04 Leistungsantrieb: Die 3-Phasen-MOS-Brücke bestimmt die Drehmomentkapazität der Verbindung

Abbildung 5: Die Drehstrommotorleitungen sind zentral mit dem MOS-Leistungsteil verbunden, um den herum Abtastwiderstände, Treiber und Filterkomponenten angeordnet sind.

 

Dieser gemeinsame Treiber ist für dreiphasige bürstenlose Motoren ausgelegt. Die leistungsstarke Ansteuerung dreiphasiger BLDC-Motoren erfordert typischerweise drei Halbbrücken, die einen dreiphasigen Wechselrichter mit mindestens sechs Leistungs-MOSFETs bilden. Mehrere großformatige MOS-BauelementedürfenSie sollten auf der Leiterplatte rund um die dreiphasigen Ausgangslötstellen zu sehen sein, was mit dieser Architektur übereinstimmt.

 

Die Funktionslogik der Dreiphasenbrücke kann wie folgt vereinfacht werden:

Die Batterie- oder Busspannung wird über P+ und P- eingespeist; die Hochgeschwindigkeitsschaltung von MOS-Halbbrücken wandelt die Gleichspannung in Dreiphasenstrom um;

Der dreiphasige Strom fließt in die Motorwicklungen, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen; Der Regler passt die PWM-Tastverhältnisse kontinuierlich auf Basis der Encoderposition und der Stromrückmeldung an;

Dadurch wird es dem Gelenk letztendlich ermöglicht, das gewünschte Drehmoment, die gewünschte Geschwindigkeit oder Position zu erreichen.

Eine mangelhafte Auslegung dieses Bereichs führt zu mehreren typischen Problemen: übermäßige Erwärmung der MOSFETs, Drehzahljitter, starkes Drehmomentwelligkeit, Fehlauslösungen des Überstromschutzes und elektromagnetische Störungen, die Encoder oder Kommunikationsschaltungen beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von Stromversorgungsplatinen für Robotergelenke deutlich anspruchsvoller als die von herkömmlichen kleinen Motortreiberplatinen.

 

Abbildung 6: Auf der Platine ist der Spannungsregler TLV767 zusammen mit Induktivitäten, Kondensatoren und verschiedenen Niederspannungs-Leistungskomponenten zu sehen.

Der Aufbau der Stromversorgung ist ebenfalls analysierenswert. LDO-Regler wie der TLV767 und mit „100“ gekennzeichnete Leistungsinduktivitäten sind auf der Leiterplatte sichtbar. Angesichts der Anwendung mit 48-V-Verbindungen lässt sich vermuten, dass die Niederspannung des Systems nicht direkt über LDOs von der Hochspannung heruntertransformiert wird. Stattdessen kommt eine Stromversorgungsarchitektur ähnlich der folgenden zum Einsatz:

Hochspannungsbus → Schaltregler → Niederspannungsschienen (5 V / 3,3 V usw.) → Sekundäre LDO-Regelung / lokale Rauschfilterung

Diese Stromversorgungsarchitektur ist rationaler. Der Mikrocontroller, der Encoder, die Abtastverstärker und die Kommunikationstransceiver benötigen eine saubere, stabile Niederspannungsversorgung, während die MOS-Schalter und die Motorphasenleitungen starkes Rauschen erzeugen. Reicht die Störfestigkeit der Niederspannungsversorgung nicht aus, treten als erste Fehler meist nicht Motorstörungen auf, sondern abrupte Winkelsprünge, Kommunikationsausfälle oder driftende Strommesswerte.

05 Strom- und Temperaturmessung: Robotergelenke müssen das Ausgangsdrehmoment in Echtzeit überwachen

 

Abbildung 7: Mehrere R001-Messwiderstände mit niedrigem Wert befinden sich unterhalb des dreiphasigen Leistungsteils.

Die Bauteile R001 sind auf dieser Platine von entscheidender Bedeutung. Sie stellen niederohmige Messwiderstände im Milliohm-Bereich (typischerweise 1 mΩ) dar, die zur Messung des Motorphasenstroms oder des Busstroms verwendet werden. Die Strommessung ist die Grundlage der Regelung von Robotergelenken, da das Ausgangsdrehmoment eines BLDC-Motors stark mit seinem Phasenstrom korreliert.

Anders ausgedrückt: Der Regler "schätzt" das Drehmoment des Gelenks nicht; stattdessen berechnet er den Strom, indem er den winzigen Spannungsabfall an den Messwiderständen misst:

Spannungsabfall am Messwiderstand → Verstärkung und Filterung → ADC-Abtastung → Stromberechnung → FOC-Drehmomentregelung

Die Präzision dieser Signalkette hat direkten Einfluss auf:

Genauigkeit der Drehmomentregelung: Wenn die Stromschätzung ungenau ist, ist auch das Drehmomentausgangsdrehmoment ungenau.

Glättung bei niedrigen Geschwindigkeiten: Hohes Abtastrauschen neigt dazu, bei niedrigen Geschwindigkeiten zu Jitter zu führen.

Überstromschutz: Eine zu langsame Reaktion kann MOSFETs durchbrennen lassen, während zu empfindliche Einstellungen zu Fehlauslösungen des Schutzes führen.

Thermische Managementstrategie: Anhaltend hoher Strom führt zu einem gleichzeitigen Temperaturanstieg in den Motorwicklungen, MOSFETs und Strommesswiderständen.

Aus Layout-Sicht verkürzt die Platzierung von Strommesswiderständen nahe an MOSFETs und Phasenverdrahtungen die Hochstromschleife, wodurch parasitäre Induktivitäten und Abtastfehler reduziert werden. Zahlreiche kleine Widerstände und Kondensatoren sind in der Nähe jeder Phase angeordnet und dienen üblicherweise der Gate-Dämpfung, Abtastfilterung, Treiberstabilisierung und lokalen Entkopplung.

Die Temperaturüberwachung ist ebenso unerlässlich. Die Bezeichnung MOTOR NTC kennzeichnet einen im Motor oder in der Nähe der Wicklungen installierten Thermistor. Bei Gelenken humanoider Roboter führen Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment, längeres statisches Halten sowie kurzzeitige Stöße beim Aufstehen oder Hocken zu erheblichen Temperaturanstiegen. Der NTC ermöglicht dem Controller die Ausführung dreier wichtiger temperaturabhängiger Funktionen:

Strombegrenzung: Reduzierung des maximalen Ausgangsstroms bei steigender Temperatur; Leistungsreduzierung: Begrenzung des Spitzendrehmoments bei dauerhaft hoher Last;

Schutzabschaltung: Schaltet in den Fehlermodus, sobald die Temperatur den Sicherheitsschwellenwert überschreitet.

Dies ist eine grundlegende Fähigkeit, die professionelle Robotergelenke aufweisen müssen. Ohne eine geschlossene Temperaturregelung kann das Gelenk trotz seiner hohen maximalen Drehmomentbelastbarkeit nicht über längere Zeiträume zuverlässig funktionieren.

06 Positionserkennung: Zwei magnetische Drehgeber und Zahnräder wandeln Einzelumdrehungswinkel in Mehrumdrehungs-Positionsmesswerte um

Nach dem Entfernen der Leiterplatte (PCBA) sind auf der Rückseite kleine Zahnradstrukturen sichtbar. Dabei handelt es sich nicht um die Hauptgetriebe, sondern um Hilfsmechanismen zur Winkelerkennung.

 

Abbildung 8: Zahnrad- und Magnetgeberbereich auf der Rückseite der Steuerplatine

 

Abbildung 9: Die Drehung der zentralen Welle versetzt die beiden benachbarten Ritzel in synchrone Rotation.

Die Rotation der zentralen Welle treibt die beiden kleinen Zahnräder an. In der Mitte jedes Zahnrads befindet sich ein Magnet, und auf der Rückseite der Leiterplatte sind an den entsprechenden Positionen magnetische Encoder-ICs montiert. Magnetische Encoder messen Winkeländerungen von Magnetfeldern, wodurch optische Gitterscheiben überflüssig werden. Sie sind unempfindlich gegenüber geringfügigen Öl- und Staubverunreinigungen und eignen sich daher besonders für vollständig geschlossene Robotergelenke.

 

Abbildung 10: Die Doppelzahnrad- und Doppelencoderstruktur verbessert die Winkelauflösung und ermöglicht die Positionserkennung bei mehreren Umdrehungen.

Besonders hervorzuheben ist hier die Konfiguration „Doppelgetriebe + doppelter magnetischer Encoder“. Ihr Nutzen geht weit über das bloße Hinzufügen eines zweiten Sensors für höhere Genauigkeit hinaus; sie ist höchstwahrscheinlich so konstruiert, dass sie ein Mehrumdrehungs-Absolutpositionscodierungssystem realisiert:

Ein einzelner magnetischer Encoder misst Winkel präzise im Bereich von 0 bis 360°;

Ein Gelenk kann jedoch mehrere Umdrehungen ausführen, und ein Einzeldrehgeber kann die Anzahl der Umdrehungen nicht selbstständig bestimmen;

Wenn die beiden Zahnräder unterschiedliche Zähnezahlen oder Übersetzungsverhältnisse aufweisen, bilden sie eine noni-ähnliche Korrelation;

Durch die Kombination der beiden Winkelmesswerte berechnet der Regler die absolute Position über einen wesentlich größeren Bereich.

Diese Konstruktion bietet humanoiden Robotern einen großen Mehrwert. Nach einem Stromausfall können die Gelenke der Beine, Arme oder der Taille durch äußere Kräfte verschoben werden. Beim Wiedereinschalten der Stromversorgung weisen Gelenke, die umfangreiche Referenzbewegungen benötigen, eine geringe Effizienz auf und stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Die absolute Positionserfassung mit mehreren Umdrehungen ermöglicht es den Gelenken, ihre Positionsdaten sofort nach der Wiederherstellung der Stromversorgung abzurufen.