Danas je nabavljen kontroler rada DC servo motora Motomatic II, proizvod američke tvrtke Electro-Craft s početka 1990-tih godina.
Electro-Craft Inc. je globalni dobavljač različitih tipova elektromotora i upravljačkih sustava za iste za komercijalnu i industrijsku primjenu. Tvrtka Electro-Craft je osnovana u 1960-tim godinama, a 1980. godine ju je kupio također američki proizvođač motora Robbins & Myers. Od 1991. godine vlasništvo tvrtke je preuzeo Reliance Electric, zatim 1994. godine Rockwell i 2006. godine sadašnji vlasnik DMI Technology. Na našem uređaju uz Electro-Craft otisnuto je i ime tadašnje vlasničke tvrtke Reliance Electric, također proizvođač elektromotora.
Servo elektromotori su iste konstrukcije kao i obični elektromotori s time što imaju dodan senzor za slanje povratnih informacija prema upravljačkom uređaju (kontroleru). Ti senzori mogu biti različitog tipa poput potenciometra, Hall senzora, tahometra, rezolvera, kodera, linearnog pretvarača ili bilo koji drugi senzor prema potrebi. Ovisno o ugrađenom senzoru povratna informacija može biti jačina struje, brzina, kut ili pozicija osovine i drugo, a na osnovu tih informacija kontroler onda prilagođava rad servo motora prema zadanim parametrima. Možemo reći da servo motor radi kao dio sustava zatvorene petlje koju čini upravljački kontroler sa zadanim parametrima, elektromotor i senzorski sustav povratne sprege od motora prema kontroleru.
Electro-Craftov kontroler Motomatic II može upravljati istosmjernim servo motorima (sa permanentnim magnetom na statoru i četkicama na rotoru) nominalnog napona 36 V i potrošnje struje do 3 A kontinuirano (6 A maksimalna vršna struja). Moguće su slijedeće kontrole rada DC motora: kontrola smjera i brzine vrtnje te kontrola jačine zakretnog momenta motora.
Na prednjoj ploči su potenciometri za grubo (COARSE) i fino (FINE) podešavanje brzine (SPEED) i potenciometar TORQUE LIMIT za ograničenje zakretnog momenta motora (TORQUE). Sklopkama pak se odabire smjer vrtnje (CW/CCW) te prikaz vrijednosti na displeju (SPEED/TORQUE). Također je dodana i sklopka za pokretanje (RUN) ili zaustavljanje (STOP) rada motora bez da se isti mora odspajati sa kontrolera.
Digitalni displej prikazuje brzinu motora ili jačinu zakretnog momenta ovisno o odabranoj vrsti prikaza (SPEED/TORQUE). Tri LED indikacije signaliziraju trenutni odabir regulacije:
- CCW RPM – kontrola brzine okretanja motora suprotno od smjera kazaljki na satu (ulijevo)
- CW RPM – kontrola brzine okretanja motora u smjeru kazaljki na satu (udesno)
- OZ-IN – kontrola zakretnog momenta motora u mjernoj jedinici oz/in (ounce/inches)
Za Motomatic II danas se mogu naći tek općeniti prospekti iz kojih saznajemo da je kontrola brzine i momenta u četiri kvadranta i da je PWM pojačalo s frekvencijom prebacivanja od 25 kHz. To što se motor kontrolira u četiri kvadranta znači da radi u dva motorna moda sa vrtnjom naprijed i natrag kada se električna energija pretvara u mehaničku i u dva generatorska moda (kočenje) kada se mehanički moment pretvara u električnu energiju. Drugim riječima kontroler osim što aktivno napaja elektromotor za ubrzanje i održavanje vrtnje u oba smjera također aktivno (električno) koči elektromotor za snižavanje broja okretaja u oba smjera. Za istosmjerne elektromotore sa permanentnim magnetom ovo se postiže PWM kontroliranim H-mosnim spojem izlaznih tranzistora. Takav spoj smo već objasnili u objavi Inverter 12/230 V, 300 W.
Prema simbolima na zadnjoj strani uređaja pak možemo zaključiti da se na ovaj kontroler spajaju industrijski istosmjerni servo motori koji kao senzor brzine vrtnje imaju integriran tahometar. Na priključnice MT+ i MT- se spaja napajanje elektromotora, a na priključnice TG- i TG+ senzorski tahometar unutar elektromotora. Tahometar daje izlazni napon proporcionalan brzini motora i na osnovu tog napona povratne veze kontroler regulira potreban pogonski napon. Prema prospektu, naš kontroler radi sa ulaznim naponima u opsegu ±10 VDC (±20 VDC max). Petlja za regulaciju zakretnog momenta pak vjerojatno sadrži krug mjerenja trenutne potrošnje struje na liniji napajanja elektromotora. Tako se brzina vrtnje regulira na osnovu napona koji daje tahometar, a zakretni moment se regulira na osnovu mjerenja trenutne potrošnje struje elektromotora.
Na osnovu dostupnih podataka drugih sistema tvrtke Electro-Craft identificirali smo kratice priključaka na zadnjoj strani kontrolera:
- VCS – Velocity Command Signal (input)
- AUX – Auxiliary Input signal (input)
- SSO – System Status Output (output)
- INH – Amplifier Inhibit Clamp (input)
- FAC – Forward Amplifier Clamp (input)
- RAC – Reverse Amplifier Clamp (input)
- VEL CLAMP – Velocity Clamp (internal FAC, RAC, INH)
- VCS DISABLE – Velocity Command Signal Disable
- I LIMIT – Internal Current Limit
- MCO – Motor Current Output (output)
- TACH – Tachometer Gain
- +15/-15 – VDC Power Output 30 mA
Ovo su osnovi izlazi i ulazi iz pojedinih sklopova u lancu regulacijske petlje na koje se može utjecati (upravljati) izvana ili se uzimaju uzorci električnih signala za neke vanjske analize.
Bez odgovarajućeg servo motora ovdje ćemo teško napraviti dobru simulaciju da vidimo da li regulator funkcionira. Morali bi simulirati strujno opterećenje i povratni regulacijski napon. Test bez motora je pokazao da kontroler daje na izlazu za motor (MT+ i MT-) pozitivni ili negativni napon cca 38 V (prazni hod) ovisno o odabranom smjeru vrtnje. Također, displej reagira na simulaciju povratnog kruga ±10 VDC dovedenog sa vanjskog izvora napona. Više od ovoga ne možemo pouzdano simulirati no sve ukazuje da je kontroler moguće ispravan.
Na pločici se jasno razaznaju dvije sklopne cjeline: mrežno napajanje i regulacijski krug.
Mrežno napajanje je prekidačkog tipa (SMPS) i predviđeno za ulazni napon 115 V.
U primarnom dijelu očekivano vidimo LC mrežni filtar, ispravljačke diode i filtarske kondenzatore (2 x 470 µF, 200 V). Impulsni napon za primar transformatora dobiva se prekidačkim krugom sa PWM kontrolerom SG3844, simetričnim drajverom UC3706N i dva izlazna MOSFET-a BUZ307 (800 V, 3-12 A).
U sekundarnom krugu je brza ispravljačka dioda U820 (200 V, 8-16 A) i NPN Darlington tranzistor TIP123 (100 V, 5-8 A). Ispravljač mora osigurati napon napajanja servo motora od 36 V, 3 (6) A što se vjerojatno regulira preko TIP123. Stabilizirani napon ±15V za napajanje krugova kontrolera dobiva se preko integriranih regulatora LM7915/7815 (1,5 A). Osim toga na sekundarnom dijelu vidimo još dva diodna mosna ispravljača preko kojih se dobivaju određeni naponi napajanja. Za pogon pločice displeja se koristi napon 5 V koji se stabilizira preko posebnog integriranog regulatora 7805 smještenog na toj pločici.
Ovdje nećemo mjeriti sve sekundarne napone koje daje napajanje jer za to nemamo razloga no ovo je svakako rani tip SMPS napajanja gdje se za povratni krug automatske regulacije izlaznog napona ovdje ne koriste danas uobičajeni optički izolatori (optocoupler) nego mali izolacijski transformator (T1).
U krugu regulacije nalazimo slijedeće integrirane krugove:
- LM358N x 2 – dva operacijska pojačala
- MC33079P – četiri operacijska pojačala
- LM339N x 2 – četiri naponska komparatora
- IH5024CPA – jednopolna analogna sklopka
- MC14011BCP – četiri NAND vrata sa dva ulaza
- MC14073BCP – tri AND vrata sa tri ulaza
- MC14081BCP – četiri AND vrata sa dva ulaza
- CD4050BCN – šest bufera
Vidimo da je ovo kombinacija analognih i digitalnih (logičkih) čipova na kojima se kreiraju pojedini senzorski i upravljački krugovi regulacije brzine i momenta DC motora u četiri kvadranta. Kod ranih diskretnih izvedbi ovakvih regulacija to uključuje razne clamper krugove kojima se ograničavaju naponske razine upravljačkih signala, zatim naponske komparatore i sumirajuća pojačala, filtarske naponske sklopove i u konačnici izlazno H-pojačalo koje napaja DC motor. U našem slučaju izlazni H-most čine četiri MOSFET-a IRF640 (200 V, 6-18 A).
Na pločici upravljačkih kontrola i displeja su slijedeći integrirani krugovi:
- ICL7135CPI – A/D Converter za 4 1/2 znamenke sa multipleksiranim BCD izlazom
- DM74LS47N- BCD na 7-segmenta dekoder i drajver
- MC33079P x 2 – četiri operacijska pojačala
- CD40106BE – šest Schmitt Trigger invertera
To je u osnovi digitalni voltmetar sa kalibracijskim krugovima.
Tko se želi baviti automatikom svakako može proučiti principe rada kontrolera za upravljanje brzinom i momentom servo DC motora u četiri kvadranta. Danas su za takva upravljanja razvijeni gotovi integrirani krugovi ili se koriste mikrokontroleri. Mi smo pak ovdje imali priliku vidjeti jednu ranu diskretnu izvedbu takvog upravljanja. Šteta što nemamo elektroničku ili barem blok shemu ovog uređaja da detaljnije shvatimo sklopove u krugovima regulacije, no proizvođači ovakvih industrijskih uređaja nisu baš voljni javno objavljivati svoje patente. Jednom možda nabavimo kakav prikladni DC servo motor pa ćemo snimiti promjene naponskih razina i polariteta koje stvara regulacijski krug prilikom svake promjene kvadranta rada servo motora. Do tada i ovaj uređaj odlažemo na policu dobre stare elektronike 🙂
