來源：KiCad

“ Amulet 運動控制器是一款與 moteus 固件兼容的大功率無刷電機控制器。它專為集成到定制的準直驅(QDD)致動器中而設計，適用于有足機器人?！?br />

概覽 Amulet 是專為集成到我們?yōu)樗淖銠C器人定制的準直驅執(zhí)行器中而開發(fā)的。我們決定開發(fā)自己的電機控制器，以便在一些最關鍵的硬件方面擁有最大的靈活性。 Amulet 控制器是 moteus 控制器的改進版，具有更高的峰值功率、散熱和冷卻能力等。它運行的是 moteus 固件的改進分叉。

設計構架

作者的設計及文檔相當規(guī)范，且優(yōu)雅。在原理圖中的第一頁封面中標注了每個原理圖的內容及頁碼（還做了跳轉鏈接）。同時也加入了 PCB 視圖及相關的注意事項。

原理圖第二頁就給出了設計的框圖，模塊之間的連接關系清晰可見：

原理圖第三頁為設計的根圖紙，將框圖實例化；

初始設計

引腳布局幾乎與 moteus n1 控制器（https://github.com/mjbots/moteus）一一對應，以便更輕松地移植固件。主要改動在電源部分，其中包括一個 12V 電源和一個用于 ADC 基準的低噪聲 3V3 電源。降壓輸入通過 Pi 濾波器濾波。大容量電容的數(shù)量也有所增加，以達到更高的峰值功率。 選擇的 FET 采用雙面冷卻封裝。這降低了封裝的熱阻，意味著使用外部散熱器可以更有效地冷卻場效應晶體管。低側開關風扇連接器也可用于冷卻。 在接地方案方面，決定在整個電路板上使用單一接地，并將回流路徑限制在電路板的上半部分。就 EMI/EMC 而言，單一接地總比分路接地要好，而且還有利于通過內部地平面進行冷卻。

機箱地線通過一個高阻抗 RC 網絡連接到本地地線。

電源時序

設計了一個電源時序方案，以確保上電時的確定性行為。穩(wěn)壓器的排序如下：

通過實驗驗證電源時序非常重要，這樣可以估算電路板進入工作狀態(tài)所需的時間。示波器信號如下：

可以看出，電源時序并不完全遵循初始估計。最明顯的差異是在 +A3V3 電源（低噪聲 3V3 ）中，它具有某種軟啟動功能。這是一個需要注意的重要功能，因為 moteus 固件使用此軌作為啟動時 ADC 測量的參考，以確定主板系列和版本。修改后的電源排序圖如下：

RC 緩沖器

為了減少振鈴，在設計中添加了可選的 RC 緩沖器。它們盡可能靠近 FET，但由于空間有限，我只能使用 0402 作為 Csnub，使用 0603 作為 Rsnub。這限制了緩沖器中的最大耗散功率。 添加緩沖器之前：

添加緩沖器之后：

我決定使用 5 歐姆 0.4W 的電阻及3300pF 電容。事實證明，這在功耗和振蕩衰減之間取得了良好的平衡。添加緩沖之前過沖約為 4%，而添加緩沖之前為 8-10%。

PCB Layout 的細節(jié)

層疊結構 電路板由 6 層組成，采用以下層疊結構：

其中 L2 和 L5 是完整的地平面。為了獲得良好的信號完整性和 EMC，在每個電源層和信號層旁邊都有完整的地平面非常重要。選擇該層疊是為了尊重這種約束并最大化電源層的數(shù)量（這些電源層是平行的，以提高電流承載能力）。

Layout

L1 層

第一層主要由信號組成，是唯一的阻抗控制層。在本項目的范圍內，阻抗控制并非絕對必要，但我們決定對 RS422 和 CAN 接口使用 100 歐姆的阻抗。選擇 100 歐姆而不是 120 歐姆作為 CAN 的阻抗，是因為制造能力的原因（120 歐姆需要的走線寬度/間距會增加價格）。 起初，我試圖將 CAN 收發(fā)器和終端電阻盡可能靠近連接器，以縮短 stub 的長度。最后，我決定將它們放置在我認為是大接地回流路徑的下方，以避免數(shù)字線路的接地偏移。在收發(fā)器之前，CAN 線路采用差分信號形式，這意味著它們對共模噪聲的抗干擾能力很強。 柵極驅動驅動信號的走線是為了最大限度地減少電感；短而寬的走線，相關的回流路徑靠近它。high-side 驅動信號的回流路徑參考 high-side FET 的漏極。理想情況下，柵極驅動驅動信號應在內層中布線，以減少輻射到電路板外部的潛在噪聲。但是，為了避免分割 +VBAT 平面（粉紅色），我決定將它們在外層布線。 根據 IEC60664-1 標準，整個電路板盡可能保持較大的間隙。 可選的 RC 緩沖器靠近 FET，以減少開關期間的振鈴。

值得注意的是頂端部分，如果需要更緊湊的占地面積，可以將其折斷。這樣就可以焊接電源線和 CAN 線。

L3 層

第一內層專門用于模擬信號和一些電源平面。我們特別注意將開爾文感應連接盡可能遠離噪聲信號。在相鄰的兩層中，它們都被地平面包圍，開爾文走線上下的接地平面中沒有來自任何一層的回流。

L4 層

在第 3 層和第 4 層的布局需要相當小心。從圖片上可以看出，這兩層上沒有信號相互交叉。這樣做是為了避免這兩層之間出現(xiàn)任何潛在的串擾，因為這兩層的介質厚度非常?。ㄖ挥?0.18 毫米，比 L2-L3 或 L4-L5 之間的空間還要?。?。

L6 層

第 6 層用于安裝定位傳感器、電容器、電源調節(jié)器和其他一些接口（熱敏電阻和風扇）。 你可能會問，為什么我們要在電路板上使用兩個磁性編碼器。這是因為我們最初的 QDD 執(zhí)行器使用了一種非常巧妙的機制，可以在減速后明確輸出的位置。如果沒有第二個傳感器，減小后的位置就會模糊不清。

為了解決這個問題，我們的第一代致動器采用了與承載式減速器相同系數(shù)的反向驅動減速器，使第二個編碼器上方的第二塊磁鐵旋轉。這樣就能以非常緊湊的方式消除輸出歧義，但無法進行反向間隙估算，因為我們并沒有測量輸出端的實際位置。

原理圖 & PCB

實物圖

License

Apache 2.0

開源地址

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