04 パワードライブ：3相M​​OSブリッジがジョイントの出力トルク容量を決定します

図5：三相モータの配線は中央のMOSパワー部に接続され、その周囲にサンプリング抵抗、ドライバ、フィルタ部品が配置されている。

 

このジョイントドライバは、三相ブラシレスモータ用に設計されています。三相BLDCモータの高性能制御には、通常、3つのハーフブリッジが必要となり、最低6個のパワーMOSFETを備えた三相インバータを構成します。複数の大型パッケージMOSデバイスできるこのアーキテクチャに準拠して、3相出力のはんだ付けポイント周辺のPCBA上に確認できる。

 

三相ブリッジの動作ロジックは、以下のように簡略化できます。

バッテリー電圧またはバス電圧がP+とP-を介して供給され、MOSハーフブリッジの高速スイッチングにより直流電圧が三相電流に変換されます。

三相電流がモータ巻線に流れ込み、回転磁界を発生させます。コントローラは、エンコーダの位置と電流のフィードバックに基づいて、PWMデューティサイクルを継続的に調整します。

最終的には、関節が目標とするトルク、速度、または位置を出力できるようにする。

この部の設計が不十分だと、MOSの過熱、低速時のジッター、深刻なトルクリップル、過電流保護の誤作動、エンコーダや通信回路に影響を与えるEMI干渉など、いくつかの典型的な問題が発生します。そのため、ロボット関節用の電源基板の設計は、一般的な小型モータドライバ基板の設計よりもはるかに困難です。

 

図6：TLV767電圧レギュレータは、インダクタ、コンデンサ、およびいくつかの低電圧電源部品とともに基板上に配置されている。

電源回路構成も分析する価値がある。基板上にはTLV767などのLDOレギュレータや「100」とマークされたパワーインダクタが確認できる。48V定格のジョイントというアプリケーションシナリオを考慮すると、低電圧システムがLDOのみを介して高電圧から直接降圧されているとは考えにくい。代わりに、以下のような電源アーキテクチャが採用されている。

高電圧バス → スイッチング降圧変換 → 低電圧レール（5V / 3.3Vなど） → 二次LDOレギュレーション / ローカルノイズフィルタリング

この電源アーキテクチャはより合理的です。MCU、エンコーダ、サンプリングアンプ、通信トランシーバはクリーンで安定した低電圧電源を必要としますが、MOSスイッチとモータの位相線は強いノイズを発生させます。低電圧電源の耐干渉性能が不十分な場合、最初に発生する不具合は通常、モータの誤動作ではなく、急激な角度変化、通信途絶、または電流サンプリング値のドリフトです。

05 電流と温度の検出：ロボット関節は出力トルクをリアルタイムで監視する必要がある

 

図7：複数のR001低抵抗センス抵抗が三相電源部の下に配置されている。

R001コンポーネントは、この基板上で非常に重要な部品であり、モーターの相電流またはバス電流を測定するために使用されるミリΩレベルの低抵抗（通常1mΩ）のセンス抵抗です。BLDCモーターの出力トルクは相電流と強く相関するため、電流検出はロボット関節の閉ループ制御の中核を成します。

つまり、コントローラは関節のトルク出力を「推測」するのではなく、検出抵抗の両端の微小な電圧降下を測定することによって電流を計算する。

センス抵抗の両端の電圧降下 → 増幅とフィルタリング → ADCサンプリング → 電流計算 → FOCトルク制御

このシグナルチェーンの精度は、以下の点に直接影響します。

トルク制御精度：電流推定が不正確な場合、トルク出力も不正確になります。

低速時の滑らかさ：サンプリングノイズが大きいと、低速時にジッターが発生しやすくなります。

過電流保護：応答が遅いとMOSFETが焼損する可能性があり、感度が高すぎると保護機能が誤作動する原因となります。

熱管理戦略：持続的な高電流は、モータ巻線、MOSFET、および電流検出抵抗器の温度上昇を同時に引き起こします。

レイアウトの観点から見ると、電流検出抵抗をMOSFETや位相配線の近くに配置することで、大電流ループが短縮され、寄生インダクタンスやサンプリング誤差の低減に役立ちます。各位相の近くには多数の小型抵抗とコンデンサが配置され、一般的にゲートダンピング、サンプリングフィルタリング、ドライバ安定化、および局所的なデカップリングに使用されます。

温度検出も同様に不可欠です。MOTOR NTCラベルは、モーター内部または巻線付近にサーミスタが設置されていることを示します。ヒューマノイドロボットの関節では、低速高トルク動作、長時間の静止保持、立ち上がりやしゃがみ込み時の一時的な衝撃などにより、いずれも大幅な温度上昇が発生します。NTCにより、コントローラは温度に基づいて次の3つの重要な機能を実行できます。

電流制限：温度上昇に伴い最大出力電流を低減します。ディレーティング：持続的な重負荷時のピークトルクを制限します。

保護シャットダウン：温度が安全閾値を超えると、故障モードに移行します。

これは、プロ仕様のロボット関節に必須の基本的な機能です。温度閉ループ制御がなければ、最大トルク定格が高くても、関節は長期間にわたって安定して動作することはできません。

06 位置検出：デュアル磁気エンコーダとギアにより、1回転角度を複数回転位置測定値に変換します。

PCBAを取り外すと、裏側に小さな歯車構造がいくつか見える。これらは主減速ギアではなく、角度検出用に設計された補助機構である。

 

図8：制御基板の裏面にあるギアと磁気エンコーダ領域

 

図9：中央軸の回転により、隣接する2つのピニオンギアが同期して回転する。

構造的には、中央シャフトの回転によって2つの小型ギアが駆動されます。各小型ギアの中央には磁気部品が取り付けられており、PCBAの裏面にある対応する位置に磁気エンコーダICが実装されています。磁気エンコーダは磁場の角度変化を測定するため、光学回折格子ディスクは不要です。また、軽度の油汚れや粉塵にも耐性があるため、完全に密閉されたロボット関節に適しています。

 

図10：デュアルギアとデュアルエンコーダ構造により、角度分解能が向上し、複数回転位置検出が可能になります。

ここで最も注目すべきは、「デュアルギア＋デュアル磁気エンコーダ」構成です。その価値は、単に精度を高めるために2つ目のセンサーを追加するだけにとどまりません。おそらく、マルチターン絶対位置エンコーディング方式を実現するために設計されているのでしょう。

単一の磁気エンコーダにより、0～360°の範囲で角度を正確に測定します。

しかし、関節は複数回転する可能性があり、1回転エンコーダでは回転数を単独で検出することはできません。

2つの歯車の歯数やギア比が異なる場合、それらはバーニアのような相関関係を形成します。

2つの角度測定値を組み合わせることで、コントローラーはより広い範囲にわたる絶対位置を計算する。

この構造はヒューマノイドロボットに大きな価値をもたらします。電源が切れた後、脚、腕、または腰の関節は外部からの力によってずれてしまう可能性があります。電源を再投入した際、広範囲にわたる原点復帰動作を必要とする関節は効率が低下し、安全上の危険が生じる可能性があります。マルチターン絶対位置センシングにより、電源が復旧するとすぐに関節が姿勢データを取得できます。