PE Czterokwadrantowy tyrystorowy napęd DC Fuji Archiwum

PE Czterokwadrantowy tyrystorowy napęd DC Fuji Archiwum

Dokumentacja: https://drive.google.com/open?id=1lFhLkkYsnEOlnWkyTh6B-5skddzPa8Ie

  Japoński koncern Fuji oferuje kompletny czterokwadrantowy napęd prądu stałego DC do napędzania wrzeciona ( ang spindle ) maszyn sterowanych komputerowo z automatyczną zmianą narzędzi. Normą we współczesnym cywilizowanym świecie jest kompletny w 100% towar i usługa. Tylko nowoczesna i złożona produkcja jest wysokorentowna i dostarczane podsystemy złożonych systemów też są skomplikowane. Tylko koncerny są w stanie zaoferować kompletne dostawy rodzin napędów.

W dokumencie nie podawano informacji podstawowych ! Bez nich dokument jest raczej mało zrozumiały.

Silnik ma wbudowany tachogenerator a większe jednostki także wentylator. Elektronika jest skompletowana z silnikiem. Opcją jest odwzbudzanie silnika pozwalające na uzyskanie większej prędkości jeśli nie jest wymagany moment maksymalny. Jako opcje oferowane są dodatkowe moduły do mocowania na wtykach głównej płyty drukowanej servo drive realizujące funkcjonalności do wymiany narzędzia czyli pozycjonowanie wrzeciona odpowiednim sensorem. Sprawę realizacji tej funkcjonalności jako zupełnie odrębnej od elektroniki mocy i typowej dla maszyn CNC pominięto.

Zastosowano dwa antyrównoległe pełne mostki tyrystorowych. Użyto w nich 6 modułów zawierających po dwa antyrównoległe tyrystory w każdym. Jednostki większej mocy na napięcie 440 Vac stosują pojedyncze tyrystory

1.Na zasilającym trójfazowym wejściu mocy użyto do obcięcia zakłócających szpilek napięcia trzech warystorów połączonych w trójkąt. Tyrystory blokują napięcie międzyprzewodowe i łączenie warystorów w gwiazdę byłoby bezsensowne jako że nie występuje tam nigdzie napięcie fazowe i punkt neutralny N. Ponieważ zakłócenia są asymetryczne to połączenie warystorów na napięcie 1.73 razy mniejsze w gwiazdę da do ca 15% gorszą ochronę. Moc impulsu i grubość dyskowego warystora dla danej średnicy warystora jest proporcjonalna do napięcia z czego wniosek że należy stosować zawsze połączenie w trójkąt także zajmujące mniej miejsca i tańsze jako że cena warystora rośnie z jego średnicą i grubością. Zwrócić należy uwagę na to że są stosowane dwie konwencje oznaczania napięć warystorów. W pierwszej podane jest napięcie zmienne chronionego obwodu a w a drugiej napięcie stałe na warystorze przewodzącym prąd 1 mA. Przy normalnym napięciu sieciowym warystor musi być „zimny”. Przegrzewający się warystor obniża swoje napięcie i w końcu rozżarzony warystor zamienia się w kupkę popiołu niszcząc przy tym płytę drukowaną na której jest zamontowany. Chociaż nowoczesny warystor bazujący na tlenkach cynku ZnO wynaleziono w Japonii to masowa produkcje podjął koncern GE ale w Japonii są one produkowane masowo i tanie.

2.Do ochrony zwarciowej tyrystorów zastosowano specjalne szybkie bezpieczniki sprzężone z mikroprzełącznikami, normalnie otwartymi. Funkcje OR zrealizowano łącząc mikroprzełączniki równolegle. Sygnał podany jest dalej do logiki na płycie drukowanej elektroniki. Prąd zwarcia ogranicza impedancja sieci zasilającej, indukcyjność rozproszenia transformatora lub dławiki komutacyjne. Powinien on być bezpieczny dla tyrystorów. Dla zwiększenia odporności tyrystorów na zakłóceniowe załączenie statyczne du/dt i zwarcie, bramki tyrystorów zbocznikowano równoległymi dwójnikami RC

3.Nie są stosowane drogie izolowane sensory prądu stałego a mierzona jest zamiast tego wartość prądu zmiennego. Dwa przekładniki prądowe na fazach połączone są z niby gwiazdę. Ponieważ w każdym momencie suma prądów trójfazowych w układzie bez przewodu zerowego jest zerowa to trzeci przekładnik nie wniósł by żadnej dodatkowej informacji. Natomiast napięcia na uzwojeniach wtórnych dwóch przekładników są inne niż w przypadku 3 przekładników ale błąd jest znikomy. Rezystor obciążenia przekładników zastosowano za 6 diodowym mostkiem trójfazowym aby wyeliminować wpływ nieliniowości diod tego mostka.

4.Sześć gasików RC 12 tyrystorów umieszczono na płytce drukowanej. Do połączenia ich z dwoma antyrównoległymi mostkami trójfazowymi potrzeba tylko 5 przewodów: U.V, W, DC+ i DC-.

5.Informacja o napięciach trójfazowych dla układu synchronizującego sterowniki fazowe nie może być zniekształcona. Trójfazowe uzwojenie pierwotne transformatora zasilającego elektronikę sygnałową i podającego napięcia synchronizujące jest połączone w trójkąt aby prąd magnesowania rdzenia nie zniekształcał napięć. Uzwojenia „synchronizujące” są połączone w gwiazdę a wynikłe z tego przesunięcie fazowe 30 deg jest pokrywane przez filtry dolnoprzepustowe RC zmniejszające zakłócenia. Napięcia do prostowników pojemnościowych podano z dwóch innych uzwojeń gwiazdowych. Ponieważ ważny jest tylko moment przejścia napięć przez zera to w tych momentach prostowniki nie pobierają prąd i nie zniekształcają napięć spadkami na impedancji uzwojeń.

Regulatory 7815 dają napięcia +15 i – 15V do zasilania elektroniki oraz niestabilizowane napięcie +24V ( zasilające regulator 7815 ) do zasilania układów wyzwalania tyrystorów.

6.W konstrukcji elektroniki zastosowano układy logiczne CMOS rodziny CD4000, pojedyncze wzmacniacze operacyjne NEC uPD151 będące odpowiednikiem LM741 i takowe układy podwójne uPD251, proste układy hybrydowe których schemat wewnętrzny pokazano na schemacie elektroniki oraz sterowniki fazowe Siemens TCA780.

7.Translator wyjściowego napięcia analogowego komparatora ( w tej roli wzmacniacz operacyjny ) zasilanego napięciem +-15V do poziomu CMOS 4000 z zasilaniem +15V to opornik i dioda odcinająca napięcia ujemne na wejściu bramki. Translacji sygnału logicznego do poziomu elektroniki analogowej dokonuje komparator analogowy z odpowiednim napięciem na wejściu odniesienia.

8.W dokumentacji układu jednofazowego sterownika fazowego TCA780 wspomniano że można ich użyć w układzie trójfazowym ale nie podano żadnych informacji na ten temat. Układ jest trochę nietypowy. Użyto trzech układów TCA780, Q29,30,31.

Zazwyczaj sieciowy sygnał synchronizujący każdej fazy jest podany do dwóch prostych ( na przykład tranzystor) komparatorów. Oba nie działają do pewnego poziomu napięcia. W czasie około zera napięcia sieciowego zerowany jest kondensator generatora piłokształtnego. Układ TCA ma tylko jeden komparator bez strefy nieczułości. Przejście napięcia ( w dowolnym kierunku ) przez zero na wejściu 5 inicjuje rozładowanie kondensatora C10 generatora piłokształtnego. Na wejściu 5 w układzie scalonym jest tranzystor PNP o małym wzmocnieniu i stąd znaczny offset prądu a oprócz tego napięcia wejściowego komparatora. Offsety te dają asymetrie sterowania między połówkami okresu napięcia sieciowego. Aby się jej pozbyć fazowe napięcia synchronizujące z transformatora jednofazowego poprzez prosty podwójny filtr RC podano do komparatorów w układach hybrydowych HM4, HM5, HM6 ( HM= Hybrid Module ) i z komparatorów do sterowników fazowych TCA780. Użyto wyjść na pinach 14 i 15 Totem Pole wprost sterujących bramki OR w układach Q26, Q27. Układ TCA ma dość rozbudowaną logikę wyjściową ale jest ona z reguły niewykorzystana. Bez kondensatora na pinie 12 impulsy ma tych wyjściach po osiągnięciu kąta „alfa” trwają 30 us. Można je wydłużyć dając kondensator C12, które są zastosowane w układzie

Przy małych i średnich obciążeniach napędu przez silnik płynie nieciągły prąd. Wyzwolenie tylko tyrystora z grupy katodowej lub anodowej gdy nie przewodzi żaden z tyrystorów przeciwnej grupy jest niemożliwe. Stąd dla każdego tyrystora w mostku trójfazowym sumuje się wspomnianymi bramkami OR dwa sygnały z obu grup. Sygnał nowo wyzwolonego tyrystora i sygnał dla tyrystora z przeciwnej grupy który przy prądzie ciągłym by jeszcze przewodził.

Kolejnych 12 bramek AND w układach Q22,23,24 kieruje sygnały do 6 wejść wzmacniaczy wyzwalania bramek z dwóch grup antyrównoległych mostków lub do żadnego z nich. Użycie jako wzmacniaczy sygnałów wyzwalania układów hybrydowych HM1..6 wydaje się zbędne bo zupełnie wystarcza tranzystory oraz rezystory, diody i dioda Zenera. Dodatkowo bramki służą do siekania impulsów sygnałem z generatora o częstotliwości circa 30KHz na układzie Q18. Stosunkowo wysoka częstotliwość generatora pozwala zminiaturyzować transformatorki bramkowe których jest aż 12 czyli tyle ile tyrystorów. W rozwiązaniu tym pojawia się jitter fazy impulsów bramkowych ale z racji wysokiej częstotliwości siekania jest mało istotny.

9.Serwo wykonano w typowej topologii trój - kaskadowej. Najbardziej wewnętrzny jest regulator PI prądu silnika, następny regulator PI prędkości i normalnie w CNC programowy regulator P położenia. Natomiast tutaj regulacje położenia wrzeciona dla zmiany narzędzia wykonuje układ na płytkach opcji, który czytelnik może sam analizować jako że w dokumentacji podano ich schematy i stosowane sensory położenia.

Regulator PI prędkości wykonano na odwracającym wzmacniaczu operacyjnym Q1. Aranżacja wokół niego jest tak skomplikowana z racji współpracy z płytami opcji pozycjonującej wrzeciono do wymiany narzędzi. W stanie spoczynkowym całkowanie jest oczywiście wyzerowane tranzystorem FET1. Prosty układ hybrydowy HM1 ( dla HM1 pokazano schemat wewnętrzny ) zapobiega przekraczaniu napięć wyjściowych przez regulator PI. Poziomy są określone zewnętrznymi rezystorami przy HM. W układzie kaskadowym te poziomy odpowiadają prądom maksymalnym silnika. Poziomy te są najczęściej symetryczne.

Regulator PI prądu wykonano na odwracającym wzmacniaczu operacyjnym Q3 i zapobiegający jego nasyceniu układzie HM2 identycznym jak HM1. Sygnał z tego regulatora prądu podano do scalonych sterowników fazowych TCA780 i od dolnej strony jest on już mały dodatni czyli asymetryczny zgodnie z wymogami układu TCA

Sygnał z regulatora prędkości podano do regulatora prądu poprzez prostownik idealny na wzmacniaczach operacyjnych układu Q2.

Zmianę znaku żądanego prądu wymagającą zmiany aktywnego mostka tyrystorowego detekuje jeden ze wzmacniaczy układu Q3. Przy każdej zmianie znaku zadanego prądu układ HM3 sterowany sygnałem logicznym podaje regulatorowi prądu sygnał powodujący szybki ale stopniowe przejście na maksymalny kąt wyzwalani tyrystorów do zaniku prądu silnika. Po chwili blokowane są wzmacniacze przez 12 wspomnianych bramek AND. Następnie aktywowane są wzmacniacze bramkowe przeciwnego mostka i zdjęty sygnał odsterowujący regulator PI prądu. Przy zmianie znaku prądu prąd ma jak najszybciej ale płynnie zaniknąć i płynnie wzrastać już ze zmienionym znakiem. Logika i układy czasowe przełączania mostków nie jest skomplikowana. Musi być ona bardzo pewna w działaniu dlatego że aktywacja nowego mostka przy przewodzeniu tyrystora poprzedniego mostka oznacza zwarcie sieciowe ! Lepsze jest rozwiązanie z dodatkowym monitoringiem komparatorem prądu silnika. Pozwala ono skrócić szkodliwy czas martwy gdy niewielki prąd szybciej zaniknie.

10.Serwo jest sterowane asymetrycznym sygnałem napięciowym. Lepszym rozwiązaniem jest wejście symetryczne mocno tłumiące zakłócenia powstające na połączeniach. Ale w maszynie CNC napęd spindle jest jeden i w jego ramach zakłócenia nie są duże. System zawiera logikę niezbędną do komunikacji i współpracy z PLC i komputerem. Logika melduje też stan napędu a w szczególności blokuje go gdy zbyt wysoka jest temperatura i gdy zadziała któryś bezpiecznik. Temperatura mocno psuje parametry dynamiczne tyrystorów i przy wysokiej temperaturze praca ich staje się ryzykowna bowiem skutkiem zakłóceniowego wyzwolenia stromościowego du/dt będzie zwarcie międzyfazowe.

11.Moduł FREQ dostarcza silnikowi napędu nominalne napięcie wzbudzenia 220Vdc ale gdy silnik obraca się szybko czyli duże jest na nim napięcie obniża on wzbudzenie silnika pozwalając na większą szybkość pracy napędu. Jednak przy odwzbudzaniu brany jest pod uwagę prąd silnika mierzony bocznikiem SH tak aby prąd nie wzrósł nadmiernie skutkiem osłabienia wzbudzenia. Silnik może szybciej pracować ale tylko ze zmniejszonym momentem napędowym. Użyto w nim sterownika fazowego TCA780 oraz wykonawczej pary antyrównoleglej tyrystorów oraz mostka prostowniczego. Schemat jest oczywisty.

12.Mankamentem tyrystorowych napędów DC jest drogi i ciężki silnik prądu stałego wymagający okresowej wymiany szczotek, ograniczone pasmo częstotliwości proporcjonalne do częstotliwości sieci i ilości pulsów prostownika ( tutaj dla mostka m=6 ) oraz praca falownikowa przy hamowaniu z dużymi kątami wyzwolenia tyrystorów z możliwością przewrotu falownika przy spadkach napięć w sieci towarzyszących rozłączanym zwarciom.

Pobierają też zniekształcony prąd z sieci o sporych wysokich harmonicznych dających szpilki napięć.

Pojawienie się tranzystorów Darlingtona w roli energoelektronicznych kluczy powoduje spadek popularności napędów tyrystorowych poza napędami dużej i wielkiej mocy.

13.Tylko sygnalizacyjnie o zmianie narzędzi w maszynie CNC wymagającej pozycjonowania napędu wrzeciona i celu automatyzacji.

Frezarka z automatycznym magazynem zmienianych narzędzi ( ATC - Automatic Tool Change ) to tak zwane centrum obróbcze. ATC z reguły ma napędy hydrauliczne ( ma też oczywiście zasilacz hydrauliczny ) ale sterowana jest przez PLC sygnałami elektrycznymi elektroserwozaworami hydraulicznymi. ATC ma też całkiem liczne sensory położenia i obecności. Automat ATC jest skomplikowany i drogi ale jest dla wydajnej frezarki opłacalną koniecznością. Automat narzędzia zmienia znacznie szybciej niż człowiek. W ramach G-code zmianę narzędzia adresem M06 poprzedza wybór narzędzia adresem Txx ( xx to numer narzędzia w magazynie) a spindle ( czyli wrzeciono ) musi być zatrzymany adresem M05 i zorientowany (OSS - Oriented Spindle Stop ) a oś Z ustawiona na właściwej wysokości.

Aby zrozumieć logikę konstrukcji maszyn CNC trzeba wyjaśnić kilka kwestii organizacyjnych w przemyśle. Oprogramowany mikrokomputer systemu CNC z odpowiednimi interfejsami i serwomechanizmy z reguły w świecie produkuje "jeden" ( w znaczeniu ten sam ) potężny koncern. Z uwagi na ograniczoną ilość pamięci ROM mikrokomputera CNC zawierającej interpreter G-kodów może być parę wersji oprogramowania ( z reguły są wersje dla "frezarek" i "tokarek" ) o różnym składzie interpretowanych G-kodów. Japoński koncern FANUC ( = Fuji Automatic Numerical Control ) to najpotężniejszy w świecie producent sterowań CNC. Fuji zaś to potężny koncern elektrotechniczno - elektroniczny.

Producent gotowej frezarki wykonuje korpus, przekładnie, śruby kulkowe... Do konstruowanej frezarki wybieramy i kupujemy sterowanie z trzema osiami z pożądanymi mocami serwosilników. W sterowanie FANUC-a czy innych producentów nie ma jednak ani invertera ani silnika spindle czyli wrzeciona. Można na przykład kupić odpowiedni silnik z inverterem koncernu Fuji. Można też zastosować silnik asynchroniczny beż żadnej regulacji obrotów. Silnik spindle ma z reguły zmienianą elektrycznie przekładnie aby przy różnych obrotach spindle pracował z pełną mocą. Do obróbki aluminium stosuje się duże szybkości spindle zaś do gatunkowych stali małe szybkości ale z dużym momentem obrotowym.

Magazyn ATC i współpracujący z nim zespół spindle z reguły nie jest bezpośrednio sterowany komputerem maszyny CNC ale jest sterowany osobnym sterownikiem PLC. Sterownik ten dostaje informacje z mikrokomputera o numerze xx w niektórych kodach Txx i Mxx i sygnał kiedy ma dokonać zmiany narzędzia. PLC więc wie które narzędzie ma przygotować i realizuje skoordynowany rozkaz ( sekwencje czynności ) do zmiany narzędzia. Co magazyn ATC to inny jest wymagany algorytm do jego sterowania. Program PLC realizuje też diagnostykę i wykrywanie błędów w działaniu. Co maszyna to inny sposób realizacji adresów Mxx. Mikrokomputer CNC mógłby też realizować funkcje PLC magazynu ale koncerny nie chcą aby mikrokomputer CNC wykonywał zadania PLC co wynika z niechęci i kosztów rozpatrywania w ogromnej większości bezpodstawnych reklamacji nabywców. Poza tym nie wiadomo ile i jakich specyficznych wejść i wyjść potrzebuje sterownik PLC magazynu. A sensory do ATC bywają dość "dziwne" i wymagają niekonwencjonalnych interfejsów. Producent frezarki lub dostawca ATC sam wykonuje program na zakupiony sterownik PLC odpowiedni do kompozycji frezarki z magazynem narzędzi.

Im bardziej skomplikowana jest obrabiarka tym większa jest wydajność jej pracy ale rośnie ilość możliwych powodów jej niesprawności.

Osobną sprawą jest automatyczne podanie detalu do obróbki i jego zamocowanie. Detal może być podany ramieniem robota lub dedykowaną maszyną, z reguły niezbyt skomplikowaną. Automatyczne mocowanie i zwolnienie detalu musi być inicjowane sygnałem elektrycznym ze sterownika PLC.

W dużym i drogim zautomatyzowanym zakładzie może pracować ponad 200 - 500 kosztownych i wydajnych maszyn CNC. Średniej wielkości centrum obróbcze z ATC na 20 narzędzi kosztuje circa 200 tysięcy dolarów. Koszt fabryki z 500 takimi maszynami to ponad 100 mln dolarów. Automatyczna fabryka pracuje 24 godziny na dobę oraz 7 dni w tygodniu. Awaria każdej unikalnej ( nie zrównoleglonej ) w linii maszyny może spowodować kosztowny przestój całej automatycznej linii produkcyjnej. Aby maksymalnie usprawnić diagnostykę i naprawę maszyn stosuje się jeden typ sterowań CNC oczywiście w wielu konfiguracjach i odmianach dla różnych maszyn. Obecny cały czas na miejscu inżynier i technik perfekcyjnie znają budowę systemu. W ciągu pojedynczych minut są w stanie stwierdzić która płyta drukowana PCB systemu elektroniki jest niesprawna i wymienić ją na nową jako że na miejscu mają duży magazyn części zamiennych. Bezcenną pomocą jest system diagnostyczny CNC z dobrą sygnalizacją błędów. Nawet poważne naprawy mechaniczne nie powinny długo trwać. Racjonalność ekonomiczna wymaga więc aby sprawność serwisu była proporcjonalna do wielkości zainwestowanego kapitału.

Komputerowe sterowania maszyn CNC i robotów cały czas się rozwijają. Pomocne w diagnostyce może być monitorowanie momentu obrotowego spindle lub z braku sensora monitorowanie prądu silnika spindle. System mógłby także zanotować szczytowe wartości prądów silników w poszczególnych programach obróbczych. Zdecydowanie za duże lub za małe obciążenia - prądy sygnalizują nieprawidłowości i nadchodzące kłopoty.

W maszynach sterowanych komputerowo CNC i robotach stosowane są obecnie serwomechanizmy elektryczne. Niepraktyczne serwomechanizmy hydrauliczne ( duży wydatek mocy dla zasilacza hydraulicznego i przecieki oleju ) powoli wychodzą z użycia w tej roli.