04 محرك الطاقة: يحدد جسر MOS ثلاثي الأطوار سعة عزم الدوران الناتج للمفصل

الشكل 5: يتم توصيل أسلاك المحرك ثلاثي الأطوار بشكل مركزي بقسم طاقة MOS، مع ترتيب مقاومات أخذ العينات والمحركات ومكونات التصفية حولها.

 

صُمم هذا المحرك المشترك لمحركات التيار المستمر عديمة الفرش ثلاثية الأطوار. يتطلب التحكم عالي الأداء في محركات التيار المستمر عديمة الفرش ثلاثية الأطوار عادةً ثلاث جسور نصفية، لتشكيل عاكس ثلاثي الأطوار بستة ترانزستورات MOSFET على الأقل. أجهزة MOSFET متعددة ذات حجم كبيريستطيعيمكن رصدها على لوحة الدوائر المطبوعة المحيطة بنقاط لحام خرج التيار ثلاثي الأطوار، بما يتوافق مع هذه البنية.

 

يمكن تبسيط منطق تشغيل الجسر ثلاثي الأطوار على النحو التالي:

يتم تغذية جهد البطارية أو الناقل عبر P+ و P-؛ يقوم التبديل عالي السرعة للجسور النصفية MOS بتحويل جهد التيار المستمر إلى تيار ثلاثي الأطوار؛

يتدفق التيار ثلاثي الأطوار إلى ملفات المحرك لتوليد مجال مغناطيسي دوار؛ يقوم جهاز التحكم بضبط دورات التشغيل PWM باستمرار بناءً على موضع المشفر وردود الفعل للتيار؛

مما يُمكّن المفصل في نهاية المطاف من إخراج عزم الدوران أو السرعة أو الموضع المستهدف.

سيؤدي سوء تصميم هذا الجزء إلى العديد من المشكلات الشائعة: ارتفاع درجة حرارة ترانزستورات MOS بشكل مفرط، واهتزازات عند السرعات المنخفضة، وتموجات عزم دوران شديدة، وتفعيل خاطئ لحماية التيار الزائد، وتداخل كهرومغناطيسي يؤثر على أجهزة التشفير أو دوائر الاتصال. لهذا السبب، يُعد تصميم لوحة الطاقة لمفاصل الروبوت أكثر صعوبة بكثير من تصميم لوحات تشغيل المحركات الصغيرة العادية.

 

الشكل 6: يمكن رؤية منظم الجهد TLV767 على اللوحة، إلى جانب المحاثات والمكثفات والعديد من مكونات الطاقة ذات الجهد المنخفض.

يستحق مخطط إمداد الطاقة التحليل أيضًا. تظهر منظمات الجهد المنخفض (LDO) مثل TLV767 وملفات الحث التي تحمل علامة "100" على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). وبالنظر إلى سيناريو التطبيق الذي يتضمن وصلات مصنفة بجهد 48 فولت، يُستنتج أنه من غير المرجح أن يتم خفض جهد النظام المنخفض مباشرةً من الجهد العالي عبر منظمات الجهد المنخفض فقط. بدلاً من ذلك، تم اعتماد بنية إمداد طاقة مشابهة لما يلي:

ناقل الجهد العالي ← تحويل خافض للجهد بالتبديل ← خطوط الجهد المنخفض (5 فولت / 3.3 فولت، إلخ) ← تنظيم الجهد المنخفض الثانوي / ترشيح الضوضاء المحلية

يُعدّ تصميم الطاقة هذا أكثر منطقية. فوحدة التحكم الدقيقة، والمشفّر، ومضخمات أخذ العينات، وأجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بالاتصالات، تتطلب طاقة نظيفة ومستقرة ذات جهد منخفض، بينما تُولّد مفاتيح MOS وخطوط طور المحرك ضوضاءً شديدة. إذا كان مصدر الطاقة ذو الجهد المنخفض يفتقر إلى أداء كافٍ لمقاومة التداخل، فإنّ الأعطال الأولى التي تظهر عادةً لا تكون أعطالاً في المحرك، بل قفزات مفاجئة في الزاوية، أو انقطاعات في الاتصال، أو انحرافات في قراءات أخذ عينات التيار.

05 استشعار التيار ودرجة الحرارة: يجب على مفاصل الروبوت مراقبة عزم الدوران الناتج في الوقت الفعلي

 

الشكل 7: توجد مقاومات استشعار R001 متعددة ذات قيمة منخفضة أسفل قسم الطاقة ثلاثي الأطوار.

تُعدّ مكونات R001 أساسية في هذه اللوحة، فهي عبارة عن مقاومات استشعار منخفضة القيمة (1 ملي أوم عادةً) تُستخدم لقياس تيار طور المحرك أو تيار ناقل البيانات. ويُشكّل استشعار التيار جوهر التحكم ذي الحلقة المغلقة لمفاصل الروبوت، حيث يرتبط عزم دوران محرك التيار المستمر بدون فرش ارتباطًا وثيقًا بتيار طوره.

بمعنى آخر، لا يقوم جهاز التحكم "بتخمين" عزم الدوران الناتج عن المفصل؛ بل يقوم بحساب التيار عن طريق قياس انخفاض الجهد الضئيل عبر مقاومات الاستشعار:

انخفاض الجهد عبر مقاومة الاستشعار ← التضخيم والترشيح ← أخذ عينات من محول تناظري رقمي ← حساب التيار ← التحكم في عزم الدوران بتقنية FOC

تؤثر دقة سلسلة الإشارات هذه بشكل مباشر على ما يلي:

دقة التحكم في عزم الدوران: إذا كان التقدير الحالي غير دقيق، فسيكون خرج عزم الدوران غير دقيق.

سلاسة السرعة المنخفضة: تميل ضوضاء أخذ العينات العالية إلى التسبب في اهتزاز عند السرعات المنخفضة.

الحماية من التيار الزائد: قد يؤدي بطء الاستجابة إلى احتراق الترانزستورات MOSFET، بينما تؤدي الإعدادات الحساسة للغاية إلى تشغيل الحماية بشكل خاطئ.

استراتيجية الإدارة الحرارية: يؤدي التيار العالي المستمر إلى ارتفاع درجة الحرارة في ملفات المحرك، وموسفتات، ومقاومات استشعار التيار.

من منظور التصميم، يؤدي وضع مقاومات استشعار التيار بالقرب من ترانزستورات MOSFET وأسلاك الطور إلى تقصير حلقة التيار العالي، مما يساعد على تقليل الحث الطفيلي وأخطاء أخذ العينات. يتم ترتيب عدد كبير من المقاومات والمكثفات الصغيرة بالقرب من كل طور، وتُستخدم عادةً لتخميد البوابة، وترشيح أخذ العينات، واستقرار دائرة القيادة، والفصل الموضعي.

يُعدّ قياس درجة الحرارة أمرًا لا غنى عنه. تشير علامة MOTOR NTC إلى وجود مقاوم حراري مُثبّت داخل المحرك أو بالقرب من ملفاته. بالنسبة لمفاصل الروبوتات الشبيهة بالبشر، فإن التشغيل بسرعات منخفضة وعزم دوران عالٍ، والثبات لفترات طويلة، والصدمات العابرة أثناء الوقوف أو الجلوس، كلها عوامل تُولّد ارتفاعات كبيرة في درجة الحرارة. يُمكّن مُقاوم NTC وحدة التحكم من أداء ثلاث وظائف رئيسية تعتمد على درجة الحرارة:

تحديد التيار: تقليل الحد الأقصى لتيار الخرج مع ارتفاع درجة الحرارة؛ تخفيض القدرة: تحديد الحد الأقصى لعزم الدوران تحت الأحمال الثقيلة المستمرة؛

إيقاف التشغيل الوقائي: يدخل وضع الأعطال بمجرد تجاوز درجة الحرارة عتبة الأمان.

تُعدّ هذه أيضاً قدرة أساسية يجب أن تتمتع بها مفاصل الروبوتات الاحترافية. فبدون نظام تحكم مغلق في درجة الحرارة، لا يمكن للمفصل أن يعمل بكفاءة لفترات طويلة على الرغم من قدرته العالية على توليد عزم الدوران الأقصى.

06 الكشف عن الموضع: تقوم أجهزة التشفير المغناطيسية المزدوجة والتروس بتحويل زوايا الدورة الواحدة إلى قراءات موضع متعددة الدورات

بعد إزالة لوحة الدوائر المطبوعة، يمكن رؤية مجموعة من هياكل التروس الصغيرة على الجانب الخلفي. هذه ليست تروس التخفيض الرئيسية، بل هي آليات مساعدة مصممة لكشف الزاوية.

 

الشكل 8: منطقة التروس والمشفّر المغناطيسي على الجانب الخلفي من لوحة التحكم

 

الشكل 9: دوران العمود المركزي يدفع ترسين متجاورين للدوران بشكل متزامن.

من الناحية الهيكلية، يدور العمود المركزي محركًا للترسين الصغيرين. يوجد مكون مغناطيسي في مركز كل ترس صغير، مع دوائر متكاملة للتشفير المغناطيسي مثبتة في المواضع المتطابقة على الجانب الخلفي من لوحة الدوائر المطبوعة. تقيس أجهزة التشفير المغناطيسية التغيرات الزاوية للمجالات المغناطيسية، مما يلغي الحاجة إلى أقراص محززة بصرية. وهي مقاومة للتلوث الطفيف بالزيت والغبار، مما يجعلها أكثر ملاءمة لمفاصل الروبوت المغلقة بالكامل.

 

الشكل 10: يعمل هيكل التروس المزدوجة والمشفر المزدوج على تحسين الدقة الزاوية ويتيح اكتشاف الموضع متعدد الدورات.

أبرز ما يميز هذا التصميم هو "الترس المزدوج + المشفر المغناطيسي المزدوج". تتجاوز قيمته مجرد إضافة مستشعر ثانٍ لزيادة الدقة؛ فمن المرجح أنه مصمم لتحقيق نظام تشفير موضع مطلق متعدد الدورات.

يقوم جهاز التشفير المغناطيسي الواحد بقياس الزوايا بدقة ضمن نطاق 0-360 درجة؛

ومع ذلك، قد يدور المفصل عدة دورات، ولا يمكن لجهاز التشفير أحادي الدورة تحديد عدد الدورات بمفرده؛

إذا كان للترسين عدد أسنان مختلف أو نسب تروس مختلفة، فإنهما يشكلان علاقة تشبه علاقة الورنية؛

من خلال الجمع بين القراءتين الزاويتين، يقوم جهاز التحكم بحساب الموضع المطلق على نطاق أوسع بكثير.

يُضفي هذا التصميم قيمةً كبيرةً على الروبوتات الشبيهة بالبشر. فبعد انقطاع التيار الكهربائي، قد تتعرض مفاصل الأرجل أو الذراعين أو الخصر للانزياح بفعل قوى خارجية. وعند إعادة تشغيلها، تعاني المفاصل التي تتطلب حركات توجيهية واسعة من انخفاض الكفاءة، ما يُشكل مخاطر على السلامة. ويُمكّن استشعار الوضع المطلق متعدد الدورات المفاصل من استعادة بيانات الوضعية فور عودة التيار الكهربائي.