Regulátor teploty laminátora

[aero]

Jedná sa o doplnenie kancelárskeho laminátora o PI regulátor, ktorý sa snaží riadiť jeho teplotu na konštantnú hodnotu. Tento laminátor slúži pri výrobe DPS (pre fotorezist a spájkovaciu masku). Uverejňujem pre inšpiráciu ostatným. Požadovaná teplota sa nastavuje tlačítkami, regulátor má aj 4 predvoľby pre bežne používané teploty. Teplota (aktuálna / požadovaná) je zobrazená na displeji.
Výkon je ovládaný spojito, riadením napätia na výhrevnom telese. Na snímanie teploty som použil snímač ADT7410, ktorý som umiestnil tam, kde bol pôvodný bimetalový vypínač. Problémom tohto umiestnenia je, že nemeria teplotu toho čo chcem regulovať (valca), ale niečoho v jeho blízkosti a to spôsobuje problémy (bude rozvedené neskôr).

Dosiahnuté výsledky
Najprv som skúsil identifikovať laminátor ako obyčajnú sústavu 1. rádu – pripojil som na výhrevné teleso skok 50 V a zmeral odozvu. Vyšlo to pekne, PF je S(s) = 1121/(1062 s + 1), ak ako vstup uvažujeme príkon v rozsahu 0 - 1(1 zodpovedá napájaniu 230 V).
Ďalej som simulačne naladil parametre PI regulátora a pustil sa do testovania na laminátore. Vtedy sa prejavil spomenutý zádrhel – umiestnenie snímača na hliníkovom profile, v ktorom je vložené spodné výhrevné teleso. Teplo sa do valca prenáša z tohto profilu. Výsledkom je, že prechodový dej má preregulovanie a teplota valca je vyššia ako teplota nameraná snímačom (asi o 10°C pri nastavení na 95°C). Pre ilustráciu graf:

S preregulovaním sa regulátor vysporiada, ale posun je problém. To som ošetril tým, že požadovaná teplota je jednoducho znížená o 10°C (riešením to ťažko nazvať). Keby som chcel aby to fungovalo poriadne, potreboval by som merať priamo teplotu valca, ale to by bolo na dlhšie (dosť sa obávam vplyvu trenia medzi valcom a snímačom).

Hardvér
Riadiaca jednotka je založená na ATmega8A, k nej je pridaných zopár ďalších súčiastok. Na napájanie som použil adaptér k mobilu (5V). Príkon výhrevného telesa je riadený fázovo triakom, MCU je od triaku oddelený optotriakom, na synchronizáciu so sieťovým napätím slúži detektor prechodu napätia nulou (tiež galvanicky oddelený). Optotriak je budený impulzmi (t ~150 µs), na ich generovanie je použitý PWM signál z MCU. So snímačom teploty sa komunikuje po I2C.
Regulácia pracuje s Tvz = 250 ms, rozlíšenie 0,25 °C. PI regulátor má antiwindup realizovaný metódou odpojenia integrátora. Na začiatku programu sa zmeria perioda signálu z detektora, podľa toho sa nastaví PWM genrátor. Keďže každá frekvencia viac alebo menej pláva, treba synchronizáciu priebežne dolaďovať, to je urobené pomocou reštartu časovača generujúceho PWM pri prerušení zachytenia vstupu (vykonáva sa 4-krát/s).
Predvoľby požadovanej teploty sú uložené v EEPROM, takže na ich zmenu netreba prekladať celý program. Program po výpočte akčnej veličiny vypočíta potrebný čas otvorenia triaku tak, aby sa príkon výhrevného telesa menil lineárne (s výstupom regulátora), na tom som použil aproximáciu inverznej funkcie k integrálu sin2(t). Už len keby bolo napätie v sieti sínusové a malo konšt veľkosť.
Keby mal niekto nápad ako umiestniť símač teploty tak, aby mohol čo najpresnejšie merať teplotu valca, nech sa podelí.

Schémy, plošáky, program sú v prílohách.

[boraicho]

hm, barz super. Mne stači 3x prejsť od zapnutia to stači uplne.

[AndiCibula]

Pekný výrobok, dal si si záležať.
Privádza ma to teda na zamyslenie, že keď laminátor bez úpravy od výroby funguje správne a bez problémov, že si len myslíme, že je to správne ?
Tiež preháňam jednostranky aj obojstranky 3-krát, keď je pár minút zapnutý a už ibá poblikáva termostat.

[dxr]

Zaujalo ma to konstrukcne a par malickosti. Aero je modelar cize ta zrucnost ma az tak neprekvapila.
Pouzil sleepmode, a 16bit teplotny snimac od Analog Devices a ma zvladnutu teoriu a terminologiu PI regulatora.

Len tak mimochodom kde si kupoval a zakolko tu oblubenu PEACH laminovacku unas ju nezvyknu mat.
Viem ze na DIY forach ju preferuju na upravy ako overeny model.

A este som sa chcel opytat ako si urcoval pocet cyklov na funkciu je to velmi uzitocna vec v starom
AVR Studiu sa profiller nenachadzal ja som to obchazdal externym meranim casu.

Inak neplanuje niekto upravu tych laminatorov ktore su bezne a dlhodobo predaji napr METRO SIGMA 20e
Ja si planujem kupit prave tu SIGMU uz to odkladam asi rok.

V com je robena ta simulacia to je ten EXCEL co lieta po internete alebo nieco ine?

Ak by niekoho zaujimala lahko vysvetlena teoria okolo PI regulatora tak davam PDFko.

[aero]

AndICibula:
Či funguje od výroby správne by sa dalo zistiť zmeraním teploty valcov. Ale keď si uvedomím, že ten bimetal je na rovnakom mieste ako môj snímač, ohrieva sa s max. akčnou veličinou až kým nepreletí požadovanú teplotu, atď...
Keď som ho ešte nemal upravený, tak sa mi stalo, že som prešiel plošák 4x a zničil sa fotorezist (myslím si, že kvôli prehriatiu). Reguláciu som robil aj preto, že laminátor pôvodne nemal ani spínač na vypnutie ohrevu, tiež spájovacia maska má predpísanú teplotu laminovania 55-65°C.

dxr:
Kupil som to cez Aukro, novy, z nejakej firmy s kancelarskymi potrebami, cena ~20 E. Zabudol som napísať, že druhý raz by som si radšej kúpil nejaký hranatejší kúsok, s týmto bolo veľa roboty (z mechanického hľadiska).
Trvanie časti programu meriam pomocou vnútorného časovača MCU alebo vytvorením impulzu na výstupe MCU. Simulacia bola klasicky v Simulinku.

[aero]

Edit: malá korekcia schémy zapojenia

[mirki]

Feeelmi pekne.
Ja robím teraz tiež niečo podobné, reflow pec.
Počuj zaujímala by ma tá identifikácia tej sústavy, ak by si mi mohol trochu rozpísať.
A ak nieje verejným tajomstvom aj ten model v simulinku bolo by to super.

Tú teplotu by som skúsil merať priamo na valci, medzi snímač a otáčajúci valec daj nejakú podložku ktorá dobre vedie teplo a je odolná treniu, možno sľudová podložka. Treba vyskúšať, tie valce sa zas tak rýchlo nekrútia že by to zodralo hneď.

Čo sa týka toho merania originál teploty, Číňankovia proste používajú na to nejakú záhadnú čínsku konštantu. Aj vo všetkých minirúrach čo som videl tak termostat je samostatne oddelený od vyhrievacieho priestoru, čiže keď si nastavím na ňom aby bolo 250°C napríklad tak na jeho bimetáli je možno tak 100°C. Proste to majú tak nastavené že keď je na ňom taká teplota vedia že v rúre je taká teplota. Len zvonku popíšu gombík tak aby to sedelo. Presnosť +-lietadlo.

[aero]

Tým vplyvom trenia snímača o valec som myslel ohrev snímača v dôsledku trenia. Určite by sa dalo vymyslieť nejaké riešenie ako snímač dotknúť o valec, ale v tom laminátore je dosť veľký (a hlavný) problém primontovať tam nejakú dodatočnú súčiastku (malý voľný priestor, nedostatok materiálu pre skrutky apod.). Možno nejako tam pripevniť malý plošák so snímačom, nakydať tam teplovodivú pastu (aby na valci vznikol pás) a snímač pritlačiť len jemne do tej pasty. Potom by to bolo spojené cez kvapalinu a mohlo merať teplotu valca (ale do pasty by sa lepil prach, míňala by sa, ). Ale vravím, rozbehať takúto vec aby to meralo naozaj dobre (keď sa s tým už budeme zabávať), to by bolo na dlho. Keby na tam bolo miesto, tak by som dačo možno aj vyskúšal.

K identifikácii - Pustil som do výhrevného telesa 50V, zmeral priebeh teploty v čase. Vyšla pekná odozva systému prvého rádu. Takže som to išiel modelovať ako systém S(s) = 1 / (T*s + 1). Zo získanej odozvy som odčítal časovú konštantu a zosilnenie a model bol hotový. Potom som to (regulátor a sústavu) nakreslil do simulátora a skúšal meniť parametre regulátora a sledoval ako sa to bude správať.