०१ निष्कर्ष: हा एक अत्यंत एकात्मिक मेकाट्रॉनिक ॲक्ट्युएटर आहे.
केवळ बाह्य स्वरूपावरून पाहता, हा सांधा एका जाड धातूच्या दंडगोलासारखा दिसतो. तथापि, एकदा त्याचे भाग वेगळे केल्यावर, खालील संक्षिप्त उपप्रणालींना एकत्रित करणारे एक संपूर्ण रोबोटिक गती एकक असल्याचे दिसून येते:
- ब्रशलेस मोटर: विद्युत ऊर्जेचे रोटेशनल टॉर्कमध्ये रूपांतर करते
- रिडक्शन मेकॅनिझम: मोटरच्या उच्च-गती कमी टॉर्कचे जॉइंटसाठी कमी-गती उच्च टॉर्कमध्ये रूपांतर करते.
- एमओएस पॉवर ड्रायव्हर: तीन-फेज मोटरला नियंत्रित करण्यायोग्य विद्युत प्रवाह पुरवतो.
- मुख्य नियंत्रण एमसीयू: मोटर नियंत्रण, सिग्नल सॅम्पलिंग, संप्रेषण आणि संरक्षण लॉजिक कार्यान्वित करतो.
- वर्तमान सॅम्पलिंग: आउटपुट टॉर्कचा अंदाज लावते आणि FOC नियंत्रणासाठी पाया म्हणून काम करते.
- चुंबकीय एन्कोडर: फिरण्याचा कोन आणि अनेक फेऱ्यांची स्थिती ओळखतो
- NTC तापमान सेन्सर: मोटरच्या औष्णिक स्थितीचे निरीक्षण करतो.
- कम्युनिकेशन आणि डीबगिंग इंटरफेस: संपूर्ण रोबोट नियंत्रण नेटवर्कशी जोडला जातो आणि फॅक्टरी चाचणी व देखभालीस समर्थन देतो.
- धातूचे आवरण आणि आउटपुट फ्लॅंज: रोबोटच्या हालचालीदरम्यान संरचनात्मक भार सहन करते.
मानवी रोबोटचे सांधे आणि सामान्य मोटर्स यांच्यातील हा सर्वात मोठा फरक आहे: सामान्य मोटर्सना फक्त फिरण्याची गरज असते, तर रोबोटच्या सांध्यांना त्यांचे स्थान, आउटपुट टॉर्क, कार्यरत तापमानाची सुरक्षितता स्थिती आणि उर्वरित आउटपुट क्षमता यांची सतत माहिती असणे आवश्यक असते.
०२ स्वरूप आणि रचना: पोकळ शाफ्ट, धातूचे आवरण आणि उच्च-कठोरतेचे आउटपुट एंड
आकृती २: जॉइंटच्या पुढच्या बाजूला दाट स्क्रूंनी घट्ट केलेला मोठ्या आकाराचा आउटपुट एंड वापरला आहे, ज्याच्या मध्यभागी एक थ्रू होल ठेवलेला आहे.
सर्वात लक्षणीय बाह्य वैशिष्ट्य म्हणजे मध्यभागी असलेले आरपार जाणारे छिद्र. ही रचना केवळ सजावटीसाठी नाही; तर ती रोबोटच्या संपूर्ण डिझाइनसाठी अत्यंत व्यावहारिक फायदे देते:
- पॉवर केबल्स, कम्युनिकेशन वायर्स आणि सेन्सर केबल्स लहान मार्गांनी जाऊ शकतात.
- जेव्हा अनेक जोड एकापाठोपाठ एक जोडलेले असतात, तेव्हा वायर हार्नेस उघडे पडण्याची शक्यता कमी असते.
- मोठ्या कोनातील सांध्याच्या हालचालीदरम्यान तारा घासल्या जाण्याचा, ओढल्या जाण्याचा किंवा यंत्रणेत अडकण्याचा धोका कमी होतो.
- पाय, कंबर आणि खांदे यांसारख्या अनेक स्वातंत्र्य-अंश असलेल्या भागांसाठी, पोकळ रचना रोबोटची एकूण जुळवणी घनता सुधारण्यास मदत करते.
आकृती ३: बाजूला इंटरफेसचे अनेक संच दिसत आहेत, जे दर्शवतात की हा जोड एकाच वेळी वीज पुरवठा, संप्रेषण, डीबगिंग आणि संभाव्य डेझी-चेन कनेक्शन हाताळतो.
धातूचे आवरण आणि दाटपणे लावलेले पुढचे स्क्रू हे दर्शवतात की, हा सांधा लक्षणीय संरचनात्मक भार सहन करण्यासाठी डिझाइन केलेला आहे. जेव्हा एखादा मानवाकृती रोबोट चालतो, बसतो किंवा उभा राहतो, तेव्हा त्याच्या सांध्यांवर केवळ मोटर टॉर्कच नव्हे, तर त्रिज्यीय बले, अक्षीय बले, आघाती भार आणि क्षणिक प्रतिक्रिया टॉर्कसुद्धा येतात. त्यामुळे, असे मॉड्यूल्स मोटर, रिड्यूसर, बेअरिंग्ज आणि आउटपुट फ्लॅंज यांना एकत्रित करणाऱ्या एकात्मिक संरचनात्मक असेंब्लीच्या रूपात तयार केले पाहिजेत.
०३ संपूर्ण पीसीबीए लेआउट: पॉवर, कंट्रोल, सेन्सिंग आणि कम्युनिकेशन सर्किट्स एकाच गोलाकार बोर्डवर एकात्मिक केलेले
आकृती ४: मॉड्यूल पीसीबीए बोर्ड
या बोर्डला किमान चार कार्यात्मक विभागांमध्ये विभागता येते:
| कार्यात्मक क्षेत्रे | दृश्यमान घटक | अभियांत्रिकी कार्ये |
| पॉवर ड्राइव्ह क्षेत्र | अनेक MOSFETs, फेज वायर सोल्डर जोड आणि R001 करंट-सेन्स रेझिस्टर्स | तीन-फेज ब्रशलेस मोटर चालवते आणि फेज करंटचे नमुने घेते. |
| मुख्य नियंत्रण आणि तर्कशास्त्र क्षेत्र | ST-चिन्हांकित MCU, पेरिफेरल रेझिस्टर्स व कपॅसिटर्स, क्रिस्टल ऑसिलेटर आणि डीबगिंग पॅड्स | FOC अल्गोरिदम, संरक्षण तर्कशास्त्र, संप्रेषण आणि स्थिती व्यवस्थापन कार्यान्वित करते |
| ऊर्जा व्यवस्थापन क्षेत्र | टीएलव्ही७६७ | उच्च-व्होल्टेज बसचे कमी-व्होल्टेज नियंत्रण वीज पुरवठ्यात रूपांतर करते |
| संवाद आणि डीबगिंग क्षेत्र | यूएसबी-सी、एसडब्ल्यूडी、CANH/CANL、इंटर-बोर्ड कनेक्टर | डीबगिंग, फर्मवेअर फ्लॅशिंग, रोबोट संवाद आणि चाचणीसाठी |
अनेक तपशील
P+ आणि P- हे मुख्य पॉवर इनपुट म्हणून काम करतात. कनेक्शन पॉइंट्सवरील जाड धातूचे टर्मिनल्स हे दर्शवतात की या मार्गातून मोठा विद्युत प्रवाह वाहतो. अस्सल भाग वापरणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे.AMASS XT30 2+येथे २ कनेक्टर आहेत; बनावट पर्यायांमुळे वितळण्याचा आणि विद्युत संपर्क खराब होण्याचा धोका असतो.
बोर्डवरील USB-C आणि SWD खुणा हे केवळ एक सीलबंद मोटर ड्रायव्हर म्हणून काम करण्याऐवजी, डीबगिंग, फर्मवेअर फ्लॅशिंग आणि फॅक्टरी चाचणीसाठी समर्थन असल्याची पुष्टी करतात.
मुख्य कंट्रोल चिप क्षेत्रात ST लोगो दिसतो, ज्यावरील सिल्कस्क्रीन STM32G4 सिरीजशी सुसंगत आहे. ही सिरीज मोटर कंट्रोल ॲप्लिकेशन्ससाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते, आणि ती हाय-स्पीड ADCs, प्रगत टायमर्स, PWM आउटपुट्स, कंपॅरेटर्स आणि ऑपरेशनल ॲम्प्लिफायर्सने सुसज्ज आहे—ही FOC अल्गोरिदम्स लागू करण्यासाठी आदर्श असलेली पेरिफेरल संसाधने आहेत.
येथे मुख्य गोष्ट म्हणजे एखादी उच्च-कार्यक्षमतेची विशेष चिप वापरणे नव्हे, तर संपूर्ण PCBA ची सुव्यवस्थित झोनिंग लॉजिक आहे: उच्च-प्रवाहाचे ट्रेसेस शक्य तितके लहान ठेवले जातात, करंट सॅम्पलिंग सर्किट्स पॉवर स्टेजच्या जवळ ठेवले जातात, कंट्रोल आणि कम्युनिकेशन सर्किट्स तुलनेने कमी-आवाजाच्या झोनमध्ये मांडले जातात आणि सुलभ जोडणीसाठी सर्व कनेक्टर्स बोर्डच्या कडेला मांडले जातात.
०४ पॉवर ड्राइव्ह: ३-फेज एमओएस ब्रिज जॉइंटची आउटपुट टॉर्क क्षमता निर्धारित करतो
आकृती ५: तीन-फेज मोटरच्या तारा मध्यभागी एमओएस पॉवर सेक्शनला जोडलेल्या आहेत आणि त्याच्या भोवती सॅम्पलिंग रेझिस्टर्स, ड्रायव्हर्स आणि फिल्टर घटक मांडलेले आहेत.
हा जॉइंट ड्रायव्हर थ्री-फेज ब्रशलेस मोटर्ससाठी डिझाइन केलेला आहे. थ्री-फेज BLDC मोटर्सच्या उच्च-कार्यक्षम नियंत्रणासाठी सामान्यतः तीन हाफ-ब्रिजची आवश्यकता असते, जे किमान सहा पॉवर MOSFETs सह थ्री-फेज इन्व्हर्टर तयार करतात. अनेक लार्ज-पॅकेज MOS उपकरणेकॅनया आर्किटेक्चरशी सुसंगतपणे, ते PCBA वर तीन-फेज आउटपुट सोल्डर पॉइंट्सच्या सभोवताली आढळून येईल.
तीन-फेज ब्रिजचे कार्यप्रणालीचे तर्कशास्त्र खालीलप्रमाणे सोप्या भाषेत मांडता येते:
बॅटरी किंवा बस व्होल्टेज P+ आणि P- मार्फत दिले जाते; MOS हाफ-ब्रिजच्या उच्च-गती स्विचिंगमुळे DC व्होल्टेजचे तीन-फेज प्रवाहात रूपांतर होते;
फिरणारे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी मोटरच्या विंडिंगमध्ये तीन-फेज प्रवाह वाहतो; कंट्रोलर एन्कोडरची स्थिती आणि करंट फीडबॅकच्या आधारावर PWM ड्युटी सायकल सतत समायोजित करतो;
अंतिमतः सांध्याला लक्ष्यित टॉर्क, वेग किंवा स्थिती निर्माण करण्यास सक्षम करते.
या विभागाच्या सदोष रचनेमुळे अनेक सामान्य समस्या उद्भवतात: MOS चे अत्यधिक तापमान वाढणे, कमी-गती जिटर, तीव्र टॉर्क रिपल, ओव्हरकरंट प्रोटेक्शनचे चुकीचे ट्रिगरिंग आणि एन्कोडर किंवा कम्युनिकेशन सर्किट्सवर परिणाम करणारा EMI हस्तक्षेप. याच कारणामुळे, रोबोटच्या जॉइंट्ससाठी पॉवर बोर्डची रचना करणे हे सामान्य लहान मोटर ड्रायव्हर बोर्डच्या तुलनेत खूपच आव्हानात्मक असते.
आकृती ६: बोर्डवर TLV767 व्होल्टेज रेग्युलेटर, सोबतच इंडक्टर्स, कपॅसिटर्स आणि अनेक कमी-व्होल्टेज पॉवर घटक दिसत आहेत.
पॉवर सप्लाय ट्रीचे विश्लेषण करणे देखील महत्त्वाचे आहे. पीसीबीवर TLV767 सारखे LDO रेग्युलेटर आणि "100" असे चिन्हांकित केलेले पॉवर इंडक्टर्स दिसतात. 48V-रेटेड जॉइंट्सच्या वापराच्या परिस्थितीचा विचार करता, असा निष्कर्ष काढता येतो की, कमी-व्होल्टेज प्रणालीला केवळ LDOs द्वारे उच्च व्होल्टेजमधून थेट स्टेप-डाउन करण्याची शक्यता कमी आहे. त्याऐवजी, खालीलप्रमाणे पॉवर सप्लाय आर्किटेक्चरचा अवलंब केला जातो:
उच्च-व्होल्टेज बस → स्विचिंग स्टेप-डाउन रूपांतरण → कमी-व्होल्टेज रेल्स (5V / 3.3V, इत्यादी) → सेकंडरी LDO रेग्युलेशन / स्थानिक नॉइज फिल्टरिंग
ही पॉवर आर्किटेक्चर अधिक तर्कसंगत आहे. MCU, एन्कोडर, सॅम्पलिंग अँप्लिफायर आणि कम्युनिकेशन ट्रान्सीव्हर्सना स्वच्छ, स्थिर कमी-व्होल्टेज पॉवरची आवश्यकता असते, तर MOS स्विचेस आणि मोटर फेज लाईन्स तीव्र नॉईज निर्माण करतात. जर कमी-व्होल्टेज पॉवर सप्लायमध्ये पुरेशी अँटी-इंटरफेरन्स क्षमता नसेल, तर सहसा सर्वात आधी दिसणारे दोष हे मोटरमधील बिघाड नसून, अँगलमध्ये अचानक होणारे बदल, कम्युनिकेशनमधील व्यत्यय किंवा करंट सॅम्पलिंग रीडिंगमधील बदल हे असतात.
०५ विद्युत प्रवाह आणि तापमान संवेदन: रोबोटच्या सांध्यांनी आउटपुट टॉर्कवर रिअल-टाइममध्ये लक्ष ठेवले पाहिजे
आकृती 7: तीन-फेज पॉवर सेक्शनच्या खाली अनेक R001 कमी किमतीचे सेन्स रेझिस्टर आहेत.
या बोर्डवरील R001 घटक अत्यंत महत्त्वाचे आहेत. हे मिलिओहम-स्तरीय कमी-मूल्याचे सेन्स रेझिस्टर्स (साधारणपणे 1 mΩ) असून, त्यांचा उपयोग मोटर फेज करंट किंवा बस करंट मोजण्यासाठी केला जातो. करंट सेन्सिंग हे रोबोटच्या जॉइंट्सच्या क्लोज्ड-लूप कंट्रोलचा गाभा आहे, कारण BLDC मोटरचा आउटपुट टॉर्क हा त्याच्या फेज करंटशी घट्टपणे संबंधित असतो.
दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे झाल्यास, कंट्रोलर जॉइंटच्या टॉर्क आउटपुटचा 'अंदाज' लावत नाही; त्याऐवजी, तो सेन्स रेझिस्टर्समधील सूक्ष्म व्होल्टेज ड्रॉप मोजून करंटची गणना करतो:
सेन्स रेझिस्टरवरील व्होल्टेज ड्रॉप → अॅम्प्लिफिकेशन आणि फिल्टरिंग → एडीसी सॅम्पलिंग → करंटची गणना → एफओसी टॉर्क नियंत्रण
या सिग्नल चेनची अचूकता खालील बाबींवर थेट परिणाम करते:
टॉर्क नियंत्रणाची अचूकता: जर वर्तमान प्रवाहाचा अंदाज चुकीचा असेल, तर टॉर्क आउटपुट देखील चुकीचा असेल.
कमी वेगातील सहजता: जास्त सॅम्पलिंग नॉईजमुळे कमी वेगात जिटर निर्माण होण्याची शक्यता असते.
ओव्हरकरंट प्रोटेक्शन: मंद प्रतिसादामुळे मॉसफेट्स जळू शकतात, तर जास्त संवेदनशील सेटिंग्समुळे खोटे प्रोटेक्शन ट्रिगर होतात.
औष्णिक व्यवस्थापन धोरण: सतत उच्च प्रवाहामुळे मोटर वाइंडिंग, मॉसफेट आणि करंट-सेन्स रेझिस्टरमध्ये एकाच वेळी तापमानात वाढ होते.
लेआउटच्या दृष्टिकोनातून, MOSFETs आणि फेज वायरिंगच्या जवळ करंट-सेन्स रेझिस्टर्स ठेवल्याने हाय-करंट लूप लहान होतो, ज्यामुळे पॅरासिटिक इंडक्टन्स आणि सॅम्पलिंग त्रुटी कमी होण्यास मदत होते. प्रत्येक फेजजवळ मोठ्या संख्येने लहान रेझिस्टर्स आणि कपॅसिटर्सची मांडणी केली जाते, ज्यांचा उपयोग सामान्यतः गेट डॅम्पिंग, सॅम्पलिंग फिल्टरिंग, ड्रायव्हर स्टॅबिलायझेशन आणि लोकल डीकपलिंगसाठी केला जातो.
तापमान ओळखणे तितकेच अत्यावश्यक आहे. मोटर NTC लेबल हे मोटरच्या आत किंवा विंडिंगच्या जवळ बसवलेला थर्मिस्टर दर्शवते. ह्युमनॉइड रोबोटच्या सांध्यांसाठी, कमी-गती उच्च-टॉर्क ऑपरेशन, दीर्घकाळ स्थिर राहणे आणि उभे राहताना किंवा बसताना होणारा क्षणिक आघात या सर्वांमुळे तापमानात लक्षणीय वाढ होते. NTC कंट्रोलरला तापमानावर आधारित तीन प्रमुख कार्ये करण्यास सक्षम करते:
वर्तमान मर्यादा: तापमान वाढल्यावर कमाल आउटपुट करंट कमी करणे; डिरेटिंग: सततच्या जड भाराखाली पीक टॉर्क मर्यादित करणे;
संरक्षक शटडाउन: तापमान सुरक्षितता मर्यादा ओलांडल्यावर फॉल्ट मोडमध्ये प्रवेश करा.
व्यावसायिक रोबोट जॉइंट्समध्ये ही एक मूलभूत क्षमता असणे आवश्यक आहे. तापमान क्लोज्ड-लूप नियंत्रणाशिवाय, उच्च पीक टॉर्क रेटिंग असूनही, जॉइंट दीर्घ काळासाठी विश्वसनीयपणे कार्य करू शकत नाही.
०६ स्थिती ओळख: दुहेरी चुंबकीय एन्कोडर आणि गीअर्स एकेरी-फेऱ्यांच्या कोनांचे अनेक-फेऱ्यांच्या स्थिती वाचनांमध्ये रूपांतर करतात.
PCBA काढल्यावर, मागच्या बाजूला लहान गियर रचनांचा एक संच दिसतो. हे मुख्य रिडक्शन गियर्स नसून, कोन ओळखण्यासाठी तयार केलेली सहायक यंत्रणा आहे.
आकृती ८: कंट्रोल बोर्डच्या मागील बाजूस असलेला गिअर आणि मॅग्नेटिक एन्कोडरचा भाग
आकृती ९: मध्यवर्ती शाफ्टच्या फिरण्यामुळे लगतचे दोन पिनियन गिअर एकाच वेळी फिरतात.
संरचनेनुसार, मध्यवर्ती शाफ्टच्या फिरण्यामुळे दोन लहान गिअर्स फिरतात. प्रत्येक लहान गिअरच्या मध्यभागी एक चुंबकीय घटक बसवलेला असतो, आणि PCBA च्या मागील बाजूस जुळणाऱ्या जागांवर चुंबकीय एन्कोडर ICs बसवलेले असतात. चुंबकीय एन्कोडर्स चुंबकीय क्षेत्रांमधील कोनीय बदल मोजतात, ज्यामुळे ऑप्टिकल ग्रेटिंग डिस्कची गरज नाहीशी होते. ते तेलाचे किरकोळ प्रदूषण आणि धूळ सहन करतात, ज्यामुळे ते पूर्णपणे बंद असलेल्या रोबोटच्या सांध्यांसाठी अधिक योग्य ठरतात.
आकृती १०: ड्युअल-गियर आणि ड्युअल-एनकोडर रचना कोनीय रिझोल्यूशन सुधारते आणि मल्टी-टर्न पोझिशन डिटेक्शन सक्षम करते.
येथे सर्वात जास्त लक्ष वेधून घेणारी गोष्ट म्हणजे "ड्युअल-गियर + ड्युअल मॅग्नेटिक एन्कोडर" रचना. याचे मूल्य केवळ अधिक अचूकतेसाठी दुसरा सेन्सर जोडण्यापलीकडे आहे; बहुधा याची रचना मल्टी-टर्न ॲब्सोल्युट पोझिशन एन्कोडिंग योजना साकारण्यासाठी केली गेली आहे:
एकच चुंबकीय एन्कोडर 0–360° च्या दरम्यानचे कोन अचूकपणे मोजतो;
तरीही एक सांधा अनेक फेऱ्या फिरू शकतो, आणि एक-फेऱ्याचा एन्कोडर स्वतःहून फेऱ्यांची संख्या निर्धारित करू शकत नाही;
जर दोन गिअर्समध्ये दातांची संख्या किंवा गिअर गुणोत्तर वेगवेगळे असतील, तर त्यांच्यात व्हर्नियरसारखा सहसंबंध तयार होतो;
दोन कोनीय वाचनांना एकत्र करून, नियंत्रक अधिक विस्तृत श्रेणीतील अचूक स्थितीची गणना करतो.
ही रचना मानवरूपी रोबोट्ससाठी अत्यंत उपयुक्त ठरते. वीजपुरवठा खंडित झाल्यावर, पाय, हात किंवा कमरेचे सांधे बाह्य शक्तींमुळे विस्थापित होऊ शकतात. वीजपुरवठा पुन्हा सुरू केल्यावर, ज्या सांध्यांना त्यांच्या मूळ जागी परत येण्यासाठी मोठ्या हालचालींची आवश्यकता असते, त्यांची कार्यक्षमता कमी होते आणि त्यामुळे सुरक्षिततेचा धोका निर्माण होतो. मल्टी-टर्न ॲब्सोल्युट पोझिशन सेन्सिंगमुळे, वीजपुरवठा पूर्ववत होताच सांधे तात्काळ शरीराच्या स्थितीची माहिती मिळवू शकतात.
०७ मेकॅनिकल ट्रान्समिशन: मोटर, रिड्यूसर आणि आउटपुट शाफ्टची कॉम्पॅक्ट स्टॅक मांडणी
आकृती ११: मध्यवर्ती भागात मोटर शाफ्ट आणि मुख्य यांत्रिक प्रेषण मार्ग असतो.
यांत्रिक स्तराचे परीक्षण केल्यास, मोटर शाफ्ट, स्टेटर वाइंडिंग, रोटर असेंब्ली आणि रिड्यूसर एंड हे सर्व एकाच मध्यवर्ती अक्षावर रचलेले असतात. एकात्मिक जोडांसाठी ही एक सामान्य रचना पद्धत आहे: मोटर हा आता एक बाह्य स्वतंत्र घटक नसून, तो जोडाच्या संरचनेचा एक अविभाज्य भाग असतो.
