04 동력 구동: 3상 MOS 브리지는 조인트의 출력 토크 용량을 결정합니다.

그림 5: 3상 모터 전선은 MOS 전력부 중앙에 연결되고, 샘플링 저항, 드라이버 및 필터 부품이 그 주변에 배치됩니다.

 

이 조인트 드라이버는 3상 브러시리스 모터용으로 설계되었습니다. 고성능 3상 BLDC 모터 제어에는 일반적으로 최소 6개의 파워 MOSFET을 사용하는 3상 인버터를 구성하는 3개의 하프 브리지가 필요합니다. 여러 개의 대형 패키지 MOS 소자가 사용됩니다.~할 수 있다이러한 아키텍처와 일관되게 3상 출력 솔더 포인트 주변의 PCBA에서 발견될 수 있습니다.

 

3상 브리지의 동작 논리는 다음과 같이 간략화할 수 있습니다.

배터리 또는 버스 전압이 P+ 및 P-를 통해 공급됩니다. MOS 하프 브리지의 고속 스위칭을 통해 직류 전압이 3상 전류로 변환됩니다.

3상 전류가 모터 권선으로 흘러 들어가 회전 자기장을 생성합니다. 컨트롤러는 엔코더 위치와 전류 피드백을 기반으로 PWM 듀티 사이클을 지속적으로 조정합니다.

궁극적으로 관절이 목표 토크, 속도 또는 위치를 출력할 수 있도록 합니다.

이 부분의 설계가 부실하면 MOS 발열 과다, 저속 지터, 심각한 토크 리플, 과전류 보호 오작동, 엔코더 또는 통신 회로에 영향을 미치는 EMI 간섭 등 여러 가지 문제가 발생합니다. 따라서 로봇 관절용 전원 보드 설계는 일반적인 소형 모터 드라이버 보드 설계보다 훨씬 더 까다롭습니다.

 

그림 6: 기판에서 TLV767 전압 레귤레이터를 비롯하여 인덕터, 커패시터 및 여러 저전압 전력 부품들을 볼 수 있습니다.

전원 공급 회로도 분석해 볼 가치가 있습니다. PCB에는 TLV767과 같은 LDO 레귤레이터와 "100"으로 표시된 전력 인덕터가 보입니다. 48V 정격 접합부의 적용 시나리오를 고려할 때, 저전압 시스템이 LDO만을 통해 고전압에서 직접 강압되는 방식은 아닐 것으로 추론할 수 있습니다. 대신 다음과 같은 전원 공급 아키텍처가 채택되었습니다.

고전압 버스 → 스위칭 강압 변환 → 저전압 레일(5V/3.3V 등) → 2차 LDO 레귤레이션/국부 노이즈 필터링

이러한 전력 아키텍처가 더 합리적입니다. MCU, 인코더, 샘플링 증폭기 및 통신 송수신기는 깨끗하고 안정적인 저전압 전원을 필요로 하는 반면, MOS 스위치와 모터 위상 라인은 심한 잡음을 발생시킵니다. 저전압 전원 공급 장치의 간섭 방지 성능이 충분하지 않으면, 가장 먼저 발생하는 오류는 모터 오작동이 아니라 급격한 각도 변화, 통신 끊김 또는 전류 샘플링 판독값의 드리프트 현상인 경우가 많습니다.

05 전류 및 온도 감지: 로봇 관절은 출력 토크를 실시간으로 모니터링해야 합니다.

 

그림 7: 여러 개의 R001 저저항 감지기가 3상 전력부 아래에 위치해 있습니다.

이 보드에서 R001 부품은 매우 중요한 역할을 하며, 모터 위상 전류 또는 버스 전류를 측정하는 데 사용되는 밀리옴 수준의 낮은 저항값(일반적으로 1mΩ)을 갖는 감지 저항입니다. 전류 감지는 로봇 관절의 폐루프 제어의 핵심이며, BLDC 모터의 출력 토크는 위상 전류와 밀접한 관련이 있습니다.

즉, 컨트롤러는 관절의 토크 출력을 "추측"하는 것이 아니라, 감지 저항 양단의 미세한 전압 강하를 측정하여 전류를 계산합니다.

감지 저항 양단의 전압 강하 → 증폭 및 필터링 → ADC 샘플링 → 전류 계산 → FOC 토크 제어

이 신호 체인의 정확도는 다음과 같은 요소에 직접적인 영향을 미칩니다.

토크 제어 정확도: 전류 추정치가 부정확하면 토크 출력도 부정확해집니다.

저속 재생 평활도: 샘플링 노이즈가 높으면 저속에서 떨림 현상이 발생하는 경향이 있습니다.

과전류 보호: 응답 속도가 느리면 MOSFET이 소손될 수 있으며, 지나치게 민감한 설정은 오작동으로 이어질 수 있습니다.

열 관리 전략: 지속적인 고전류는 모터 권선, MOSFET 및 전류 감지 저항기의 온도를 동시에 상승시킵니다.

회로 배치 관점에서 볼 때, 전류 감지 저항을 MOSFET 및 위상 배선 근처에 배치하면 고전류 루프가 단축되어 기생 인덕턴스와 샘플링 오류를 줄이는 데 도움이 됩니다. 각 위상 근처에는 다수의 소형 저항과 커패시터가 배치되는데, 일반적으로 게이트 감쇠, 샘플링 필터링, 드라이버 안정화 및 로컬 디커플링에 사용됩니다.

온도 감지는 마찬가지로 필수적입니다. MOTOR NTC 라벨은 모터 내부 또는 권선 근처에 설치된 서미스터임을 나타냅니다. 휴머노이드 로봇 관절의 경우, 저속 고토크 작동, 장시간 정지 상태 유지, 그리고 일어서거나 웅크릴 때 발생하는 순간적인 충격으로 인해 상당한 온도 상승이 발생합니다. NTC를 통해 컨트롤러는 온도에 기반한 세 가지 핵심 기능을 수행할 수 있습니다.

전류 제한: 온도가 상승함에 따라 최대 출력 전류를 감소시킵니다. 정격 출력 제한: 지속적인 고부하 시 최대 토크를 제한합니다.

보호 차단: 온도가 안전 임계값을 초과하면 오류 모드로 전환됩니다.

이는 전문 로봇 관절이 반드시 갖춰야 할 기본적인 기능입니다. 온도 폐루프 제어가 없으면 아무리 높은 최대 토크를 가지고 있더라도 관절이 장시간 안정적으로 작동할 수 없습니다.

06 위치 감지: 이중 자기 엔코더와 기어를 사용하여 단일 회전 각도를 다중 회전 위치 판독값으로 변환합니다.

PCBA를 제거하면 뒷면에 작은 기어 구조물들이 보입니다. 이것들은 주 감속 기어가 아니라 각도 감지를 위해 설계된 보조 메커니즘입니다.

 

그림 8: 제어 보드 뒷면의 기어 및 자기 엔코더 영역

 

그림 9: 중앙축의 회전은 인접한 두 개의 피니언 기어를 동기적으로 회전시킵니다.

구조적으로 중앙 축의 회전이 두 개의 작은 기어를 구동합니다. 각 작은 기어의 중앙에는 자성 부품이 장착되어 있으며, PCBA 후면의 해당 위치에는 자기 엔코더 IC가 실장되어 있습니다. 자기 엔코더는 자기장의 각도 변화를 측정하므로 광학 격자 디스크가 필요하지 않습니다. 또한 가벼운 오일 오염과 먼지에 대한 내성이 있어 완전히 밀폐된 로봇 관절에 더욱 적합합니다.

 

그림 10: 이중 기어 및 이중 엔코더 구조는 각도 해상도를 향상시키고 다중 회전 위치 감지를 가능하게 합니다.

여기서 가장 눈에 띄는 것은 "듀얼 기어 + 듀얼 마그네틱 엔코더" 구성입니다. 이는 단순히 정확도를 높이기 위해 두 번째 센서를 추가하는 것 이상의 가치를 지니며, 다회전 절대 위치 인코딩 방식을 구현하도록 설계된 것으로 보입니다.

단일 자기 엔코더는 0~360° 범위의 각도를 정확하게 측정합니다.

하지만 관절은 여러 바퀴를 회전할 수 있으며, 단일 회전 엔코더는 자체적으로 회전 횟수를 판단할 수 없습니다.

두 기어의 톱니 수나 기어비가 다르면, 버니어 캘리퍼스와 유사한 상관관계를 형성합니다.

두 각도 측정값을 결합함으로써 컨트롤러는 훨씬 더 넓은 범위에 걸쳐 절대 위치를 계산합니다.

이 구조는 휴머노이드 로봇에 매우 유용한 기능을 제공합니다. 전원이 차단된 후 다리, 팔 또는 허리 관절은 외부 힘에 의해 위치가 어긋날 수 있습니다. 전원이 다시 공급될 때, 복귀 동작이 많이 필요한 관절은 효율이 떨어지고 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다. 다회전 절대 위치 센싱을 통해 관절은 전원이 복구되는 즉시 자세 데이터를 신속하게 복원할 수 있습니다.