开源项目Amulet运动控制器总体介绍

资料来源：KiCad

“Amulet 运动控制器是一款与moteus 固件兼容的高功率无刷电机控制器。它设计用于集成到腿式机器人的定制准直接驱动(QDD) 执行器中。”

概览Amulet 专为集成到我们的四足机器人定制准直接驱动执行器中而开发。我们决定开发自己的电机控制器，以便在一些最关键的硬件上具有最大的灵活性。 Amulet控制器是moteus控制器的改进版本，具有更高的峰值功率、散热和冷却能力等。它运行moteus固件的改进分支。

名称Amulet 1.0输入电压12-44V 峰值相电流100A（待进一步测试） 峰值功率1500W（待进一步测试） 通讯5Mbps CAN-FD 散热低边开关12 风扇定位2 个板载14 位编码器PWM 开关频率15-60kHz 控制频率15-30kHz MCUSTM32G474 尺寸69.7 x 76.7mm

设计构架作者的设计和文档都相当标准和优雅。每个原理图的内容和页码都标注在原理图第一页的封面上（还做了跳转链接）。还添加了PCB 视图和相关注意事项。

原理图第二页给出了设计的框图，模块之间的连接关系清晰可见：

原理图第三页是设计的根图，实例化了框图；

初始设计引脚排列与moteus n1 控制器(https://github.com/mjbots/moteus) 几乎是一对一的映射，以便更轻松地进行固件移植。主要变化在于电源部分，其中包括一个12V 电源和一个用于ADC 参考的低噪声3V3 电源。降压输入通过Pi 滤波器进行滤波。大容量电容器的数量也有所增加，以实现更高的峰值功率。所选FET 采用双面冷却封装。这降低了封装的热阻，意味着可以使用外部散热器更有效地冷却FET。低侧开关风扇连接器也可用于冷却。在接地方案方面，决定在整个电路板上使用单一接地，并将返回路径限制在电路板的上半部分。就EMI/EMC 而言，单一接地始终优于分离接地，并且还有助于通过内部接地层进行冷却。

机箱地通过高阻抗RC网络连接到本地地。

电源时序设计了一种电源排序方案，以确保上电时的确定性行为。电压调节器的顺序如下：

通过实验验证电源时序非常重要，这样您就可以估计电路板投入运行所需的时间。示波器信号如下：

可以看出，供电时序并不完全遵循最初的估计。最明显的区别在于+A3V3电源（低噪声3V3），它具有某种软启动功能。这是一个需要注意的重要功能，因为moteus 固件使用该电源轨作为启动时ADC 测量的参考，以确定主板系列和版本。修改后的电源时序图如下：

RC 缓冲器为了减少振铃，设计中添加了可选的RC 缓冲器。它们尽可能靠近FET，但由于空间有限，我只能将0402 用于Csnub，将0603 用于Rsnub。这限制了缓冲器中消耗的最大功率。添加缓冲液之前：

添加缓冲区后：

我决定使用5 欧姆0.4W 电阻器和3300pF 电容器。事实证明，这在功耗和振荡阻尼之间取得了良好的平衡。添加缓冲液之前的超调量约为4%，而添加缓冲液之前的超调量为8-10%。

PCB Layout 的细节层叠结构电路板由6层组成，采用以下叠层结构：

层厚度功能L12ozSIG/PWRL21ozGNDL31ozSIG/PWRL41ozSIG/PWRL51ozGNDL62ozSIG/PWR 其中L2 和L5 是完整的接地层。为了获得良好的信号完整性和EMC，在每个电源和信号层旁边有一个完整的接地层非常重要。选择这种叠层是为了尊重这一限制并最大化电源层的数量（并行以增加载流能力）。

LayoutL1 层

第一层主要由信号组成，是唯一的阻抗控制层。在本项目范围内，阻抗控制并不是严格必要的，但我们决定对RS422 和CAN 接口使用100 欧姆的阻抗。由于制造能力的原因，选择100 欧姆作为CAN 的阻抗，而不是120 欧姆（120 欧姆所需的走线宽度/间距会增加价格）。最初，我尝试将CAN 收发器和终端电阻尽可能靠近连接器放置，以缩短短截线长度。最后，我决定将它们放置在我认为较大的地面返回路径下方，以避免数字线路的地面偏移。在收发器出现之前，CAN 线路使用差分信号，这意味着它们对共模噪声具有高度的免疫力。栅极驱动信号经过布线以最小化电感；保持走线短而宽，并让相关的返回路径靠近它。高侧驱动信号的返回路径以高侧FET 的漏极为参考。理想情况下，栅极驱动信号应在内层布线，以减少辐射到电路板外部的潜在噪声。然而，为了避免分裂+VBAT 平面（粉色），我决定将它们布线在外层。根据IEC60664-1标准，整个电路板应保持尽可能宽。可选的RC 缓冲器靠近FET 放置，以减少开关期间的振铃。

值得注意的是顶部部分，如果需要更紧凑的占地面积，可以将其折断。这样您就可以焊接电源线和CAN 线。

L3 层

第一内层专用于模拟信号和一些电源层。我们特别注意保持开尔文传感连接尽可能远离噪声信号。在两个相邻层中，它们都被地平面包围，并且在开尔文迹线上方和下方的地平面中没有来自任何一层的回流。

L4 层

3 层和4 层的布局需要非常小心。从图中可以看出，这两层没有信号交叉。这样做是为了避免这两层之间任何潜在的串扰，因为这两层的电介质厚度非常薄（仅0.18 毫米，比L2-L3 或L4-L5 之间的空间薄）。

L6 层

第6 层包含位置传感器、电容器、电源调节器和一些其他接口（热敏电阻和风扇）。您可能会问为什么我们在板上使用两个磁编码器。这是因为我们原来的QDD执行器使用了一个非常聪明的机制来明确减速后输出在哪里。如果没有第二个传感器，缩小后的位置将会变得模糊。

为了解决这个问题，我们的第一代执行器使用了与承载减速器具有相同系数的反向驱动减速器，它使第二编码器上方的第二磁铁旋转。这以非常紧凑的方式消除了输出的歧义，但不允许进行间隙估计，因为我们不测量输出的实际位置。

原理图 PCB

实物图

License阿帕奇2.0

开源地址最后这是项目的仓库：

https://p.eda.cn/d-1330707809523728384

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