MODULE M3 · 10.0 HOURS

致動器與控制器選型

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LEARNING OBJECTIVES

本模組目標

  1. 理解 DYNAMIXEL XM430-W350-T 致動器的額定電壓、電流與通訊特性。
  2. 熟悉 OpenCR 1.0 控制器的 DYNAMIXEL 連接埠架構與 12V 電源分離結構。
  3. 設計使用 FSR 402 感測器與 10kΩ 電阻的分壓電路。
  4. 計算系統電源需求並建立獨立分路保險絲保護設計。

致動器與控制器系統設計理論

1. 致動器選型與電源特性

為了機器手的精密驅動，採用 DYNAMIXEL XM430-W350-T。此致動器於 12V 額定電壓下運作，失速 (Stall) 電流為 2.3A [S11]。整個機器手由 11 台致動器組成，總失速電流合計約達 25.3A。因此，為了穩定驅動，需要獨立的電源供應體系。

2. 控制器架構

OpenCR 1.0 搭載 216MHz ARM Cortex-M7 處理器，適合即時控制 [S13]。此控制器支援將 12V 致動器電源與邏輯/感測器電源進行物理分離的架構。由於 FSR 感測器等類比輸入必須在 0~3.3V 範圍內處理，感測器分壓電路務必由 OpenCR 的 3.3V 感測器軌供電 [S13]。

3. 過電流保護與電源分路設計

使用輸出 138W 的 MEAN WELL GST160A12-R7B 轉接器 3 台 [S15]。各轉接器額定電流為 11.5A，據此建立 3 個獨立的 12V 分路。每個分路均安裝 10A ATOF 串聯式保險絲，以在發生過電流時保護電路 [S24, S25]。保險絲應設定低於額定電流 11.5A，以達成保護協調性。

4. 感測器訊號獲取

FSR 402 具有壓力增加時電阻降低的特性 [S12]。將其與 10kΩ 固定電阻以電壓分壓器連接，將力變化轉換為電壓訊號，並輸入至 OpenCR 的 12bit ADC 埠 [S12, S13, S26]。

WORKED EXAMPLES

講解範例

  1. 範例 1：確認各分路最大電流。若單一分路連接 4 台 XM430 致動器，失速電流合計為 4 * 2.3A = 9.2A。此數值滿足轉接器 11.5A 額定與串聯式保險絲 10A 額定，維持在安全範圍內 [S11, S15, S25]。
  2. 範例 2：FSR 分壓電路電壓計算。在 3.3V 供應電壓下，當 FSR 電阻為 R_fsr 時，ADC 輸入電壓 V_adc = 3.3 * (10k / (10k + R_fsr)) V。依據感測器範圍 (0.2N~20N) 確認電阻變化，以校準確保不超過 0~3.3V 範圍 [S12, S13, S26]。

LAB PROTOCOL

電源分路建構與 ADC 感測器介面實習

  1. 1

    於每個 MEAN WELL 轉接器輸出端連接 0AFH0001Z 保險絲座並插入 0287010 10A 保險絲。

  2. 2

    將三用電表設為 DC 電壓模式，確認各分路電壓皆為穩定的 12V。

  3. 3

    使用 10kΩ 電阻與 FSR 402 在 OpenCR 的 3.3V 感測器軌上架設分壓電路。

  4. 4

    在無電源狀態下，確認分壓電路輸出電壓位於 0~3.3V 範圍內。

安全檢查
  • 作業開始前，請物理斷開 3 台轉接器的 AC 電源，並確認三用電表顯示為 0V。
  • 必須隨時佩戴耐衝擊防護眼鏡。
  • 電源開啟時，絕不可更改電路或觸碰線路。
  • 明示保險絲僅用於過電流截斷，不得作為計畫停止手段。

實驗繳交成果

  • 各分路 12V 輸出測量紀錄表
  • FSR 分壓電路組裝完成照
  • 配置好的線路圖

ASSIGNMENT

電源分路與保護設計審核

繳交成果

評分標準

  • 獨立保險絲是否已準確配置於各分路？
  • 致動器分路分配是否符合 4/4/3 之規定？
  • 感測器電源是否由 3.3V 感測器軌（而非 12V）供應？

KNOWLEDGE CHECK

理解檢查

1使用 FSR 402 感測器與 10kΩ 電阻的分壓電路，正確的電源連接為何？
2XM430-W350-T 致動器的失速電流值為何？
3電源分路設計中絕對禁止的行為為何？

FIELD CHECK

完成標準

  • 實習中已用三用電表驗證 3 個獨立分路的 12V 電壓
  • 已完成 FSR 402 感測器分壓電路配線與 ADC 輸入電壓範圍確認
  • 提交電源分路與保護設計報告並通過

MODULE SOURCES

本模組參考資料

  1. DCX 10 L 10 mm, precious metal brushes, DC motor DCXmaxongroup.com · datasheet
  2. ESP32 Wi-Fi & Bluetooth SoC | Espressif Systemsespressif.com · datasheet
  3. XM430-W350 e-Manualemanual.robotis.com · datasheet
  4. OpenCR 1.0emanual.robotis.com · technical_documentation
  5. GST160A12-R7B Enclosed Desktop Power Adaptermeanwell.com · datasheet
  6. ATO AFH Series In-Line Fuse Holderlittelfuse.com · datasheet
  7. ATOF 287 Series 10 A Blade Fuselittelfuse.com · datasheet
  8. FSR Model 402interlinkelectronics.com · datasheet
  9. 10K Ohm 5 Percent 1/4W Through-Hole Resistorsadafruit.com · technical_documentation