển vòng kín nhiệt độ, khớp sẽ không thể hoạt động ổn định trong thời gian dài mặc dù có mô-men xoắn cực đại cao.

06. Phát hiện vị trí: Bộ mã hóa từ kép và bánh răng chuyển đổi góc quay đơn thành giá trị vị trí đa vòng quay.

Sau khi tháo PCBA, có thể nhìn thấy một tập hợp các cấu trúc bánh răng nhỏ ở mặt sau. Đây không phải là các bộ truyền giảm tốc chính, mà là các cơ cấu phụ trợ được thiết kế để phát hiện góc.

 

Hình 8: Khu vực bánh răng và bộ mã hóa từ tính ở mặt sau của bảng điều khiển.

 

Hình 9: Sự quay của trục trung tâm làm cho hai bánh răng nhỏ liền kề quay đồng bộ.

Về cấu trúc, sự quay của trục trung tâm truyền động cho hai bánh răng nhỏ. Một linh kiện từ tính được lắp đặt ở trung tâm của mỗi bánh răng nhỏ, với các IC mã hóa từ tính được gắn ở các vị trí tương ứng trên mặt sau của bảng mạch in (PCBA). Bộ mã hóa từ tính đo sự thay đổi góc của từ trường, loại bỏ nhu cầu sử dụng đĩa lưới quang học. Chúng có khả năng chịu được sự nhiễm bẩn dầu và bụi nhẹ, do đó phù hợp hơn cho các khớp robot được bao kín hoàn toàn.

 

Hình 10: Cấu trúc bánh răng kép và bộ mã hóa kép cải thiện độ phân giải góc và cho phép phát hiện vị trí đa vòng quay.

Điều nổi bật nhất ở đây là cấu hình "bánh răng kép + bộ mã hóa từ kép". Giá trị của nó vượt xa việc chỉ đơn thuần bổ sung thêm một cảm biến thứ hai để tăng độ chính xác; rất có thể nó được thiết kế để hiện thực hóa sơ đồ mã hóa vị trí tuyệt đối đa vòng quay:

Một bộ mã hóa từ tính duy nhất có thể đo chính xác các góc trong phạm vi 0–360°;

Tuy nhiên, một khớp có thể quay nhiều vòng, và bộ mã hóa một vòng quay không thể tự xác định số vòng quay đó;

Nếu hai bánh răng có số răng hoặc tỷ số truyền khác nhau, chúng sẽ tạo thành một hệ số tương quan kiểu thước kẹp Vernier;

Bằng cách kết hợp hai giá trị góc đo được, bộ điều khiển tính toán vị trí tuyệt đối trên một phạm vi rộng hơn nhiều.

Cấu trúc này mang lại giá trị to lớn cho robot hình người. Sau khi tắt nguồn, các khớp chân, tay hoặc eo có thể bị lệch do lực tác động từ bên ngoài. Khi khởi động lại nguồn, các khớp cần chuyển động định vị nhiều sẽ hoạt động kém hiệu quả và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn. Cảm biến vị trí tuyệt đối đa vòng quay cho phép các khớp ngay lập tức thu thập dữ liệu tư thế ngay khi nguồn điện được khôi phục.