Amulet 运动控制器 – 机械狗项目组件

“ Amulet 运动控制器是一款与 moteus 固件兼容的大功率无刷电机控制器。它专为集成到定制的准直驱（QDD）致动器中而设计，适用于有足机器人。”

概览

Amulet 是专为集成到我们为四足机器人定制的准直驱执行器中而开发的。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方面拥有最大的灵活性。

Amulet 控制器是 moteus 控制器的改进版，具有更高的峰值功率、散热和冷却能力等。它运行的是 moteus 固件的改进分叉。

名称	Amulet 1.0
电压输入	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)
通信	5Mbps CAN-FD
散热	Low-side switched 12 fan
定位	2 个板载 14 位编码器
PWM 开关频率	15-60kHz
控制频率	15-30kHz
MCU	STM32G474
尺寸	69.7 x 76.7mm

设计构架

作者的设计及文档相当规范，且优雅。在原理图中的第一页封面中标注了每个原理图的内容及页码（还做了跳转链接）。同时也加入了 PCB 视图及相关的注意事项。

原理图第二页就给出了设计的框图，模块之间的连接关系清晰可见：

原理图第三页为设计的根图纸，将框图实例化；

初始设计

引脚布局几乎与 moteus n1 控制器（https://github.com/mjbots/moteus）一一对应，以便更轻松地移植固件。主要改动在电源部分，其中包括一个 12V 电源和一个用于 ADC 基准的低噪声 3V3 电源。降压输入通过 Pi 滤波器滤波。大容量电容的数量也有所增加，以达到更高的峰值功率。

选择的 FET 采用双面冷却封装。这降低了封装的热阻，意味着使用外部散热器可以更有效地冷却场效应晶体管。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，并将回流路径限制在电路板的上半部分。就 EMI/EMC 而言，单一接地总比分路接地要好，而且还有利于通过内部地平面进行冷却。

机箱地线通过一个高阻抗 RC 网络连接到本地地线。

电源时序

设计了一个电源时序方案，以确保上电时的确定性行为。稳压器的排序如下：

通过实验验证电源时序非常重要，这样可以估算电路板进入工作状态所需的时间。示波器信号如下：

可以看出，电源时序并不完全遵循初始估计。最明显的差异是在 +A3V3 电源（低噪声 3V3 ）中，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 固件使用此轨作为启动时 ADC 测量的参考，以确定主板系列和版本。修改后的电源排序图如下：

RC 缓冲器

为了减少振铃，在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，我只能使用 0402 作为 Csnub，使用 0603 作为 Rsnub。这限制了缓冲器中的最大耗散功率。

添加缓冲器之前：

添加缓冲器之后：

我决定使用 5 欧姆 0.4W 的电阻及3300pF 电容。事实证明，这在功耗和振荡衰减之间取得了良好的平衡。添加缓冲之前过冲约为 4%，而添加缓冲之前为 8-10%。

PCB Layout 的细节

层叠结构

电路板由 6 层组成，采用以下层叠结构：

层	厚度	功能
L1	2oz	SIG/PWR
L2	1oz	GND
L3	1oz	SIG/PWR
L4	1oz	SIG/PWR
L5	1oz	GND
L6	2oz	SIG/PWR

其中 L2 和 L5 是完整的地平面。为了获得良好的信号完整性和 EMC，在每个电源层和信号层旁边都有完整的地平面非常重要。选择该层叠是为了尊重这种约束并最大化电源层的数量（这些电源层是平行的，以提高电流承载能力）。

Layout

L1 层

第一层主要由信号组成，是唯一的阻抗控制层。在本项目的范围内，阻抗控制并非绝对必要，但我们决定对 RS422 和 CAN 接口使用 100 欧姆的阻抗。选择 100 欧姆而不是 120 欧姆作为 CAN 的阻抗，是因为制造能力的原因（120 欧姆需要的走线宽度/间距会增加价格）。

起初，我试图将 CAN 收发器和终端电阻尽可能靠近连接器，以缩短 stub 的长度。最后，我决定将它们放置在我认为是大接地回流路径的下方，以避免数字线路的接地偏移。在收发器之前，CAN 线路采用差分信号形式，这意味着它们对共模噪声的抗干扰能力很强。

栅极驱动驱动信号的走线是为了最大限度地减少电感；短而宽的走线，相关的回流路径靠近它。high-side 驱动信号的回流路径参考 high-side FET 的漏极。理想情况下，栅极驱动驱动信号应在内层中布线，以减少辐射到电路板外部的潜在噪声。但是，为了避免分割 +VBAT 平面（粉红色），我决定将它们在外层布线。

根据 IEC60664-1 标准，整个电路板尽可能保持较大的间隙。

可选的 RC 缓冲器靠近 FET，以减少开关期间的振铃。

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

L3 层