Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение T-Duke » 14 фев 2017, 07:29

Попробуем здесь разобрать внутреннее устройство тиристорных регулируемых выпрямителей, которые устанавливаются на различные китайские станки малого калибра.

Вот схема одного из таких контроллеров:
XMT-2335 ориг.JPG


Вот первая итерация функциональной декомпозиции:
XMT-2335.gif


Сделал я ее уже не помню когда - примерно 2 года назад, по быстрячку, основываясь на обсуждении в одной из тем на другом сайте. Естественно могут быть неточности, или ошибки. По сему, начнем вторую итерацию.

Главными силовыми элементами здесь выступают тиристоры Q5, Q6 и диоды D13 D14. Они образуют выпрямитель мостового типа, который выпрямляет переменный ток сети 220В с частотой 50Гц в постоянный ток, которым питается управляемый двигатель. От характеристик этих двух тиристоров и диодов, напрямую зависит ток, который способна отдавать схема в нагрузку. Поэтому, если есть нужда увеличить нагрузочную способность выпрямителя, следует заменить эти элементы на более силовые.

Работа выпрямителя основана на принципе похожем на ШИМ с низкой частотой 100Гц (фазо-импульсная модуляция). Для регулирования тока, который отдается в нагрузку используется метод задержки включения тиристоров (задержка по фазе) относительно начала синусоиды сетевого напряжения. Если открывать тиристоры сразу же после перехода синусоиды через нулевое напряжение, тогда ток отдаваемый в нагрузку, будет максимальным. Если же включать тиристоры со задержкой, Величина тока (средняя) начнет уменьшаться. И чем позже мы включаем тиристоры относительно начала перехода сетевой синусоиды через ноль, тем меньше будет выпрямленное напряжение на нагрузке и следовательно тем меньшим будет ток в нагрузке.

Стабилизация оборотов при изменении нагрузки на двигатель.

Для достаточно хорошего управления электродвигателем, нужно получать ОС по току потребляемому оным. Поэтому ток двигателя измеряется шунтом на R21 и используется в цепи поддержания неизменных оборотов двигателя.
Поддержание неизменных оборотов основано на принципе компенсации падения напряжения на активном сопротивлении обмотки двигателя. Сам принцип работы электродвигателя говорит, что если бы у него не было активного сопротивления обмотки, то двигатель бы жестко держал обороты, независимо от нагрузки. Почему это так, рассматривается здесь:

Таким образом, чтобы обороты двигателя не проседали под нагрузкой, нужно компенсировать влияние сопротивления обмотки двигателя. Другими словами в схему нужно ввести отрицательное сопротивление, величина которого, точно равна величине активного сопротивления обмотки ДПТ. Тогда сопротивление обмотки как бы исчезает и двигатель начинает походить на идеальный.

Отрицательное сопротивление можно реализовать с помощью ПОС по потребляемому току. А величина этой ПОС являет собой эквивалент величины отрицательного сопротивления. Когда через двигатель начинает протекать ток, на сопротивлении его обмотки теряется часть напряжения питания. Задача отрицательного сопротивления, или другими словами ПОС, компенсировать падение напряжения на сопротивлении обмотки. Таким образом при росте тока двигателя, нужно подымать напряжение питания на нем, для того, чтобы компенсировать падение напряжения на обмотке.

Этим занимается ОУ обозначенный как IC 2.3 Он снимает сигнал с шунта R21, усиливает его по напряжению и выдает дальше в цепи управления тиристорами выпрямителя.
У вас нет необходимых прав для просмотра вложений в этом сообщении.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Yuriy 32
Реальное имя: Юрий
Откуда: Брянщина

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение Yuriy 32 » 14 фев 2017, 08:14

T-Duke писал(а):Источник цитаты Работа выпрямителя основана на принципе похожем на ШИМ с низкой частотой - 100Гц.

Фазо-импульсная схема управления.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Сообщение T-Duke » 14 фев 2017, 08:34

Ну по сути ШИМ тоже можно назвать фазо-импульсной. Основное различие в том, что ШИМ дает меандр (если точнее прямоугольные импульсы с разным заполнением), а здесь получается синусоида разной степени деформации.


Итак, снимая сигнал с шунта и масштабируя его пропорционально, можно компенсировать влияние сопротивления обмотки. Числовой пример.

Пусть обмотка имеет сопротивление 1 Ом. Допустим ток через двигатель 0.3А, а напряжение на двигатель подано небольшое, чтобы обороты двигателя были маленькими, например 3В. То есть двигатель вертится себе на ХХ. Падение напряжения на сопротивлении обмотки 0.3А * 1 Ом = 0.3В и вычитается из напряжения питания 3В. Собственно двигатель "видит" только 2.7В от поданного напряжения.
Но вот нагрузка возросла и ток через двигатель увеличился до 2А. Теперь на сопротивлении обмотки уже падает 2А * 1 Ом = 2В. И двигатель "видит" уже только 3 - 2 = 1В. Естественно его обороты сильно снизятся. Если же нагрузку еще увеличить, то когда ток двигателя достигнет 3А, ротор двигателя остановится. Так как все напряжение будет падать на сопротивлении обмотки, а двигатель будет "видеть" 3В - 3А * 1Ом = 0В.

Если же использовать отрицательное сопротивление (ПОС по току),тогда картина меняется. Контроллер выдает на двигатель допустим то же референсное напряжение 3В. Допустим ток через двигатель вследствие нагрузки вырос до 2А. На на сопротивлении обмотки начинает падать 2А * 1 Ом = 2В, напряжения. Но, контроллер вычисляет (аналогово) это падение напряжения и прибавляет его к референсному напряжению поданному на двигатель. Теперь все по другому: Референсное напряжение 3В, на обмотках падет 2В, но контроллер прибавляет еще 2 вольта к питанию. Получается , что на двигатель подается 5В, из них 2 вольта теряется на обмотке, а двигатель "видит" все те же 3В. И обороты его не меняются.

Таким образом, ПОС по току потребляемому двигателем, правильно настроенная позволяет компенсировать падение напряжения на сопротивлении обмотки и поэтому поддерживать обороты неизменными даже под сильной нагрузкой.

А настраивается величина ПОС на точную компенсацию с помощью подстроечного резистора R33 на плате контроллера. Настройка производится по ощущениям. На малых оборотах нагружаем двигатель и смотрим на его поведение, если обороты проседают, начинаем крутить подстроечник, пока обороты перестанут проседать под нагрузкой. Так же можно сделать перекомпенсацию, когда под нагрузкой, обороты даже будут увеличиваться. Это неправлильно. Нужно настроить так, чтобы обороты практически не менялись под нагрузкой.

Реализация поддержания заданного напряжения на двигателе.

Дальше, узел выполненный на ОУ IC 2.2. Я думаю что это узел сравнения напряжения на двигателе со референсным значением, задаваемым потенциометром регулятора оборотов, который крутит оператор. Заодно это сумматор, на котором складывается референсное значение напряжения, с напряжением компенсации, поступающим с ОУ на IC 2.3.

Цепь R19, C22, R20 являет собой делитель напряжения и ФНЧ в одном лице, для того, чтобы величину напряжения на двигателе привести к диапазону напряжения нормального для входа ОУ и сразу же получить плавный сигнал напряжения с малыми пульсациями, который реагирует на относительно плавные изменения напряжения и не реагирует полупериоды пульсации с частотой 100Гц.

Резисторы R34 и R16 нужны для правильного сложения сигналов референсного напряжения и напряжения компенсации, то есть являются необходимыми элементами аналогового сумматора.

Цепи R15, C5 задают коэфф усиления ОУ 2.2, а цепи R14, C6, задают смещение рабочей точки ОУ (могу ошибаться).

На ОУ 2.1 выполнен компаратор который сравнивает сумму референсного и компенсирующего напряжений с напряжением от генератора пилообразного сигнала выполненного на Q1.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Yuriy 32
Реальное имя: Юрий
Откуда: Брянщина

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение Yuriy 32 » 14 фев 2017, 09:14

Наверное лучше и понятней будет разбирать по структурной схеме . для начала. Силовая часть : вход Uсети клемы L1 L2. Далее сетевой фильр дросселя -ёмкости С29-С32-С33-С34. Далее по схеме D11-D12 -источник положительного U для источника питания цепей преобразователя. Далее по схеме - двухполупериодный регулируемый мост D13-D14 , тиристоры Q5-Q6. В диогональ моста включён ДПТ. Последовательно с ДПТ включён датчик тока R21. Цепь - моста R21, дросселя, ДПТ и +моста.
Регулятор скорости. Включает в себя : Задатчик интенсивности на элементах ; R3 , R2 ,R1 ,R4 и переменное сопротивление (находится на пульте управления). Далее по схеме IC1-2 с элементами фильтра ФНЧ по выходу(нога 7микросхемы). Далее по схеме IC1-2 нога 1 микросхемы и R13 - выход регулятора скорости.
Регулятор тока.Включает в себя: IC2-3, IC2-4, IC2-2. плюс обвязка микросхемы.
Формирователь импульсов управления тиристорами. Включает в себя: элементы IC2-1 ,Q1, Q2 и импульсный трансформатор Т1. Плюс обвязка.
Схема пуска и защиты. Включает в себя Q3, тиристор Т1, Q7 .Кнопка пуск (на пульте).
Источник питания цепей управления. Включает в себя гасящие R17, R55. Источник V0 на элементах R36 ,Z2. Источник V1 на элементах D7,C8. Источник V3 на элементах D8, C13. Источник V2 на микросхеме Q8.
Примерно так. А дальше структурно по узлам в отдельности и при совместной работе.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение T-Duke » 14 фев 2017, 09:23

Да, так правильнее, это более структурный подход, я просто не обращал на него внимание, а кто-то может не понимать с наскоку как все организовано. Поэтому Вы правильно сделали что описали структуру :good:

Пока я предлагаю рассмотреть самое главное - регулятор напряжения, компенсатор сопротивления обмотки, генератор пилы и блок управления тиристорами. Это все выполнено на IC2.2, IC2.3, IC2.1 и Q1, Q2 с обвязкой. А потом можно разобрать блок плавной защиты на IC2.4 и грубой защиты на Q3, Q7, T1. Затем остальное.

Реализация фазо-импульсного управления выпрямителем.

Итак перейдем ко компаратору на ОУ 2.1. На его положительный вход приходит референсное напряжение, с добавленным к нему напряжением компенсации. На отрицательный вход приходит пила с генератора пилы на Q1. Когда напряжение на выводах 2,3 ОУ 2.1 сравнится (с учетом гистерезиса конечно), произойдет изменение состояния выхода компаратора и сработает Q2 который через трансформатор управления подаст отпирающий импульс на УЭ тиристоров.

Генератор пилы запускается в 0 сетевого напряжения и дает линейно спадающее напряжение от максимума, которое поступает на 2 ножку ОУ2.1 На 3 ножке задано некое референсное напряжение и когда падающее напряжение на ножке 2 сравнится с напряжением на ножке 3, вернее станет ниже на величину порога гистерезиса, на выходе ОУ - ножка 1, появится высокий потенциал, который откроет Q2 и это приведет ко включению тиристоров Q5,Q6.

Таким образом, момент включения тиристоров относительно начала полупериода сетевой синусоиды, может изменяться, если мы будем менять величину напряжения, которое поступает на положительный вход компаратора на ОУ2.1.
Если мы зададим максимальное напряжение на 3 ножке ОУ2.1, то включение тиристоров, будет происходить сразу с началом полупериода. Если мы будем уменьшать напряжение на ножке 3, то включение тиристоров будет задерживаться, и чем ниже напряжение на 3 ножке, тем позже будут включаться тиристоры. Если же на 3 ножку подать 0В, то включения тиристоров вообще не будет происходить и в нагрузку ток течь не будет.

Таким образом осуществляется регулирование напряжения (следовательно тока) в нагрузке. Чем позже мы будем включать тиристоры, с момент начала сетевого полупериода, тем меньше энергии из сети поступит в нагрузку. Почему реализована именно задержка по включению, а не наоборот - по выключению? Это специфика работы тиристоров. Обычные тиристоры можно только включить, выключить нельзя, они сами выключатся, когда напряжение на них упадет до нуля. Поэтому мы можем их включать, выключаются они при переходе сетевой синусоиды через ноль.

Синхронизация с началом полупериода в сети.

Синхронизация генератора пилы со сетевой синусоидой происходит по сигналу обозначенному на схеме как V0, который формируется параметрическим стабилизатором на Z2,R17,R55. На каждой полуволне сетевой синусоиды на стабилитроне Z2 будем получать сигнал положительной полярности ограниченный по амплитуде на уровне 26В в этой конкретной схеме.
По сути цепь D11,D12,R17,R55,R36,Z2 - представляют собой формирователь прямоугольных импульсов из полупериодов сетевого напряжения. Фронты импульсов представляют собой части вырезанной синусоиды, но так как вырезается небольшая, крутая часть, то фронты тоже крутые и близки к линейным.

Так вот сигнал V0 представляющий собой почти прямоугольные импульсы с длительностью в пол периода частоты сети, подается на базу Q1 и запирает транзистор. Только в короткие промежутки времени, когда эти импульсы спадают до нуля (а это происходит в момент перехода сетевой синусоиды через 0), транзистор Q1 отпирается и разряжает конденсатор C7. В этот момент не только конденсатор С7 разряжается, но и падение напряжения на резисторе R24, максимальное, что соответствует началу спадающей пилы. После того, как положительный импульс сигнала V0, закроет Q1, начинается разряд конденсатора C7 на резистор R24. Так как ток разряда конденсатора постепенно падает, падение напряжения на R24 тоже уменьшается. В итоге получаем сигнал схожий с пилообразным, но зубья пилы не линейны, а экспоненциальны, что при небольших разницах сойдет за подобие линейного сигнала. Получившийся на R24 пилообразный сигнал, всегда синхронизирован с началом полупериода в сети.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Yuriy 32
Реальное имя: Юрий
Откуда: Брянщина

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение Yuriy 32 » 14 фев 2017, 09:39

Ещё бы новичкам было бы полезно знать формирование импульсов управления и синхронизация их с сетевым напряжением. Человек должен понять, что открытие тиристоров происходит в строго определённый момент. При прохождении (в данном случае) положительных полуволн. И что момент открытия определяется суммарным Uрег от регуляторов скорости и тока наложенным на синхронизирующее напряжение ГПН. Uрег есть конечный результат задания скорости и тока двигателя полученный при обработке сигнала задатчика интенсивности и сигнала датчика тока.

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение T-Duke » 14 фев 2017, 09:45

Вот и хорошо, что Вы здесь в теме, дополняете то, на что я не обращаю внимание :) У нас просто разные подходы. Вы используете индукцию - от общего к частному, я дедукцию, от частного к общему. Но по сути все хорошо идет. Может для новичков, Ваш метод лучше. Что же, так лучше. Я лезу в конкретику блоков, а Вы уточняете мозаику в общей картине.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.

Yuriy 32
Реальное имя: Юрий
Откуда: Брянщина

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение Yuriy 32 » 14 фев 2017, 10:03

Ещё не ясно с кривыми разгон-торможение и токо-ограничения. Если регулятор тока имеет место подстройки уровня ограничения, то в регуляторе скорости интенсивность разгон-торможение задается глубиной обратной связи С30, нога 1 IC1-1, C3, прямой вход IC 1-2. (пятая нога)?

Аватара пользователя
Автор темы
T-Duke

Китайские станочные контроллеры ДПТ типа XMT-23xx

Сообщение T-Duke » 14 фев 2017, 10:07

Да, при чем глубина ОС задана жестко, по сути постоянной времени интегрирования. Но с этим чуток позже. Там интересная схема запилена.
Technology is insignificant comparing to the power of the Force.


Вернуться в «Станки»