04 પાવર ડ્રાઇવ: 3-ફેઝ MOS બ્રિજ જોઈન્ટની આઉટપુટ ટોર્ક ક્ષમતા નક્કી કરે છે.

આકૃતિ 5: ત્રણ-તબક્કાના મોટર વાયર MOS પાવર સેક્શન સાથે કેન્દ્રિય રીતે જોડાયેલા છે, જેની આસપાસ સેમ્પલિંગ રેઝિસ્ટર, ડ્રાઇવરો અને ફિલ્ટર ઘટકો ગોઠવાયેલા છે.

 

આ જોઈન્ટ ડ્રાઈવર ત્રણ-તબક્કાના બ્રશલેસ મોટર્સ માટે રચાયેલ છે. ત્રણ-તબક્કાના BLDC મોટર્સના ઉચ્ચ-પ્રદર્શન નિયંત્રણ માટે સામાન્ય રીતે ત્રણ હાફ-બ્રિજની જરૂર પડે છે, જે ઓછામાં ઓછા છ પાવર MOSFETs સાથે ત્રણ-તબક્કાના ઇન્વર્ટર બનાવે છે. બહુવિધ મોટા-પેકેજ MOS ઉપકરણોકરી શકો છોઆ આર્કિટેક્ચર સાથે સુસંગત, ત્રણ-તબક્કાના આઉટપુટ સોલ્ડર પોઈન્ટની આસપાસના PCBA પર જોવા મળે છે.

 

ત્રણ-તબક્કાના પુલના સંચાલન તર્કને નીચે મુજબ સરળ બનાવી શકાય છે:

બેટરી અથવા બસ વોલ્ટેજ P+ અને P- દ્વારા ફીડ કરવામાં આવે છે; MOS હાફ-બ્રિજનું હાઇ-સ્પીડ સ્વિચિંગ DC વોલ્ટેજને ત્રણ-તબક્કાના પ્રવાહમાં રૂપાંતરિત કરે છે;

ફરતું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરવા માટે ત્રણ-તબક્કાનો પ્રવાહ મોટર વિન્ડિંગ્સમાં વહે છે; નિયંત્રક એન્કોડર સ્થિતિ અને વર્તમાન પ્રતિસાદના આધારે PWM ડ્યુટી ચક્રને સતત ગોઠવે છે;

આખરે સાંધાને લક્ષ્ય ટોર્ક, ગતિ અથવા સ્થિતિ આઉટપુટ કરવા સક્ષમ બનાવે છે.

આ વિભાગની નબળી ડિઝાઇન ઘણી લાક્ષણિક સમસ્યાઓ તરફ દોરી જશે: વધુ પડતી MOS ગરમી, ઓછી ગતિનો ધ્રુજારી, ગંભીર ટોર્ક રિપલ, ખોટા ઓવરકરન્ટ પ્રોટેક્શન ટ્રિગરિંગ, અને એન્કોડર અથવા કોમ્યુનિકેશન સર્કિટને અસર કરતી EMI હસ્તક્ષેપ. આ કારણોસર, રોબોટ સાંધા માટે પાવર બોર્ડ ડિઝાઇન સામાન્ય નાના મોટર ડ્રાઇવર બોર્ડ કરતા ઘણી વધુ પડકારજનક છે.

 

આકૃતિ 6: TLV767 વોલ્ટેજ રેગ્યુલેટર બોર્ડ પર ઇન્ડક્ટર, કેપેસિટર્સ અને ઘણા લો-વોલ્ટેજ પાવર ઘટકો સાથે જોઈ શકાય છે.

પાવર સપ્લાય ટ્રીનું પણ વિશ્લેષણ કરવા યોગ્ય છે. PCB પર TLV767 જેવા LDO રેગ્યુલેટર અને "100" ચિહ્નિત પાવર ઇન્ડક્ટર્સ દેખાય છે. 48V-રેટેડ સાંધાના એપ્લિકેશન દૃશ્યને ધ્યાનમાં લેતા, એવું અનુમાન કરી શકાય છે કે લો-વોલ્ટેજ સિસ્ટમ ફક્ત LDOs દ્વારા ઉચ્ચ વોલ્ટેજથી સીધી રીતે નીચે ઉતરવાની શક્યતા નથી. તેના બદલે, નીચેના જેવું પાવર સપ્લાય આર્કિટેક્ચર અપનાવવામાં આવે છે:

હાઇ-વોલ્ટેજ બસ → સ્વિચિંગ સ્ટેપ-ડાઉન કન્વર્ઝન → લો-વોલ્ટેજ રેલ્સ (5V / 3.3V, વગેરે) → ગૌણ LDO નિયમન / સ્થાનિક અવાજ ફિલ્ટરિંગ

આ પાવર આર્કિટેક્ચર વધુ તર્કસંગત છે. MCU, એન્કોડર, સેમ્પલિંગ એમ્પ્લીફાયર અને કોમ્યુનિકેશન ટ્રાન્સસીવર્સને સ્વચ્છ, સ્થિર લો-વોલ્ટેજ પાવરની જરૂર પડે છે, જ્યારે MOS સ્વિચ અને મોટર ફેઝ લાઇન તીવ્ર અવાજ ઉત્પન્ન કરે છે. જો લો-વોલ્ટેજ પાવર સપ્લાયમાં પૂરતો એન્ટિ-ઇન્ટરફરન્સ પર્ફોર્મન્સનો અભાવ હોય, તો ઉદ્ભવતા પ્રથમ ખામીઓ સામાન્ય રીતે મોટર ખામીઓ નથી, પરંતુ અચાનક એંગલ જમ્પ, કોમ્યુનિકેશન ડ્રોપઆઉટ અથવા ડ્રિફ્ટિંગ કરંટ સેમ્પલિંગ રીડિંગ્સ છે.

05 વર્તમાન અને તાપમાન સંવેદના: રોબોટ સાંધાએ વાસ્તવિક સમયમાં આઉટપુટ ટોર્કનું નિરીક્ષણ કરવું આવશ્યક છે

 

આકૃતિ 7: બહુવિધ R001 લો-વેલ્યુ સેન્સ રેઝિસ્ટર ત્રણ-તબક્કાના પાવર સેક્શનની નીચે સ્થિત છે.

આ બોર્ડ પર R001 ઘટકો મહત્વપૂર્ણ છે, જે મોટર ફેઝ કરંટ અથવા બસ કરંટ માપવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા મિલિઓહ્મ-સ્તરના લો-વેલ્યુ સેન્સ રેઝિસ્ટર (સામાન્ય રીતે 1 mΩ)નું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. કરંટ સેન્સિંગ રોબોટ સાંધા માટે ક્લોઝ્ડ-લૂપ કંટ્રોલનો મુખ્ય ભાગ બનાવે છે, કારણ કે BLDC મોટરનો આઉટપુટ ટોર્ક તેના ફેઝ કરંટ સાથે મજબૂત રીતે સંકળાયેલો છે.

બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, કંટ્રોલર જોઈન્ટના ટોર્ક આઉટપુટનો "અનુમાન" લગાવતો નથી; તેના બદલે, તે સેન્સ રેઝિસ્ટર પર નાના વોલ્ટેજ ડ્રોપને માપીને વર્તમાનની ગણતરી કરે છે:

સેન્સ રેઝિસ્ટર પર વોલ્ટેજ ડ્રોપ → એમ્પ્લીફિકેશન અને ફિલ્ટરિંગ → ADC સેમ્પલિંગ → વર્તમાન ગણતરી → FOC ટોર્ક નિયંત્રણ

આ સિગ્નલ ચેઇનની ચોકસાઇ સીધી અસર કરે છે:

ટોર્ક નિયંત્રણ ચોકસાઈ: જો વર્તમાન અંદાજ ખોટો હશે, તો ટોર્ક આઉટપુટ અચોક્કસ હશે.

ઓછી ગતિની સુગમતા: ઉચ્ચ નમૂના લેવાનો અવાજ ઓછી ગતિએ ગભરાટ પેદા કરે છે.

ઓવરકરન્ટ પ્રોટેક્શન: ધીમા પ્રતિભાવથી MOSFETs બર્ન થઈ શકે છે, જ્યારે વધુ પડતી સંવેદનશીલ સેટિંગ્સ ખોટા પ્રોટેક્શન ટ્રિગર્સ તરફ દોરી જાય છે.

થર્મલ મેનેજમેન્ટ સ્ટ્રેટેજી: સતત ઉચ્ચ પ્રવાહ મોટર વિન્ડિંગ્સ, MOSFETs અને કરંટ-સેન્સ રેઝિસ્ટર્સમાં એક સાથે તાપમાનમાં વધારો તરફ દોરી જાય છે.

લેઆઉટના દૃષ્ટિકોણથી, MOSFETs અને ફેઝ વાયરિંગની નજીક કરંટ-સેન્સ રેઝિસ્ટર મૂકવાથી હાઇ-કરંટ લૂપ ટૂંકો થાય છે, જે પરોપજીવી ઇન્ડક્ટન્સ અને સેમ્પલિંગ ભૂલો ઘટાડવામાં મદદ કરે છે. દરેક ફેઝની નજીક મોટી સંખ્યામાં નાના રેઝિસ્ટર અને કેપેસિટર ગોઠવાયેલા હોય છે, જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે ગેટ ડેમ્પિંગ, સેમ્પલિંગ ફિલ્ટરિંગ, ડ્રાઇવર સ્ટેબિલાઇઝેશન અને સ્થાનિક ડીકપ્લિંગ માટે થાય છે.

તાપમાન શોધવું પણ એટલું જ અનિવાર્ય છે. મોટર NTC લેબલ મોટરની અંદર અથવા વિન્ડિંગ્સની બાજુમાં સ્થાપિત થર્મિસ્ટર સૂચવે છે. હ્યુમનૉઇડ રોબોટ સાંધા માટે, ઓછી ગતિવાળા હાઇ-ટોર્ક ઓપરેશન, લાંબા સમય સુધી સ્થિર હોલ્ડિંગ અને ઉભા રહેવા અથવા બેસવા દરમિયાન ક્ષણિક અસર, આ બધા તાપમાનમાં નોંધપાત્ર વધારો પેદા કરે છે. NTC નિયંત્રકને ત્રણ મુખ્ય તાપમાન-આધારિત કાર્યો કરવા સક્ષમ બનાવે છે:

વર્તમાન મર્યાદા: તાપમાન વધે તેમ મહત્તમ આઉટપુટ વર્તમાન ઘટાડો; ઘટાડો: સતત ભારે ભાર હેઠળ ટોચ ટોર્કને કેપ કરો;

રક્ષણાત્મક શટડાઉન: તાપમાન સલામતી થ્રેશોલ્ડ કરતાં વધી જાય પછી ફોલ્ટ મોડમાં પ્રવેશ કરો.

આ એક મૂળભૂત ક્ષમતા પણ છે જે વ્યાવસાયિક રોબોટ સાંધાઓમાં હોવી જોઈએ. તાપમાન બંધ-લૂપ નિયંત્રણ વિના, સાંધા તેના ઉચ્ચ પીક ​​ટોર્ક રેટિંગ હોવા છતાં લાંબા સમય સુધી વિશ્વસનીય રીતે કાર્ય કરી શકતા નથી.

06 પોઝિશન ડિટેક્શન: ડ્યુઅલ મેગ્નેટિક એન્કોડર્સ અને ગિયર્સ સિંગલ-ટર્ન એંગલ્સને મલ્ટી-ટર્ન પોઝિશન રીડિંગ્સમાં રૂપાંતરિત કરે છે

PCBA દૂર કર્યા પછી, પાછળની બાજુએ નાના ગિયર સ્ટ્રક્ચર્સનો સમૂહ જોઈ શકાય છે. આ મુખ્ય રિડક્શન ગિયર્સ નથી, પરંતુ કોણ શોધવા માટે રચાયેલ સહાયક પદ્ધતિઓ છે.

 

આકૃતિ 8: કંટ્રોલ બોર્ડની પાછળની બાજુએ ગિયર અને ચુંબકીય એન્કોડર વિસ્તાર

 

આકૃતિ 9: કેન્દ્રીય શાફ્ટનું પરિભ્રમણ બે અડીને આવેલા પિનિયન ગિયર્સને સુમેળમાં ફેરવવા માટે પ્રેરિત કરે છે.

માળખાકીય રીતે, કેન્દ્રીય શાફ્ટનું પરિભ્રમણ બે નાના ગિયર્સને ચલાવે છે. દરેક નાના ગિયરના કેન્દ્રમાં એક ચુંબકીય ઘટક ફીટ કરવામાં આવે છે, જેમાં PCBA ની પાછળની બાજુએ મેચિંગ પોઝિશન પર ચુંબકીય એન્કોડર IC લગાવવામાં આવે છે. ચુંબકીય એન્કોડર્સ ચુંબકીય ક્ષેત્રોના કોણીય ભિન્નતાને માપે છે, જે ઓપ્ટિકલ ગ્રેટિંગ ડિસ્કની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે. તેઓ નાના તેલ દૂષણ અને ધૂળ પ્રત્યે સહિષ્ણુ છે, જે તેમને સંપૂર્ણપણે બંધ રોબોટ સાંધા માટે વધુ યોગ્ય બનાવે છે.

 

આકૃતિ 10: ડ્યુઅલ-ગિયર અને ડ્યુઅલ-એન્કોડર માળખું કોણીય રિઝોલ્યુશનને સુધારે છે અને મલ્ટી-ટર્ન પોઝિશન ડિટેક્શનને સક્ષમ કરે છે.

અહીં સૌથી વધુ ધ્યાન ખેંચનારી બાબત એ છે કે "ડ્યુઅલ-ગિયર + ડ્યુઅલ મેગ્નેટિક એન્કોડર" રૂપરેખાંકન. તેનું મૂલ્ય ઉચ્ચ ચોકસાઈ માટે ફક્ત બીજા સેન્સર ઉમેરવાથી ઘણું આગળ વધે છે; તે મોટે ભાગે મલ્ટિ-ટર્ન એબ્સોલ્યુટ પોઝિશન એન્કોડિંગ સ્કીમને સાકાર કરવા માટે રચાયેલ છે:

એક જ ચુંબકીય એન્કોડર 0–360° ની અંદરના ખૂણાઓને ચોક્કસ રીતે માપે છે;

છતાં એક સાંધા અનેક પરિભ્રમણો ફેરવી શકે છે, અને સિંગલ-ટર્ન એન્કોડર પોતાની જાતે પરિભ્રમણની સંખ્યા નક્કી કરી શકતું નથી;

જો બે ગિયર્સમાં દાંતની ગણતરી અથવા ગિયર ગુણોત્તર અલગ હોય, તો તેઓ વર્નિયર જેવો સહસંબંધ બનાવે છે;

બે કોણીય રીડિંગ્સને જોડીને, નિયંત્રક ઘણી વિશાળ શ્રેણીમાં સંપૂર્ણ સ્થિતિની ગણતરી કરે છે.

આ રચના હ્યુમનોઇડ રોબોટ્સ માટે ખૂબ મૂલ્યવાન છે. પાવર-ઓફ કર્યા પછી, પગ, હાથ અથવા કમરના સાંધા બાહ્ય દળો દ્વારા વિસ્થાપિત થઈ શકે છે. ફરીથી પાવરિંગ પર, વ્યાપક હોમિંગ હલનચલનની જરૂર હોય તેવા સાંધા ઓછી કાર્યક્ષમતાથી પીડાય છે અને સલામતી માટે જોખમો ઉભા કરે છે. મલ્ટી-ટર્ન એબ્સોલ્યુટ પોઝિશન સેન્સિંગ સાંધાઓને પાવર પુનઃસ્થાપિત થતાંની સાથે જ પોશ્ચર ડેટા તાત્કાલિક પુનઃપ્રાપ્ત કરવાની મંજૂરી આપે છે.