Regulátor teploty laminátora

Doplnenie kancelárskeho laminátora o PI regulátor teploty pre účely výroby DPS (pre fotorezist a spájkovaciu masku).
titulny

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 (požad., mínus, plus), 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 S(s) = K / (Ts + 1) - pripojil som na výhrevné teleso skok napätia 50 V a zmeral odozvu. Vyšlo to pekne, prenosová funkcia je S(s) = 1121/(1062 s + 1), ak ako vstup uvažujeme príkon v rozsahu 0 - 1 (1 zodpovedá napájaniu 230 V), výstupom je teplota.
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:


prechodova char.

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.


schema zapojenia 1
schema zapojenia 2

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. :-)
To správanie teploty nie je ideálne, ale spraviť to lepšie by stálo veľa roboty. Viem s tým počítať (a teda vykompenzovať to), dôsledky nie sú závažné, takže som to už ďalej neriešil. Ešte dodám, že ak by som to robil druhý raz, tak by som si vybral nejaký hranatejší laminátor (v tomto okrúhlom bol problém umiestniť nejaké ďalšie súčiastky).
Keby mal niekto nápad ako umiestniť símač teploty tak, aby mohol čo najpresnejšie merať teplotu valca, nech sa podelí.

Fotky


foto1
foto2
foto3
foto4
foto5

Schémy, plošáky, program sú v sekcii Na stiahnutie.