PWM контроллер 0-10V для управления шпинделя станка на LM358

[Jonsonsh]

Добрый день. Я сам не электроньшик, но пытаюсь учиться по видео в интернете, сам увлекаюсь авиамоделизмом и ЧПУ станками. Суть возникшей проблемы, я купил для управления станком интерфейсную плату DX-106, но мне в ней не нравиться ряд решений, поэтому хочется ее изменить под себя (сейчас это не проблема и заказать "доску" и самому все распаять не составляет большого труда), я перечертил схему участка ответсвенного за PWM контроллер для управления шпинделем путем изменения частотой ШИМ от основного контроллера через оптопару (развязка интерфейсной платы с основным контроллером) и хочу понять как она работает, но у меня это не получается:(, я уже пробовал использовать и Proteus 8.15 и Multisim, но результат в них - не работает. Из неопределенных в схеме элементов только 2 SMD конденсатора (они без маркировки, отличаются только по размерами), остальные все связи я прозвонил и определил по дорожкам на плате. Помогите пожалуйста, подскажите, почему схема не работает в симуляторах и вообще по схеме, может я где-то ошибся? В момем случае я хочу понять ее принцип работы (хочу еще попробовать собрать по аналогии вживую, генератор сигналов и нужные DC-DC преобразователи для эксперимента заказал - генератор нужен для имиитации через оптопару нужной частоты импульсов, поскольку не хочу деалать эксперимент на дорогом контроллере).


Схема вроде простая, но как работает не потно, также еще пара доп. вопросов:
1. На плате конденсатор С13 установлен "+" к GND (на шелкографии со стороны "+" стоит I), т.е. как я понимаю наоборот, хотя для керамики нет вроде как полярности (можно ставить и так и так), но не понятно зачем это сделал автор схемы, зачем?
2. На опторате ограничиваюший резистор 1,2кОм установлен со стороны GND, хотя как правило из ставят со стороны "+", это имеет значение?

Примечание:
- +10V - это опорное напряжение с частоного преобразователя, АО - выход сигнала в форматие напряжение от 0 до 10В, COM - GND с частотного преобразователя.
- На оптопару часточный сингшал включения идет +5В со стороны контроллера, по сути контроллер имитурет LTP порт.

Это не коммерческий интерес, просто из принципа хочу знать что это рабочая схема и как она функционирует.

Вложения

ШИМ.jpg

(156.13 KiB) Скачиваний: 865

[mickbell]

Jonsonsh писал(а):

Схема вроде простая, но как работает не потно, также еще пара доп. вопросов:
1. На плате конденсатор С13 установлен "+" к GND (на шелкографии со стороны "+" стоит I), т.е. как я понимаю наоборот, хотя для керамики нет вроде как полярности (можно ставить и так и так), но не понятно зачем это сделал автор схемы, зачем?
2. На опторате ограничиваюший резистор 1,2кОм установлен со стороны GND, хотя как правило из ставят со стороны "+", это имеет значение?

Я вас жестоко разочарую. То, что вы представили, это вовсе не схема, оно непригодно для того, чтобы что-то понять. Схему я нарисовал в том виде, в каком это следовало проделать вам. Пускай это будет небольшой мастер-класс на будущее. Это - принципиальная схема, именно такие и нужны для понимания принципа работы.

Надеюсь, я не налажал, перерисовывая, кто бы проверил... Смотрю, вижу нечто странное. Опишите максимально подробно её задачи, мне не очень это понятно. А именно: где какие сигналы предполагаются. Приходится угадывать, а угадать можно и неправильно.
На второй вопрос ответ простой: куда ставить резистор, имеет мизерное значение, этим можно не заморачиваться.
Да, и последнее: у сигналов ШИМ частоту обычно не меняют. Уточните, что там с частотой.

[Динозавр]

Jonsonsh, Если поменять местами ноги 2-3 ОУ ,то будет дифференцировать входные импульсы ?

[Jonsonsh]

mickbell писал(а):

Я вас жестоко разочарую. То, что вы представили, это вовсе не схема, оно непригодно для того, чтобы что-то понять. Схему я нарисовал в том виде, в каком это следовало проделать вам. Пускай это будет небольшой мастер-класс на будущее. Это - принципиальная схема, именно такие и нужны для понимания принципа работы.

В PROTEUS она примерно так и представлена у меня была, я только расположение резисторов нарисовал не так правильно (понятно) как у Вас (у Вас более понятно и правильно нарисовано, мне так пока еще сложно схемы представлять), а предстваленная мной схема была нарисована в CAD для понимания куда какие линии идут (я еще в схемах не очень ориентируюсь в плане удобной разрисовки поэтому нарисовал для себя физические соединения в более понятном мне виде, но за образец большое спасибо, учту в будущем).

Надеюсь, я не налажал, перерисовывая, кто бы проверил... Смотрю, вижу нечто странное. Опишите максимально подробно её задачи, мне не очень это понятно. А именно: где какие сигналы предполагаются. Приходится угадывать, а угадать можно и неправильно.

Да, все правильно, я добавил красным некоторые пояснения и наименование элекментов по схеме (U9.1 и U9.2 это сдвоенные ОУ в LM358).


Схема должна работать следующим образом: на оптопару (гальванически развязывает контроллер со схемой PWM) с контроллера (по сути LPT порта - контроллер его имитирует) подается сигнал +5В, с определенной частотой чтобы на выходе АО получилось нужное напряжение, т.е. от 0В до 10В, поскольку это напряжение принимает частотный преобразователь и в зависимости от значения управляет оборотами шпинделя от 0 до 24000 об/мин. +10В является опорным напряжением и береться с частотного преобразователя, соответсвенно опрерационные усилители питаются от него и в конечном счете на выходе последнего усилителя должно быть напряжение от 0 до 10В (ОУ не может выдать напряжение выше своего питания если я правильно понял уроки по электронике). Я еще не пробовал сам подключать и управлять PWM с ПО MACH3, поэтому не согу сказать сейчас точно ли напряжение начинается с 0, так как для включения и выключения шпинделя еще задействуется реле если что (на схеме оно не нарисовано, так как для нее это не принципиально, поскольку задача схемы именно только выдавать напряжение для анализа его величины частотным преобразователем, а реле нужно как ключ для частотного преобразователя чтобы он переключался с ручного управление на управление по напряжению от 0 до 10В).

Касательно частоты - я полагаю что она меняется и задается именно через работу оптопары, в противном случае даной схемой невозможно управлять, так как кроме оптопары никто не может вносить в нее измения по напряжению, поскольку +10В это опорное напряжение и оно постоянно. Я завтра попробую собрать плату развязки с контроллером и задать настройки в ПО MACH3 и посмотреть работу схемы вживую (к сожалению осцилографа нет, поэтому измерить частоту работы оптопары нет возможности, в будущем хочу всеже купить пусть даже простой осцилограф,но вроде как в ПО прописывается частота 1кГц), поскольку без подключенной вживую платы настройки в плагине для контроллера ESS не увидеть в ПО MACH3.

Jonsonsh, Если поменять местами ноги 2-3 ОУ ,то будет дифференцировать входные импульсы ?

Из опыта (отсутствует) сказать будет так или нет не могу, а компоненты для схемы и макетную плату еще только заказал и эксперементировать не начем (рабочая плата распаяна производителем, там не перекинуть контакты, даже если захочется). Не знаю как на первом ОУ, но втором ОУ точно должен выдавать напряжение только от 0 до 10В и причем держать нужное напряжение длительное время (в зависимости какие обороты шпинделя нужны в текущий момент работы фрезера), и как я полагаю, дифференциальнного сигнала там быть не должно, его частотник не поймет.

Еще картинка касательно керамических конденсаторов - они без названия и отличаются только по размеру (высоте), выпаивать их не хочеться с рабочей платы, но полагаю что маленький это нечто вроде 0.1mF, а большой наверное что-то вроде 22mF (посмотрел в подобных схемах в интерете, в основном подобные номиналы идут, но это только догадка).

Микросхему в точности по маркировке как на плате я не нашел, поэтому использовал доступную чистую LM358, полагаю что различий быть не должно, по ножкам обычная LM358 стоит на плате.

Вложения

20230106_231947.jpg

(191.8 KiB) Скачиваний: 799

31108qvoyl.jpeg

(182.07 KiB) Скачиваний: 813

[musor]

а причем тут LM386???? это не шим это УМЗЧ дая батарек если чо

[mickbell]

Jonsonsh писал(а):

Схема должна работать следующим образом: на оптопару (гальванически развязывает контроллер со схемой PWM) с контроллера (по сути LPT порта - контроллер его имитирует) подается сигнал +5В, с определенной частотой чтобы на выходе АО получилось нужное напряжение, т.е. от 0В до 10В, поскольку это напряжение принимает частотный преобразователь и в зависимости от значения управляет оборотами шпинделя от 0 до 24000 об/мин.

То есть в конечном итоге вам нужно получить аналоговое напряжение от 0 до +10 вольт, котоорое соответствует скважности ШИМ (PWM)? Уточню слово "соответствует". Скважность - отношение длительности периода колебаний к ширине импульса, может меняться от 1 (постоянный высокий уровень) до бесконечности (постоянный низкий уровень), если длительности высокого и низкого уровней одинаковы, то такой сигнал называется меандр и его скважность равна 2. Более удобно, особенно с непривычки, пользоваться величиной, обратной скважности, то есть отношением длительности импульса к периоду, коэффициентом заполнения. Вот с этим коэффициентом заполнения и выходным напряжением и должна быть прямая пропорциональность. И как раз её обеспечивает каскад на U9.2. Если ёмкость конденсатора достаточно большая, то напряжение на нём (среднее, оно слегка дёргается) как раз и пропорционально коэффициенту заполнения. И, кстати, меняется от нуля до 10 В, если импульсы от 0 до 10 В. Вот оптопара и каскад на U9.1 как раз и должны это обеспечить.

Jonsonsh писал(а):

+10В является опорным напряжением и береться с частотного преобразователя, соответсвенно опрерационные усилители питаются от него и в конечном счете на выходе последнего усилителя должно быть напряжение от 0 до 10В (ОУ не может выдать напряжение выше своего питания если я правильно понял уроки по электронике).

Я даже больше скажу. Обычные операционные усилители даже равное питанию (как верхнему, так и нижнему) напряжение выдать не могут, не дотягивают до него. Мало того, они не могут даже работать со входными сигналами, которые слишком близко подходят по потенциалу к линиям питания - в вашем случае 0 В и +10 В. Есть класс ОУ, которые с некоторой оговоркой это делать умеют. Это так называемые Rail-to-rail ОУ, "от рельса до рельса". Здесь под рельсами имеются в виду линии питания. ОУ бывают Rail-to-rail, иначе R-R, R/R и даже R2R (кто как хочет, тот так их обзывает) по входам и/или по выходу. Вам здесь нужен ОУ R/R по входам и по выходу. Насколько я знаю, LM358 до верхнего "рельса" не дотягивает и 10 В он не выдаст, так что надо туда что-то другое. Впрочем, заменить его несложно, выводы у них у всех на одних и тех же местах. Или же надо вам питать всё это дело не десятью вольтами, а как минимум двенадцатью.
Тут же замечу, что даже лучшие R/R ОУ не могут подойти к "рельсам" ближе чем на десятки милливольт. Это касается выхода, входы иногда могут работать с напряжениями и за пределами "рельсов".

Jonsonsh писал(а):

Касательно частоты - я полагаю что она меняется и задается именно через работу оптопары, в противном случае даной схемой невозможно управлять, так как кроме оптопары никто не может вносить в нее измения по напряжению, поскольку +10В это опорное напряжение и оно постоянно.

Оптопара ничего не может сделать с частотой. Её задача - преобразовать пятивольтовый уровень напряжения в десятивольтовый. Кстати, импульсы она переворачивает. Это должен учесть первый каскад, работа которого и вызывает вопросы. У меня вопрос, пожалуй, один: на кой хрен там стоит резистор R25. Если его извлечь, то схема сразу же становится понятной. Расскажу работу схемы без этого резистора.
Выходной сигнал оптопары довольно вялый, вверх его тянет лишь R22, заряжая при этом всякие паразитные ёмкости, коих всегда есть, поэтому фронт сигнала желательно обострить, а сам сигнал умощнить. Это и делает первый ОУ. Он работает в режиме компаратора, выдаёт или нулевое напряжение, или 10 В, которое потом RC-цепочкой преобразуется в аналоговое и усиливается (по току, не по напряжению) вторым ОУ. Что с чем сравнивает компаратор? Он сравнивает входные для него (выходные для оптопары) импульсы с неким значением напряжения на конденсаторе C13 - а это, surprize - среднее значение входного напряжения. Эта схема хорошо работает при "плавающих" входных напряжениях, уровень которых не определён, и при сигналах, близких к меандру, здесь она неуместна. Предложу небольшую доработку:
1. левый вывод R24 оторвать от коллектора оптопары и соединить с общим проводом COM;
2. правый вывод R25 оторвать от выхода ОУ и соединить с питанием +10 В.
В этом случае входное напряжение первый ОУ будет сравнивать с половиной напряжения питания.

Jonsonsh писал(а):

Я завтра попробую собрать плату развязки с контроллером и задать настройки в ПО MACH3 и посмотреть работу схемы вживую (к сожалению осцилографа нет, поэтому измерить частоту работы оптопары нет возможности, в будущем хочу всеже купить пусть даже простой осцилограф,но вроде как в ПО прописывается частота 1кГц), поскольку без подключенной вживую платы настройки в плагине для контроллера ESS не увидеть в ПО MACH3.

Я думаю, частота меняться не должна, меняться должна ТОЛЬКО И ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО длительность импульсов. А сама частота важна - в плане работы второго каскада, она не может быть меньше определённого значения. Поскольку ёмкость мы не знаем, то и назвать минимальную частоту я вряд ли смогу. Думаю, единицы или десятки килогерц.

[Jonsonsh]

musor писал(а):

а причем тут LM386???? это не шим это УМЗЧ дая батарек если чо

Добрый день, да, прошу прощения ошибся в названии темы, я уже написал админу, чтобы исправили, должно быть написано LM358.

[Martin76]

Попросите модераторов исправить название.

[Jonsonsh]

mickbell писал(а):

Я даже больше скажу. Обычные операционные усилители даже равное питанию (как верхнему, так и нижнему) напряжение выдать не могут, не дотягивают до него. Мало того, они не могут даже работать со входными сигналами, которые слишком близко подходят по потенциалу к линиям питания - в вашем случае 0 В и +10 В. Есть класс ОУ, которые с некоторой оговоркой это делать умеют. Это так называемые Rail-to-rail ОУ, "от рельса до рельса".

Да, я читал о таких ОУ, спасибо. В данном случае я просто решил воспользоваться теми элементами которые применяются на оригинальной плате, мне пока рано еще на своих делать (нет нужных знаний).

mickbell писал(а):

Оптопара ничего не может сделать с частотой. Её задача - преобразовать пятивольтовый уровень напряжения в десятивольтовый. Кстати, импульсы она переворачивает. Это должен учесть первый каскад, работа которого и вызывает вопросы. У меня вопрос, пожалуй, один: на кой хрен там стоит резистор R25. Если его извлечь, то схема сразу же становится понятной. Расскажу работу схемы без этого резистора.
Выходной сигнал оптопары довольно вялый, вверх его тянет лишь R22, заряжая при этом всякие паразитные ёмкости, коих всегда есть, поэтому фронт сигнала желательно обострить, а сам сигнал умощнить. Это и делает первый ОУ. Он работает в режиме компаратора, выдаёт или нулевое напряжение, или 10 В, которое потом RC-цепочкой преобразуется в аналоговое и усиливается (по току, не по напряжению) вторым ОУ. Что с чем сравнивает компаратор? Он сравнивает входные для него (выходные для оптопары) импульсы с неким значением напряжения на конденсаторе C13 - а это, surprize - среднее значение входного напряжения. Эта схема хорошо работает при "плавающих" входных напряжениях, уровень которых не определён, и при сигналах, близких к меандру, здесь она неуместна.

Данную схему разработали специалисты из Darxton (производитель данной платы), поэтому чем они руководствовались могут сказать только они. Что касается напряжения +10В, то оно выбрано по одной простой причине - чтобы не ставить дополнительный блок питания, это напряжение берется со специального выхода частотного преобразователя (выход специально предустмотрен на большинсве частотных преобразователей именно как опорное напряжение для Аналоговых схем управления частотниками от внешних контроллеров).
Скажите еще пожалуйста, конденсаторы можно расчитать и только подобрать опытным путем (при условии, что ниже я указал что частота 1000Гц задается в ПО, соответсвенно меняется только скважность), просто выпаивать их не хочется?

mickbell писал(а):

Предложу небольшую доработку:
1. левый вывод R24 оторвать от коллектора оптопары и соединить с общим проводом COM;
2. правый вывод R25 оторвать от выхода ОУ и соединить с питанием +10 В.
В этом случае входное напряжение первый ОУ будет сравнивать с половиной напряжения питания.

Да, я обязательно попробую на собранной макетке.

mickbell писал(а):

Я думаю, частота меняться не должна, меняться должна ТОЛЬКО И ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО длительность импульсов. А сама частота важна - в плане работы второго каскада, она не может быть меньше определённого значения. Поскольку ёмкость мы не знаем, то и назвать минимальную частоту я вряд ли смогу. Думаю, единицы или десятки килогерц.

Наверное так и есть, этим управляет контроллер ESS, а уж как его запрограммировал производитель, никто точно не скажет. Еще раз пересмотрел видео Darxton на youtube "Подключение платы контроллера ЧПУ для MACH3 DX106 к Частотному преобразователю", на видео подключили частотник к +10, AO и COM, в качестве опорного напряжения частотник выдал +10,33В, и при замере напряжения с платы с выходов AO и COM при выключенном шпинделе оно составило +0,675В (начальное напряжение, т.е. на выходе изначально не 0, а чуть больше), затем задали обороты шпинделя 12000, что соответсвует в идеале напряжению +5В, но по факту показало +4,47В, частота в ПО MACH3 для шпинделя задается 1000Гц. Для обычного шпинделя такие погрешности не страшны, другое дело если бы на АО подключался сервопривод (по аналогову управлению), вот тут уже такая погрешность была бы проблемой.

[mickbell]

ОК, рассказываю про ёмкости. Сейчас нас интересует только и исключительно C14, потому как после переделки схемы по моему предложению ёмкость C13 станет некритичной. Есть как минимум четыре способа выбора номинала этого конденсатора.
1. Подбор. Требуется осциллограф, которого у вас пока нет.
2. Моделирование. Нужна модель генератора меандра, к ней присоединяете RC-цепочку: R 100 кОм, как на схеме, частота генератора - какая вам нравится или какой вы располагаете, пусть будет 1 кГц.
3. Расчётные методы. Их есть разных, например, через ёмкостное сопротивление на выбранной частоте. Но надо хорошо понимать, что именно вы делаете. Сейчас не стоит задача обучить вас расчётным методам, поэтому этот способ пока не рассматриваем. А там видно будет.
4. Спросить у кота. И он ответит: на конденсаторе ёмкостью 10 мкФ, который заряжается-разряжается от источника импульсного напряжения частотой 1 кГц и размахом 10 В через резистор 100 кОм, колебания напряжения не превысят 10 мВ, то есть 0.1% полной шкалы напряжения. Скорее всего, вас это устроит. Ну или ваш привод. Если нет - или ёмкость, или частоту увеличивайте пропорционально хотелкам.

PS. В прошлом своём посте я упомянул паразитные ёмкости, но обошёл вниманием сам C14, который тоже ведь надо заряжать. Ну да сейчас это уже не имеет значения, заряжать его будет чем (понятно, выходом первого ОУ).

PPS. Немного помедитировав, я всё-таки решил предложить вам сохранить положительную обратную связь, делающую триггер Шмитта на первом ОУ, эта ПОС сейчас обеспечивается резистором R25. Только номинал его должен быть не 10 кОм, а раз в сто больше - 1 МОм. Конденсатор C13 в этом случае будет только мешаться, его нужно будет убрать. Впрочем, всё это делать совсем не обязательно, и без ПОС оно будет работать как полагается.

PPPS. Обычно, не увидев на схеме или увидев не должным образом установленную эту штуку, я начинаю рычать. Здесь её нет. А должна быть. Я говорю про блокировочный (по питанию) конденсатор, который следует подключить к выводам 4 и 8 ОУ. Достаточно будет 1 мкФ керамики. Трассировка проводников через этот конденсатор делается определённым образом, потом расскажу, если дело дойдёт.

[Jonsonsh]

Огромное спасибо за обяснение! Попробую на макетке собрать, когда все придет. Я еще постараюсь купить себе осцилограф рано или поздно и посмотреть на нем.

[volatile]

mickbell писал(а):

У меня вопрос, пожалуй, один: на кой хрен там стоит резистор R25.

Без него у вас будет всегда нуль на выходе. Оставьте схему как есть и все будет работать)).

[mickbell]

Вы хорошо подумали?

[volatile]

сори , перепутал 24 и 25))

[mickbell]

Угу, этот убирать явно не стоило. В принципе, и R25 можно было бы оставить, даже нужно, только номинал увеличить где-нибудь в сто раз, будет тогда ТШ. Я бы формирователь импульсов сделал по-другому, ну да это дело аффтора той схемы - как захотел, так и сделал.

[volatile]

быстенько собрал макетку. без r25 работает, но криво, нелинейно, а с 1М работает как компаратор с с13 12nf и в нуле с с13 100nf

[mickbell]

Так оно и есть компаратор, немножко ТШ.

[volatile]

только тут меньше 45% -0, больше-10

[mickbell]

Чес-слово, неохота, лениво разбираться с этим изделием вечером, ещё и в воскресенье. Я бы, как уже сказал, по-другому сделал. Лучше самому насрать, чем разбираться в чужом говне.

[volatile]

вообщем дело было не в бобине)). На pc817 подавал шим 20кгц, вот она и охреневала, опустил до 2 и все ок