04 Entraînement de puissance : Le pont MOS triphasé détermine la capacité de couple de sortie de l’articulation

Figure 5 : Les fils du moteur triphasé sont connectés au centre à la section de puissance MOS, avec des résistances d'échantillonnage, des pilotes et des composants de filtrage disposés autour.

 

Ce circuit de commande conjoint est conçu pour les moteurs triphasés sans balais. La commande haute performance des moteurs BLDC triphasés nécessite généralement trois demi-ponts, formant un onduleur triphasé avec au minimum six MOSFET de puissance. Plusieurs transistors MOS de grande taille sont utilisés.peuton peut les repérer sur le circuit imprimé autour des points de soudure de la sortie triphasée, conformément à cette architecture.

 

Le principe de fonctionnement du pont triphasé peut être simplifié comme suit :

La tension de la batterie ou du bus est fournie via P+ et P- ; La commutation à grande vitesse des demi-ponts MOS convertit la tension continue en courant triphasé ;

Le courant triphasé circule dans les enroulements du moteur pour générer un champ magnétique rotatif ; le contrôleur ajuste en permanence les rapports cycliques PWM en fonction de la position de l’encodeur et du retour de courant ;

Permettant en définitive à l'articulation de produire le couple, la vitesse ou la position cible.

Une conception inadéquate de cette section entraînera plusieurs problèmes typiques : échauffement excessif des transistors MOS, gigue à basse vitesse, ondulation de couple importante, déclenchement intempestif de la protection contre les surintensités et interférences électromagnétiques affectant les codeurs ou les circuits de communication. C’est pourquoi la conception des cartes d’alimentation pour les articulations de robots est bien plus complexe que celle des cartes de commande de petits moteurs classiques.

 

Figure 6 : Le régulateur de tension TLV767 est visible sur la carte, aux côtés d'inductances, de condensateurs et de plusieurs composants de puissance basse tension.

L'arbre d'alimentation mérite également d'être analysé. Des régulateurs LDO, tels que le TLV767, et des inductances de puissance marquées « 100 » sont visibles sur le circuit imprimé. Compte tenu de l'application prévue pour des jonctions de 48 V, on peut supposer que le système basse tension n'est probablement pas abaissé directement de la haute tension uniquement par des régulateurs LDO. En revanche, une architecture d'alimentation similaire à la suivante est adoptée :

Bus haute tension → Convertisseur abaisseur à découpage → Rails basse tension (5 V / 3,3 V, etc.) → Régulation LDO secondaire / filtrage du bruit local

Cette architecture d'alimentation est plus rationnelle. Le microcontrôleur, l'encodeur, les amplificateurs d'échantillonnage et les émetteurs-récepteurs de communication nécessitent une alimentation basse tension propre et stable, tandis que les transistors MOS et les lignes de phase du moteur génèrent un bruit important. Si l'alimentation basse tension présente une protection insuffisante contre les interférences, les premiers défauts à apparaître ne sont généralement pas des dysfonctionnements du moteur, mais des sauts d'angle brusques, des coupures de communication ou une dérive des mesures d'échantillonnage du courant.

05 Détection du courant et de la température : les articulations du robot doivent surveiller le couple de sortie en temps réel

 

Figure 7 : Plusieurs résistances de détection de faible valeur R001 sont situées sous la section d'alimentation triphasée.

Les composants R001 sont essentiels sur cette carte ; il s’agit de résistances de détection de faible valeur (de l’ordre du milliohm, généralement 1 mΩ) utilisées pour mesurer le courant de phase du moteur ou le courant du bus. La mesure du courant est au cœur de la commande en boucle fermée des articulations du robot, car le couple de sortie d’un moteur BLDC est fortement corrélé à son courant de phase.

Autrement dit, le contrôleur ne « devine » pas le couple de sortie de l'articulation ; il calcule plutôt le courant en mesurant la faible chute de tension aux bornes des résistances de détection :

Chute de tension aux bornes de la résistance de mesure → Amplification et filtrage → Échantillonnage ADC → Calcul du courant → Commande de couple FOC

La précision de cette chaîne de signal influe directement sur :

Précision du contrôle du couple : si l’estimation du courant est inexacte, le couple de sortie sera inexact.

Fluidité à basse vitesse : un bruit d’échantillonnage élevé tend à provoquer des saccades à basse vitesse.

Protection contre les surintensités : une réponse lente peut endommager les MOSFET, tandis que des réglages trop sensibles peuvent entraîner des déclenchements de protection intempestifs.

Stratégie de gestion thermique : Un courant élevé et soutenu entraîne une élévation simultanée de la température dans les enroulements du moteur, les MOSFET et les résistances de détection de courant.

Du point de vue de l'implantation, le placement des résistances de mesure de courant à proximité des MOSFET et du câblage de phase raccourcit la boucle de courant élevé, ce qui contribue à réduire l'inductance parasite et les erreurs d'échantillonnage. De nombreuses petites résistances et condensateurs sont disposés près de chaque phase ; ils servent généralement à l'amortissement de la grille, au filtrage de l'échantillonnage, à la stabilisation du circuit de commande et au découplage local.

La détection de la température est tout aussi indispensable. L'étiquette MOTOR NTC indique la présence d'une thermistance installée à l'intérieur du moteur ou à proximité des enroulements. Pour les articulations des robots humanoïdes, le fonctionnement à basse vitesse et couple élevé, le maintien statique prolongé et les chocs transitoires lors du passage de la position debout à la position accroupie génèrent tous des élévations de température importantes. La thermistance NTC permet au contrôleur d'effectuer trois fonctions clés basées sur la température :

Limitation du courant : réduction du courant de sortie maximal lorsque la température augmente ; Déclassement : limitation du couple de pointe sous fortes charges soutenues ;

Arrêt de protection : passage en mode défaut dès que la température dépasse le seuil de sécurité.

Il s'agit également d'une capacité fondamentale que doivent posséder les articulations robotiques professionnelles. Sans régulation thermique en boucle fermée, l'articulation ne peut fonctionner de manière fiable pendant de longues périodes, malgré son couple maximal élevé.

06 Détection de position : Deux codeurs magnétiques et des engrenages convertissent les angles de rotation unique en lectures de position multi-tours

Après avoir retiré la carte électronique, on peut observer au verso un ensemble de petits engrenages. Il ne s'agit pas des réducteurs principaux, mais de mécanismes auxiliaires destinés à la détection d'angle.

 

Figure 8 : Zone de l'engrenage et de l'encodeur magnétique au verso de la carte de commande

 

Figure 9 : La rotation de l'arbre central entraîne la rotation synchrone des deux pignons adjacents.

La rotation de l'arbre central entraîne les deux petits engrenages. Un composant magnétique est placé au centre de chaque engrenage, et des circuits intégrés d'encodeur magnétique sont montés aux emplacements correspondants sur la face arrière du circuit imprimé. Ces encodeurs magnétiques mesurent les variations angulaires des champs magnétiques, ce qui élimine le besoin de disques à réseau optique. Leur tolérance aux faibles contaminations par l'huile et la poussière les rend particulièrement adaptés aux articulations de robots entièrement fermées.

 

Figure 10 : La structure à double engrenage et double encodeur améliore la résolution angulaire et permet la détection de position multi-tours.

Ce qui frappe ici, c'est la configuration « double engrenage + double codeur magnétique ». Son intérêt dépasse largement le simple ajout d'un second capteur pour une précision accrue ; elle est très probablement conçue pour réaliser un système de codage de position absolue multitours.

Un seul codeur magnétique mesure avec précision les angles compris entre 0 et 360° ;

or, une articulation peut effectuer plusieurs rotations, et un codeur à un seul tour ne peut pas déterminer à lui seul le nombre de rotations ;

Si les deux engrenages présentent des nombres de dents ou des rapports d'engrenage différents, ils forment une corrélation de type vernier ;

En combinant les deux relevés angulaires, le contrôleur calcule la position absolue sur une plage beaucoup plus large.

Cette structure apporte une valeur ajoutée considérable aux robots humanoïdes. Après une coupure de courant, les articulations des jambes, des bras ou de la taille peuvent être déplacées par des forces extérieures. Lors du redémarrage, les articulations nécessitant d'importants mouvements de retour à leur position initiale souffrent d'une faible efficacité et présentent des risques pour la sécurité. La détection de position absolue multi-tours permet aux articulations de récupérer instantanément les données de posture dès le rétablissement du courant.