Roboty i wnioski dla nas 23

Roboty i wnioski dla nas 23

"Servo Seidel

Wersja skrocona.

W serwomechanizmach firmy  F.A. Seidel stosowany jest silnik BLDC z wbudowanym hallotronami dajacymi sygnaly binarne okreslajace polozenie wirnika silnika czyli momenty komutacji sygnalow mocy sterujacych silnik. Silnik BrushLess DC jest trojfazowym silnikiem synchronicznym z magnesami trwalymi ale uzwojenia jego  sa tak zaprojektowane aby generowane bylo napiecie trapezoidalne zamiast sinusoidalnego jak zwykle.  Pozwala to uzyskac przy takim samym zaangazowaniu materialow maksymalny moment obrotowy silnika BLDC wiekszy o okolo  15% w stosunku do "sinusoidalnego" silnika synchronicznego. Przy idealnej komutacji pradu o stalej wartosci  miedzy fazami moment obrotowy jest staly. Z powodu indukcyjnosci uzwojen taka komutacja jest fizycznie niemozliwa co przy prostym algorytmie sterowania powoduje pulsacje momentu obrotowego w momentach komutacji co jest wada napedu z silnikiem BLDC.
Silnik ma takze wbudowany Tachogenerator AC. Natomiast sensor polozenia wspolpracuje z nadrzedna, komputerowa petla polozeniowa. Serwomechanizm ma wewnetrzna petle regulacji pradu silnika oraz kaskadowa petle regulacji predkosci. 

Moc z sieci trojfazowej podana jest do izolujacego transformatora mocy obnizajacego napiecie a dalej do szesciodiodowego mostka trojfazowego i "duzych"  (9 x 47uF) kondensatorow elektrolitycznych prostownika  Nominalne napiecie DC Rail wynosi 240Vdc. Jest to spowodowane z jednej strony niewielkimi nominalnymi napieciami silnikow a z drugiej wzglednie niewielkim napieciem maksymalnym ktore toleruja klucze mocy. Sa to tranzystory Darlingtona firmy Thomson typu ESM4045D z wyprowadzonymi bazami obu tranzystorow skladowych oraz super szybka dioda antyrownolegla. . W chwili obecnej wybor tych tranzystorow jest racjonalny bowiem moc przelacznika z tranzystorami Mosfet jest zbyt mala. Dodatkowo trzeba stosowac szeregowa diode z Mosfetem oraz szybka diode antyrownolegla w celu dezaktywancji wolnej  pasozytniczej diody obecnej w kazdym tranzystorze Mosfet.  Rozwiazanie takie byloby bardzo niepraktyczne i wyjatkowo drogie. Z kolei tranzystory IGBT nie sa jeszcze elementem ktory osiagnal dojrzalosc technologiczna a poza tym wykazuja destruktywny efekt zatrzaskiwania Latch Up przy duzych przeciazeniach pradowych. Czestotliwosc modulacji PWM mozliwa do osiagniecia z tyrystorami GTO jest zbyt mala do omawianego zastosowania nie mowiac o konwencjonalnych szybkich tyrystorach wymagajacych dodatkowo klopotliwych komutacyjnych elementow LC.
Napiecie Uceo dla uzytych tranzystorow wynosi 450V a napiecie  Ucer wynosi  1000V. W znanych rozwiazaniach bipolarne tranzystory zawsze pracuja z napieciem mniejszym od Uceo. Tylko teroretycznie jest mozliwa praca z napieciami az do Ucer. Wymaga to uzycia przewymiarowanych snubberow oraz dlawikow ograniczajacych stromosc pradu klucza a takze wymaga aktywnosci ukladu sterujacego (podaje on ujemne napiecie Ube blokujace tranzystor ) przed podaniem napiecia do obwodu mocy.
Regula jest niestosowanie w inverterach snubberow odciazajacych dynamicznie tranzystory mocy bowiem bardzo zmniejszaja one sprawnosc napedu przy malych mocach. Histogram pracy serwo pokazuje zas ze najczesciej pracuje on wlasnie  z mala moca.

Efektywne sterowanie bipolarnych tranzystorow mocy nie jest prosta sprawa. Niebezpieczny problem przeciagania pradu kolektora wystepujacy przy zbyt szybkim - mocnym wylaczaniu tranzystora szczegolowo omowiono w innym opracowaniu. Przeciagania nalezy zdecydowanie unikac poprzez niewchodzenie w obszar wlasciwego nasycenia oraz kontrolowanie szybkosci narastania pradu bazy klucza.  Z kolei przy zbyt powoli narastajacym pradzie wylaczania tranzystorow silnie wzrastaja straty dynamiczne.   Sterowniki gornych i dolnych kluczy mocy w kazdej galezi polmostka sa identyczne natomiast sa one innaczej sterowane.
Generalnie mozliwa sa dwa rozwiazanie. Drivery tranzystorow mocy moga otrzymywac sygnal poprzez szybkie transoptory tolerujace bardzo duze zaklocenia obecne przy przelaczaniu kluczy co zarazem zalatwia sprawe przesuwania poziomow oraz izolacji. W takim wypadku stosuje sie do pomiaru pradu faz silnika trzy uklady z liniowymi sensorami hallotronowymi. Sensory te sa dosc drogie i maja spore dryfty temperaturowe i dlugoczasowe. Uklad sterujacy jest izolowany od ukladu mocy co jest pewna zaleta.

Drivery tranzystorow mocy.
Wszystkie 6 driverow tranzystorow mocy ma identyczna budowe a sa tylko odmiennie sterowane i zasilane. Stad tez opis dotyczny tylko dolnego drivera tranzystora mocy fazy U. Idea budowy uzytych driverow jest znana od lat.
Finalny prad bazy klucza mocy zapewnia komplementarny wtornik emiterowy z gornym tranzystorem NPN T20-BD437 oraz dolnym tranzystorem darlingtona PNP  T21 - BD676. Umiarkowana szybkosc przelaczania tranzystora Darlingtona pozwala poprawnie uksztaltowac impuls pradu wylaczajacy tranzystor mocy. Dioda D34 pomiedzy kolektorem tranzystora mocy a bazami komplementarnego wtornika zapobiega szkodliwemu nasycenia klucza mocy. Praca na granicy obszaru aktywnego pozwala takze na minimalizacje niebagatelnej mocy sterowania i statyczna prace w niewielkimi pradami baz co ma duze znacznie wobec malego wzmocnienia tranzystorow wysokonapieciowych.
Po podaniu pradu (drivery sa sterowane pradowo a nie napieciowo !) na baze tranzystora T17 wylacza on tranzystor T18 i wlacza z opoznieniem wyznaczonym kondensatorem C21  tranzystor T19 sterujacy juz komplementarny wtornik mocy. Konieczne jest uzycie diody D33  zapobiegajacej nasyceniu tranzystora T17. W wypadku tranzystorow T18 i T19 jest to zbedne poniewaz sa one silnie i szybko  wylaczane.
Dolne drivery maja wspolne zasilanie +8V i -8V. Natomiast kazdy gorny driver musi miec osobny zasilacza. Taki zasilacz to uzwojenie na rdzeniu przetwornicy zasilacza oraz diody i kondensatory prostownika. Rozwiazanie jest wiec wzglednie proste. Jedynym mankamentem jest spore obciazenie kondensatorow elektrolitycznych prostownikow tetnieniami  i z tego wzgledu sa to kondensatory rodzaju LOW  ESR.
Gorne drivery sa sterowane pradem z kolektorow wysokonapieciowych tranzystorow NPN T15 (tranzystor typu 2N6517 w obudowie TO92) pracujacych w ukladzie wspolnej bazy i sterowanych pradowo od strony emitera zas dolne inverterem na tranzystorze Q16 wraz z dodatkowa dioda zapobiegajaca nasyceniu. Ujemny sygnal zalacza gorne drivery a dodatni dolne. Poniewaz Slew Rate uzytych wzmacniaczy - komparatorow PWM jest niewielki to powstaje naturalnie czas ochronny kiedy nie jest wysterowany ani driver gorny ani dolny.  Nie istnieje fizycznie mozliwosc jednoczesnego wysterowania obu driverow.

Pomiar pradow faz.
Na wyjsciu kazdego polmostka fazowego umieszczono rezystor mocy 22 mOhmy przez ktory plynie prad fazy. Prad ten jest podany do wzmacniacza roznicowego tworzacego wraz z wysokonapieciowymi tranzystorami PNP  sterowane  zrodlo pradowe pracujące w klasie B. Drugi wzmacniacz  majacy wzmocnienie -1 oraz drugi tranzystor PNP daja prad wyjsciowy przy zmienionej polaryzacji pradu wyjsciowego. Uzyte tranzystory PNP typu 2N6520 w obudowie TO92  maja napiecie  Uceo rowne 350V.
Prady wyjsciowe z fazowych ukladow pomiarowych podane sa poprzez multiplexery CMOS typu CD4053 do wzmacniacza roznicowego na trzech wzmacniaczach operacyjnych z ukladu IC23.

Uklad PWM.
Sygnal quasi-piloksztaltny uzyskuje sie inercyjnym obwodem R195(196) i C61  "calkujacym" sygnal prostokatny z generatora na ukladzie IC27 CMOS CD4060. Generator pracuje z tanim i pospolitym rezonatorem kwarcowym podnosnej koloru systemu PAL. Jumperami wybiera sie czestotliwosc modulacji 8.66 / 17.32 Khz.
Wzmacniacze operacyjne IC26 porownuja sygnal piloksztaltny PWM z sygnalem z regulatora PI pradu oraz tym sygnalem odwroconym przez wzmacniacz IC26 pracujacy ze wzmocnieniem -1. Tak wiec uzyty jest tutaj najbardziej efektywny mod BD modulacji PWM minimalizujacy pulsacje pradu wyjsciowego inwertera i dajacy najlepsze pasmo przepustowe w stosunku do czestotliwosci nosnej PWM. . Sprawa klasyfikacji schematow modulacji PWM jest osobnym tematem.   
Sygnal logiczny Disable odlacza wyjscia komparatorow - wzmacniaczy kluczami CMOS ukladu IC10-CD4053 natychmiast wylaczajac wszystkie drivery i klucze mocy. 

Regulator pradu
Regulator pradu o charakterystyce PI wykonano na wzmacniaczu IC26 w konwencjonalnej konfiguracji odwracajacej . Rezystor R305 i kondensator C362 wyznaczaja stala calkowania na 330us adekwatna do czestotliwosci sygnalu PWM. Ta czestotliwosc to pochodna "malej stalej czasowej systemu"  o ktorej mowa w teori sterowania. Sygnal Disable zeruje stan kondensatora integratora regulatora PI.  
Regulator nie ma srodkow ograniczajacych nasycenie regulatora jednak wobec malej stalej czasowej "nasycone" calkowanie nie ma to duzego znaczenia.
Do regulatora podano sygnal wyjsciowy z regulatora predkosci ograniczany ukladem bezpiecznego limitowania pradu silnika oraz mierzony sygnal pradu silnika.  

Regulator szybkosci
Zewnetrzne symetryczne napieciowe sygnaly sterujace przychodza do dwoch wzmacniaczy roznicowych z wejsc Eing1 i Eing2. Z uwagi na duze poziomy zaklocen na potencjale odniesienia uzycie sygnalow symetrycznych jest konieczne.   Sygnaly ze wzmacniaczy sa podane do regulatora predkosci typu PI wraz z sygnalem z Tachogeneratora. Sygnal Disable zeruje stan kondensatora integratora tego  regulatora PI.  Stala czasowa integratora tego regulatora wynosi 10ms. Wzmocnienie jest regulowane potencjometrem.
Regulator moze zostac tez skonfigurowany jako wzmacnaicz o wzmocnieniu -1. W takim wypadku sterujacy komputer podaje zadany sygnal pradu a nie predkosci.

Komutator
Uklady multiplexerow CD4053 dolaczaja w danym momencie do ukladu wytwarzajacego sygnaly PWM oraz wzmacniacza roznicowego systemu pomiaru pradu tylko dwie fazy z trzech. Jeden polmostek jest zawsze nieaktywny. Decyduja o tym binarne sygnaly z hallotronow wbudowanych w silnik. Sygnaly te podane sa na inwertery IC5-40106 oraz bramki NOR i OR IC7,8. Realizacja funkcji logicznych jest trywialna

AC Tacho
Trojfazowy sygnal z AC Tacho jest podany na 4 muliplexery CMOS typu CD4052 i dalej na wejscia dwoch kaskadowych wzmacniaczy odwracajacych IC21 i IC22. Multiplexery sa sterowane sygnalami logicznymi z komutatora i pelnia role prostownika fazoczulego bez strefy nieczulosci

Ochrona termiczna silnika.
Sygnal mierzonego pradu podany jest do kwadratora na wzmacniaczu IC23 pracujacego wraz z diodami zenera  a nastepnie usredniony z termiczna stala czasowa uzwojen ogranicza ukladem ze wzmacniaczami IC25 sygnal podany z regulatora predkosci do regulatora pradu. Parametry ukladu nastawiane sa trzema potencjometrami. System ochrony pozwala na  bezpieczne forsowanie silnika zapobiegajac jednak jego przeciazeniu cieplnemu.

Uklad bezpieczenstwa.
W kolektorach gornych tranzystorow polmostkow czyli przed szyna + DC Rail umieszczono rezystory mocy na ktorych napiecie monitoruje w kazdej fazie wysokonapieciowy tranzystor PNP. Zbyt duzy prad klucza  powoduje przewodzenie tranzystora i wyzwolenie przerzutnika RS FAULT na ukladzie IC15 generujacego sygnal Disable wylaczajacy klucze mocy i blokujacy integratory w regulatorach PI. Sygnal ten steruje takze transoptor oraz przekaznik ktore ten sygnal udostepniaja zewnetrznym systemom. Przerzutnik moze byc takze wyzwolony zadzialaniem przelacznika termometru umieszczonego na radiatorze kluczy mocy a takze zbyt malym i zbyt duzym napieciem "mocy" na DC Rail.
Uklad wykrywa niedozwolona komninacje sygnalow "111" z czujnikow hallotronowych.  

Ramp shaping. Limit position
Uklad ogranicza szybkosc zmian zadajacego sygnalu sterujacego co zapobiega wzbudzaniu silnych i slabo tlumionych drgan mechanicznych systemu mechanicznego  z serwomechanizmem. Limit switche powoduje zablokowanie ruchu serwomechanizmu w kierunku aktywowanego juz Limit Switcha co zapobiega mechanicznemu zniszczeniu systemu. Oczywiscie komputer sterujacy nie powinien w ogole wydac falszywego i destrukcyjnego polecenia ale jak widac system ma pozadana  redundacje systemu bezpieczenstwa.

Zasilacz
Elementem wykonawczym zasilacza impulsowego pracujacego w modzie Flyback  jest tranzystor mocy  Mosfet T3-IRF830. Jumperami ustawia sie napiecie zasilania zasilacza 240V lub 24V. Zastosowano Clipper RCD celem ograniczenia szpilek napiecia na Drenie tranzystora powstajacych w momencie jego wylaczania na skutek istnienia pasozytniczej indukcyjnosci rozproszenia transformatora mocy przetwornicy. Snubber RCD zmniejsza straty dynamiczne w tranzystorze. Zasilacz jest synchronizowany sygnalem 17.32 khz z generatora sygnalu nosnego PWM. Kontroller wykonano na szesciokrotnym inwerterze IC3 , CMOS CD40106 oraz podwojnym komparatorze LM393.  Uzycie przetwornicy bardzo uproscilo sprawe zasilania gornych driverow Darlingtonow mocy.
Stabilizowane jest napiecie +15V. Jego regulacja jest dobra ale regulacja innych napiec nie jest rewelacyjna co jest jednak bez zadnego znaczenia.  Zasilacz zasila takze drivery kluczy mocy  


Dojrzale uklady energoelektroniczne produkowane sa zaledwie w 10 krajach swiata co obrazuje skale trudnosci w konstruowaniu takich systemow. Servo firmy Seidel jest wykonane bardzo technologicznie co obrazuje jak wysoko stoi w Niemczech nauka i praktyka Maschinenbau.

A. Osobnym tematem wartym poruszenia jest uruchamianie systemow energoelektronicznych po ich montazu. Z uwagi na obecnosc wysokich napiec i kondensatorow elektrolitycznych o duzej pojemnosci zwarcia a nawet bledy funkcjonalne sa super destruktywne. Dlatego tez systemy takie powinny miec mozliwosc normalnej pracy przy bardzo silnie obnizonym napieciu. Wowczas energia zgromadzona w kondensatorach elektrolitycznych jest zbyt mala do destrukcji wykonawczych elementow mocy.
Sprawdzenie pracy inwertera przy malym napieciu a pelnym pradzie wyjsciowym jest jak najbardziej mozliwe. Wystarczy ze zasilacz impulsowy jest superszerokozakresowy lub mozna mu podac osobne zasilanie zamiast zasilania z DC Rail. Servo amplifier uruchamiany jest z napieciem 24V. Nalezy w tym celu  przestawic jumpery w zasilaczu.
Zamiast hallotronow przylaczamy przelaczniki a zamiast silnika rezystory mocy z szeregowymi indukcyjnosciami lub silnik BLDC na 24V o mocy 1/10 nominalnego silnika. Mozna zdiagnozowac wszelkie niedomagania funkcjonalne i ewentualnie dokonac naprawy. Dopiero wstepnie uruchomiony i przetestowany  drive testujemy pod pelnym napieciem zasilania i z pelna moca.   

B. Tranzystor ESM4045D w obudowie ISOTOP jest dosc szybki. Czas opadania pradu kolektora Tf wynosi okolo 250 ns.  Szybkosc narastania pradu przy wlaczeniu wynosi okolo 250A/us co przy pradzie wyjsciowym 20A i charakterystyce ultrafast diody antyrownoleglej przeklada sie na szczytowy prad wsteczny diody okolo Irm=20A. Tak wiec przy pelnym napieciu zasilania prad kolektora przy normlanym obciazeniu 30A osiaga okolo 50A po 200 ns od zalaczenia  i dopiero wtedy dioda przestaje przewodzic a napiecie na zalaczonym  tranzystorze gwaltownie spada. Niemniej jednak przez 200ns  chwile moc strat w tranzystorze jest astronomiczna. W warunkach normalnych regulator pradu eliminuje mozliwosc pradowego przeciazenia tranzystorow. W sytuacji awaryjnej czyli zwarcia prad kolektora gwaltownie narasta i konieczne jest szybkie wylaczenie invertera bowiem  takie ekscesy sa szkodliwe dla trwalosci  tranzystora.

C. Produkowane sa modulowe  tranzystory Darlingtona na prady przekraczajace 500A. Jest to rownolegle polaczonych kilkadziesiat struktur  typowych  tranzystorow. W module moze byc umieszony polmostek a nawet mostek trojfazowy. Tranzystor ESM4045D ma przy normalnych  pradach roboczych statyczne wzmocnienie  okolo 200 ale ono szybko spada przy wzroscie pradu kolektora. Tranzystory wielkopradowe wykonuje sie z tego wzgledu jako trojstopniowego Darlingtona. Ma on co prawda wieksze statyczne napiecie przewodzenia ale za to zmniejszona sklonnosc do przeciagania pradu kolektora. Dynamiczne napiecia przewodzenia roznia sie malo. Dobrym kandydatem na energoelektroniczny przelacznik jest tranzystor IGBT ale nie jest jeszcze obecnie elementem dojrzalym i mozliwym do masowego stosowania. Parametry statyczne i dynamiczne tranzystorow psuja sie przy wzroscie temperatury co jest motywem optymalizacji procesow przelaczania i sprawnego odbioru ciepla, Poniewaz podstawa obudowy ISOTOP jest izolowana to problem montazu tranzystorow  jest trywialny.

D. Uzyte drivery tranzystorow mocy sa proste. Uzyto w nich tylko tanich elementow typowych. Jest to bardzo istotne bowiem jednostka funkcjonalnosci w typowych masowo produkowanych elementach jest tania na tle elementow specjalnych. Produkcji masowej towarzyszy rygorystyczna kontrola jakosci. Powierzchnia zajmowana na PCB przez driver jest niewielka. Niemniej jednak funkcje drivera nalezy scalac a driver umiescic w module tranzystorow. Chip tranzystora SMD BC807 jest taki sam jak w popularnym tranzystorze BC327. 

E. Sercem komputera sterujacego maszyny CNC, z omawianymi servo wzmacniaczami,  jest procesor 80186 a konstrukcja tego wyspecjalizowanego komputera z pewnoscia nawiazuje do konstrukcji komputerow PC. Rozdzielczosc uzytej grafiki jak EGA jest wystarczajaca. Kazda os napedu steruje wyspecjalizowany mikrokontroller z wewnetrznymi pamieciami o ktorym niewiele  wiadomo. Prawdopodobnie sa to mikrokontrollery Intel 8096  wzbogacone o peryferia. Taki szybki mikrokontroller mogly teoretycznie  takze realizowac funkcje cyfrowego servo. Klopotliwa jest realizacja interfacow do Resolverow mierzacych polozenie w kazdej osi.  Koszt elementow komputera jest jednak niewielki na tle kosztu serwomechanizmow. 
Konstrukcja komputera sterujacego maszyne CNC czy robota jest osobnym tematem. W szczegolnosci musi on miec pasywny sygnalizacyjny Watchodog i aktywny Watchodog resetujacy system po utracie sciezki logicznej programu. Resetowi towarzyszy dla bezpieczenstwa blokada wszystkich serwomechanizmow 

Zalaczniki
Schemat Servo firmy F/A Seidel Electro - Automatic

1989"

Współczesnie znaleziony schemat "servo amplifier"
https://drive.google.com/open?id=0Bw8bcw1a74-nSkVOS0hJQ0pFNjg