04 Acionamento de Potência: A Ponte MOS Trifásica Determina a Capacidade de Torque de Saída da Junta

Figura 5: Os fios do motor trifásico estão conectados centralmente à seção de potência MOS, com resistores de amostragem, drivers e componentes de filtro dispostos ao redor.

 

Este driver conjunto foi projetado para motores brushless trifásicos. O controle de alto desempenho de motores BLDC trifásicos normalmente requer três meias-pontes, formando um inversor trifásico com no mínimo seis MOSFETs de potência. Vários dispositivos MOS de encapsulamento grande.podepodem ser identificados na placa de circuito impresso (PCBA) ao redor dos pontos de solda da saída trifásica, o que é consistente com essa arquitetura.

 

A lógica de funcionamento da ponte trifásica pode ser simplificada da seguinte forma:

A tensão da bateria ou do barramento é fornecida através de P+ e P-; a comutação de alta velocidade das meias-pontes MOS converte a tensão CC em corrente trifásica;

A corrente trifásica flui para os enrolamentos do motor para gerar um campo magnético rotativo; o controlador ajusta continuamente os ciclos de trabalho PWM com base na posição do encoder e no feedback de corrente;

Em última análise, isso permite que a junta produza o torque, a velocidade ou a posição desejados.

Um projeto inadequado desta seção levará a diversos problemas típicos: superaquecimento do MOSFET, oscilação em baixa velocidade, ondulação severa do torque, acionamento falso da proteção contra sobrecorrente e interferência eletromagnética afetando encoders ou circuitos de comunicação. Por esse motivo, o projeto de placas de alimentação para juntas de robôs é muito mais complexo do que o de placas de acionamento de motores pequenos comuns.

 

Figura 6: O regulador de tensão TLV767 pode ser visto na placa, juntamente com indutores, capacitores e vários componentes de potência de baixa tensão.

A árvore de alimentação também merece ser analisada. Reguladores LDO, como o TLV767, e indutores de potência marcados com "100" são visíveis na placa de circuito impresso. Considerando o cenário de aplicação de juntas com tensão nominal de 48 V, pode-se inferir que é improvável que o sistema de baixa tensão seja reduzido diretamente da alta tensão apenas por meio de LDOs. Em vez disso, adota-se uma arquitetura de alimentação semelhante à seguinte:

Barramento de alta tensão → Conversão abaixadora por comutação → Trilhos de baixa tensão (5V / 3,3V, etc.) → Regulação secundária por LDO / filtragem local de ruído

Essa arquitetura de energia é mais racional. O microcontrolador (MCU), o encoder, os amplificadores de amostragem e os transceptores de comunicação requerem uma alimentação de baixa tensão limpa e estável, enquanto as chaves MOS e as linhas de fase do motor geram ruído intenso. Se a fonte de alimentação de baixa tensão não tiver desempenho anti-interferência suficiente, as primeiras falhas que surgirem geralmente não serão mau funcionamento do motor, mas saltos angulares abruptos, quedas de comunicação ou leituras de amostragem de corrente instáveis.

05 Sensoriamento de Corrente e Temperatura: As juntas do robô devem monitorar o torque de saída em tempo real.

 

Figura 7: Vários resistores de detecção de baixo valor R001 estão localizados abaixo da seção de potência trifásica.

Os componentes R001 são críticos nesta placa, representando resistores de detecção de baixo valor (tipicamente 1 mΩ) na faixa de miliohms, usados ​​para medir a corrente de fase do motor ou a corrente do barramento. A detecção de corrente é fundamental para o controle em malha fechada das juntas do robô, visto que o torque de saída de um motor BLDC está fortemente correlacionado com sua corrente de fase.

Em outras palavras, o controlador não "adivinham" o torque de saída da junta; em vez disso, ele calcula a corrente medindo a pequena queda de tensão nos resistores de detecção:

Queda de tensão no resistor de detecção → Amplificação e filtragem → Amostragem do ADC → Cálculo de corrente → Controle de torque FOC

A precisão dessa cadeia de sinal afeta diretamente:

Precisão do controle de torque: Se a estimativa de corrente for imprecisa, a saída de torque também será imprecisa.

Suavidade em baixa velocidade: Ruídos de amostragem elevados tendem a causar oscilações em baixas velocidades.

Proteção contra sobrecorrente: Uma resposta lenta pode queimar os MOSFETs, enquanto configurações excessivamente sensíveis resultam em acionamentos falsos da proteção.

Estratégia de gerenciamento térmico: Correntes elevadas e contínuas levam ao aumento simultâneo da temperatura nos enrolamentos do motor, nos MOSFETs e nos resistores de detecção de corrente.

Do ponto de vista do layout, posicionar resistores de detecção de corrente próximos aos MOSFETs e à fiação de fase encurta o circuito de alta corrente, o que ajuda a reduzir a indutância parasita e os erros de amostragem. Um grande número de resistores e capacitores de pequeno porte são dispostos próximos a cada fase, geralmente usados ​​para amortecimento de gate, filtragem de amostragem, estabilização do driver e desacoplamento local.

A detecção de temperatura é igualmente indispensável. A etiqueta MOTOR NTC indica um termistor instalado dentro do motor ou próximo aos enrolamentos. Para articulações de robôs humanoides, a operação em baixa velocidade e alto torque, a sustentação estática prolongada e o impacto transitório durante o ato de levantar ou agachar geram aumentos substanciais de temperatura. O NTC permite que o controlador execute três funções principais baseadas na temperatura:

Limitação de corrente: Reduz a corrente máxima de saída à medida que a temperatura aumenta; Redução de potência: Limita o torque máximo sob cargas pesadas sustentadas;

Desligamento de proteção: Entra em modo de falha quando a temperatura ultrapassa o limite de segurança.

Essa também é uma capacidade fundamental que as juntas de robôs profissionais devem possuir. Sem o controle de temperatura em circuito fechado, a junta não consegue operar de forma confiável por períodos prolongados, apesar de sua alta capacidade de torque máximo.

06 Detecção de Posição: Codificadores magnéticos duplos e engrenagens convertem ângulos de volta única em leituras de posição de múltiplas voltas

Após a remoção da placa de circuito impresso (PCBA), um conjunto de pequenas estruturas de engrenagem pode ser visto no lado oposto. Estas não são as engrenagens redutoras principais, mas sim mecanismos auxiliares projetados para a detecção de ângulo.

 

Figura 8: Área da engrenagem e do codificador magnético no lado oposto da placa de controle.

 

Figura 9: A rotação do eixo central aciona as duas engrenagens pinhão adjacentes, fazendo-as girar sincronizadamente.

Estruturalmente, a rotação do eixo central aciona as duas pequenas engrenagens. Um componente magnético é instalado no centro de cada engrenagem pequena, com circuitos integrados de encoders magnéticos montados nas posições correspondentes na parte traseira da placa de circuito impresso. Os encoders magnéticos medem as variações angulares dos campos magnéticos, eliminando a necessidade de discos de grade óptica. Eles são tolerantes a pequenas contaminações por óleo e poeira, tornando-os mais adequados para juntas robóticas totalmente fechadas.

 

Figura 10: A estrutura de engrenagem dupla e codificador duplo melhora a resolução angular e permite a detecção de posição em múltiplas voltas.

O que mais se destaca aqui é a configuração de "engrenagem dupla + codificador magnético duplo". Seu valor vai muito além da simples adição de um segundo sensor para maior precisão; é muito provável que tenha sido projetada para implementar um esquema de codificação de posição absoluta de múltiplas voltas:

Um único codificador magnético mede com precisão ângulos entre 0 e 360°;

No entanto, uma junta pode realizar múltiplas rotações, e um codificador de volta única não consegue determinar o número de rotações por si só;

Se as duas engrenagens apresentarem números de dentes ou relações de transmissão diferentes, elas formarão uma correlação semelhante à de um vernier;

Ao combinar as duas leituras angulares, o controlador calcula a posição absoluta em uma faixa muito maior.

Essa estrutura oferece grande valor aos robôs humanoides. Após o desligamento, as articulações das pernas, braços ou cintura podem ser deslocadas por forças externas. Ao religar a energia, as articulações que exigem movimentos extensos de retorno à posição inicial sofrem com baixa eficiência e representam riscos à segurança. O sensor de posição absoluta multirrotacional permite que as articulações recuperem instantaneamente os dados de postura assim que a energia for restaurada.