04 Penggerak Daya: Jembatan MOS 3 Fase Menentukan Kapasitas Torsi Keluaran Sambungan

Gambar 5: Kabel motor tiga fasa terhubung secara sentral ke bagian daya MOS, dengan resistor sampling, driver, dan komponen filter yang disusun di sekitarnya.

 

Penggerak gabungan ini dirancang untuk motor tanpa sikat tiga fasa. Kontrol performa tinggi motor BLDC tiga fasa biasanya membutuhkan tiga setengah jembatan, membentuk inverter tiga fasa dengan minimal enam MOSFET daya. Beberapa perangkat MOS berukuran besar.Bisadapat terlihat pada PCBA di sekitar titik solder keluaran tiga fasa, sesuai dengan arsitektur ini.

 

Logika pengoperasian jembatan tiga fasa dapat disederhanakan sebagai berikut:

Tegangan baterai atau bus dialirkan melalui P+ dan P-; Pengalihan kecepatan tinggi dari jembatan setengah MOS mengubah tegangan DC menjadi arus tiga fasa;

Arus tiga fasa mengalir ke kumparan motor untuk menghasilkan medan magnet berputar; Pengontrol terus menerus menyesuaikan siklus kerja PWM berdasarkan posisi enkoder dan umpan balik arus;

Pada akhirnya memungkinkan sambungan untuk menghasilkan torsi, kecepatan, atau posisi yang ditargetkan.

Desain yang buruk pada bagian ini akan menyebabkan beberapa masalah umum: pemanasan MOS yang berlebihan, jitter kecepatan rendah, riak torsi yang parah, pemicuan proteksi arus berlebih yang salah, dan interferensi EMI yang memengaruhi encoder atau sirkuit komunikasi. Karena alasan ini, desain papan daya untuk sambungan robot jauh lebih menantang daripada desain papan penggerak motor kecil biasa.

 

Gambar 6: Regulator tegangan TLV767 dapat dilihat pada papan sirkuit, bersama dengan induktor, kapasitor, dan beberapa komponen daya tegangan rendah.

Diagram pohon catu daya juga perlu dianalisis. Regulator LDO seperti TLV767 dan induktor daya bertanda "100" terlihat pada PCB. Mempertimbangkan skenario aplikasi sambungan bertegangan 48V, dapat disimpulkan bahwa sistem tegangan rendah kemungkinan besar tidak akan langsung diturunkan dari tegangan tinggi hanya melalui LDO. Sebaliknya, arsitektur catu daya yang mirip dengan berikut ini diadopsi:

Bus tegangan tinggi → Konversi penurun tegangan switching → Rel tegangan rendah (5V / 3.3V, dll.) → Regulasi LDO sekunder / penyaringan kebisingan lokal

Arsitektur daya ini lebih rasional. MCU, encoder, penguat sampling, dan transceiver komunikasi membutuhkan daya tegangan rendah yang bersih dan stabil, sementara sakelar MOS dan jalur fasa motor menghasilkan noise yang intens. Jika catu daya tegangan rendah tidak memiliki kinerja anti-interferensi yang memadai, kesalahan pertama yang muncul biasanya bukan kerusakan motor, tetapi lonjakan sudut yang tiba-tiba, putusnya komunikasi, atau pembacaan sampling arus yang bergeser.

05 Pengukuran Arus & Suhu: Sambungan Robot Harus Memantau Torsi Keluaran Secara Real Time

 

Gambar 7: Beberapa resistor penginderaan nilai rendah R001 terletak di bawah bagian daya tiga fasa.

Komponen R001 sangat penting pada papan ini, mewakili resistor penginderaan bernilai rendah tingkat milliohm (biasanya 1 mΩ) yang digunakan untuk mengukur arus fasa motor atau arus bus. Pengukuran arus merupakan inti dari kontrol loop tertutup untuk sambungan robot, karena torsi keluaran motor BLDC sangat berkorelasi dengan arus fasanya.

Dengan kata lain, pengontrol tidak "menebak" keluaran torsi dari sambungan; melainkan, ia menghitung arus dengan mengukur penurunan tegangan kecil di seluruh resistor penginderaan:

Penurunan tegangan pada resistor pengukur → Penguatan & penyaringan → Pengambilan sampel ADC → Perhitungan arus → Kontrol torsi FOC

Ketepatan rantai sinyal ini secara langsung memengaruhi:

Akurasi Kontrol Torsi: Jika estimasi arus tidak akurat, maka output torsi juga akan tidak akurat.

Kelancaran Kecepatan Rendah: Tingkat kebisingan pengambilan sampel yang tinggi cenderung menyebabkan jitter pada kecepatan rendah.

Proteksi Arus Lebih: Respons yang lambat dapat menyebabkan MOSFET terbakar, sementara pengaturan yang terlalu sensitif mengakibatkan pemicu proteksi palsu.

Strategi Manajemen Termal: Arus tinggi yang berkelanjutan menyebabkan kenaikan suhu secara bersamaan pada kumparan motor, MOSFET, dan resistor pengukur arus.

Dari perspektif tata letak, menempatkan resistor pengukur arus di dekat MOSFET dan pengkabelan fasa memperpendek loop arus tinggi, yang membantu mengurangi induktansi parasit dan kesalahan pengambilan sampel. Sejumlah besar resistor dan kapasitor kecil disusun di dekat setiap fasa, umumnya digunakan untuk peredaman gerbang, penyaringan pengambilan sampel, stabilisasi penggerak, dan dekopling lokal.

Deteksi suhu juga sangat penting. Label MOTOR NTC menunjukkan termistor yang terpasang di dalam motor atau berdekatan dengan kumparan. Untuk sendi robot humanoid, operasi kecepatan rendah dengan torsi tinggi, penahanan statis yang lama, dan benturan sesaat saat berdiri atau jongkok semuanya menghasilkan peningkatan suhu yang signifikan. NTC memungkinkan pengontrol untuk melakukan tiga fungsi utama berbasis suhu:

Pembatasan arus: Mengurangi arus keluaran maksimum seiring kenaikan suhu; Penurunan daya: Membatasi torsi puncak di bawah beban berat yang berkelanjutan;

Penghentian perlindungan: Masuk ke mode kesalahan setelah suhu melebihi ambang batas keamanan.

Ini juga merupakan kemampuan mendasar yang harus dimiliki oleh sambungan robot profesional. Tanpa kontrol suhu tertutup, sambungan tidak dapat beroperasi dengan andal dalam jangka waktu lama meskipun memiliki torsi puncak yang tinggi.

06 Deteksi Posisi: Encoder Magnetik Ganda dan Roda Gigi Mengubah Sudut Putaran Tunggal menjadi Pembacaan Posisi Multi-Putaran

Setelah melepas PCBA, serangkaian struktur roda gigi kecil dapat terlihat di sisi sebaliknya. Ini bukanlah roda gigi reduksi utama, melainkan mekanisme bantu yang dirancang untuk deteksi sudut.

 

Gambar 8: Area roda gigi dan encoder magnetik di sisi belakang papan kontrol

 

Gambar 9: Putaran poros tengah menggerakkan dua roda gigi pinion yang bersebelahan untuk berputar secara sinkron.

Secara struktural, rotasi poros tengah menggerakkan dua roda gigi kecil. Komponen magnetik dipasang di tengah setiap roda gigi kecil, dengan IC encoder magnetik dipasang pada posisi yang sesuai di sisi belakang PCBA. Encoder magnetik mengukur variasi sudut medan magnet, sehingga menghilangkan kebutuhan akan cakram kisi optik. Encoder ini tahan terhadap kontaminasi oli dan debu ringan, sehingga lebih cocok untuk sambungan robot yang tertutup sepenuhnya.

 

Gambar 10: Struktur roda gigi ganda dan encoder ganda meningkatkan resolusi sudut dan memungkinkan deteksi posisi multi-putaran.

Yang paling menonjol di sini adalah konfigurasi "roda gigi ganda + encoder magnetik ganda". Nilainya jauh melampaui sekadar menambahkan sensor kedua untuk akurasi yang lebih tinggi; kemungkinan besar dirancang untuk mewujudkan skema pengkodean posisi absolut multi-putaran:

Sebuah encoder magnetik tunggal secara akurat mengukur sudut dalam rentang 0–360°;

Namun, sebuah sambungan dapat berputar beberapa kali, dan encoder satu putaran tidak dapat menentukan jumlah putaran tersebut dengan sendirinya;

Jika kedua roda gigi tersebut memiliki jumlah gigi atau rasio roda gigi yang berbeda, maka keduanya membentuk korelasi seperti vernier;

Dengan menggabungkan kedua pembacaan sudut tersebut, pengontrol menghitung posisi absolut dalam rentang yang jauh lebih luas.

Struktur ini memberikan nilai tambah yang besar bagi robot humanoid. Setelah daya dimatikan, sendi kaki, lengan, atau pinggang dapat bergeser akibat gaya eksternal. Setelah daya dihidupkan kembali, sendi yang membutuhkan gerakan kembali ke posisi semula yang ekstensif akan mengalami efisiensi rendah dan menimbulkan bahaya keselamatan. Sensor posisi absolut multi-putaran memungkinkan sendi untuk langsung mengambil data postur segera setelah daya dipulihkan.