04 Accionamiento de potencia: El puente MOS trifásico determina la capacidad de par de salida de la junta.

Figura 5: Los cables del motor trifásico están conectados centralmente a la sección de potencia MOS, con resistencias de muestreo, controladores y componentes de filtro dispuestos a su alrededor.

 

Este controlador conjunto está diseñado para motores sin escobillas trifásicos. El control de alto rendimiento de los motores BLDC trifásicos normalmente requiere tres semipuentes, que forman un inversor trifásico con un mínimo de seis MOSFET de potencia. Múltiples dispositivos MOS de gran tamaño.poderSe pueden observar marcas en la placa de circuito impreso que rodean los puntos de soldadura de salida trifásica, lo cual es coherente con esta arquitectura.

 

La lógica de funcionamiento del puente trifásico se puede simplificar de la siguiente manera:

La tensión de la batería o del bus se introduce a través de P+ y P-; la conmutación de alta velocidad de los semipuentes MOS convierte la tensión continua en corriente trifásica;

La corriente trifásica fluye hacia los devanados del motor para generar un campo magnético giratorio; el controlador ajusta continuamente los ciclos de trabajo PWM en función de la posición del codificador y la retroalimentación de corriente;

En definitiva, esto permite que la articulación genere el par, la velocidad o la posición deseados.

Un diseño deficiente de esta sección provocará varios problemas típicos: calentamiento excesivo del MOS, fluctuación a baja velocidad, fuerte ondulación del par, activación errónea de la protección contra sobrecorriente e interferencia electromagnética que afecta a los codificadores o circuitos de comunicación. Por este motivo, el diseño de la placa de alimentación para las articulaciones de los robots es mucho más complejo que el de las placas controladoras de motores pequeños convencionales.

 

Figura 6: En la placa se puede observar el regulador de voltaje TLV767, junto con inductores, condensadores y varios componentes de alimentación de bajo voltaje.

También merece la pena analizar el árbol de la fuente de alimentación. En la placa de circuito impreso (PCB) se aprecian reguladores LDO como el TLV767 e inductores de potencia marcados con "100". Teniendo en cuenta el escenario de aplicación de uniones con una tensión nominal de 48 V, se puede inferir que es improbable que el sistema de baja tensión se reduzca directamente desde alta tensión únicamente mediante reguladores LDO. En su lugar, se adopta una arquitectura de fuente de alimentación similar a la siguiente:

Bus de alta tensión → Conversión reductora conmutada → Líneas de baja tensión (5 V / 3,3 V, etc.) → Regulación LDO secundaria / filtrado de ruido local

Esta arquitectura de alimentación es más racional. El microcontrolador, el codificador, los amplificadores de muestreo y los transceptores de comunicación requieren una alimentación de bajo voltaje limpia y estable, mientras que los interruptores MOS y las líneas de fase del motor generan un ruido intenso. Si la fuente de alimentación de bajo voltaje no ofrece suficiente protección contra interferencias, las primeras fallas que suelen aparecer no son averías del motor, sino cambios bruscos de ángulo, interrupciones en la comunicación o lecturas de muestreo de corriente inestables.

05 Detección de corriente y temperatura: Las articulaciones del robot deben monitorear el par de salida en tiempo real.

 

Figura 7: Debajo de la sección de alimentación trifásica se encuentran varias resistencias de detección de bajo valor R001.

Los componentes R001 son fundamentales en esta placa, ya que representan resistencias de detección de bajo valor (normalmente 1 mΩ) con un rango de miliohmios, utilizadas para medir la corriente de fase del motor o la corriente del bus. La detección de corriente constituye la base del control de lazo cerrado para las articulaciones del robot, dado que el par de salida de un motor BLDC está fuertemente correlacionado con su corriente de fase.

En otras palabras, el controlador no "adivina" el par de salida de la articulación; en cambio, calcula la corriente midiendo la pequeña caída de voltaje a través de las resistencias de detección:

Caída de tensión en la resistencia de detección → Amplificación y filtrado → Muestreo del convertidor analógico-digital (ADC) → Cálculo de corriente → Control de par FOC

La precisión de esta cadena de señales afecta directamente a:

Precisión del control de par: Si la estimación actual es inexacta, el par de salida también lo será.

Suavidad a baja velocidad: Un alto nivel de ruido de muestreo tiende a provocar fluctuaciones a bajas velocidades.

Protección contra sobrecorriente: Una respuesta lenta puede quemar los MOSFET, mientras que una configuración demasiado sensible provoca falsas activaciones de la protección.

Estrategia de gestión térmica: Una corriente alta sostenida provoca un aumento simultáneo de la temperatura en los devanados del motor, los MOSFET y las resistencias de detección de corriente.

Desde el punto de vista del diseño, colocar las resistencias de detección de corriente cerca de los MOSFET y del cableado de fase acorta el bucle de alta corriente, lo que ayuda a reducir la inductancia parásita y los errores de muestreo. Se dispone una gran cantidad de resistencias y condensadores pequeños cerca de cada fase, que generalmente se utilizan para la amortiguación de la puerta, el filtrado de muestreo, la estabilización del controlador y el desacoplamiento local.

La detección de temperatura es igualmente indispensable. La etiqueta MOTOR NTC indica un termistor instalado dentro del motor o junto a los devanados. En las articulaciones de los robots humanoides, el funcionamiento a baja velocidad y alto par, la sujeción estática prolongada y el impacto transitorio al ponerse de pie o agacharse generan aumentos de temperatura sustanciales. El NTC permite al controlador realizar tres funciones clave basadas en la temperatura:

Limitación de corriente: Reduce la corriente de salida máxima a medida que aumenta la temperatura; Reducción de potencia: Limita el par máximo bajo cargas pesadas sostenidas;

Apagado de protección: Entra en modo de fallo cuando la temperatura supera el umbral de seguridad.

Esta es también una capacidad fundamental que deben tener las articulaciones de los robots profesionales. Sin un control de temperatura de circuito cerrado, la articulación no puede funcionar de forma fiable durante periodos prolongados a pesar de su elevado par máximo.

06 Detección de posición: Los codificadores magnéticos duales y los engranajes convierten los ángulos de una sola vuelta en lecturas de posición de múltiples vueltas.

Tras retirar la placa de circuito impreso (PCBA), se puede observar un conjunto de pequeñas estructuras dentadas en la parte posterior. Estas no son las reductoras principales, sino mecanismos auxiliares diseñados para la detección de ángulos.

 

Figura 8: Área de engranajes y codificador magnético en la parte posterior de la placa de control.

 

Figura 9: La rotación del eje central hace que los dos piñones adyacentes giren sincrónicamente.

Estructuralmente, la rotación del eje central acciona los dos pequeños engranajes. Un componente magnético se ubica en el centro de cada engranaje, con circuitos integrados de codificador magnético montados en las posiciones correspondientes en la parte posterior de la placa de circuito impreso. Los codificadores magnéticos miden las variaciones angulares de los campos magnéticos, eliminando la necesidad de discos de rejilla óptica. Son tolerantes a pequeñas contaminaciones de aceite y polvo, lo que los hace más adecuados para articulaciones de robots completamente cerradas.

 

Figura 10: La estructura de doble engranaje y doble codificador mejora la resolución angular y permite la detección de posición en múltiples vueltas.

Lo que más destaca aquí es la configuración de "doble engranaje + doble codificador magnético". Su valor va mucho más allá de simplemente añadir un segundo sensor para una mayor precisión; lo más probable es que esté diseñada para implementar un esquema de codificación de posición absoluta de múltiples vueltas.

Un único codificador magnético mide con precisión ángulos entre 0 y 360°.

Sin embargo, una articulación puede girar varias veces, y un codificador de una sola vuelta no puede determinar el número de rotaciones por sí solo;

Si los dos engranajes tienen diferente número de dientes o relaciones de transmisión, forman una correlación similar a la de un nonio;

Al combinar las dos lecturas angulares, el controlador calcula la posición absoluta en un rango mucho más amplio.

Esta estructura aporta un gran valor a los robots humanoides. Tras un corte de energía, las articulaciones de las piernas, los brazos o la cintura pueden desplazarse por fuerzas externas. Al restablecer la energía, las articulaciones que requieren amplios movimientos de posicionamiento sufren de baja eficiencia y representan riesgos para la seguridad. La detección de posición absoluta de múltiples giros permite que las articulaciones recuperen instantáneamente los datos de postura en cuanto se restablece la energía.