Am ajuns in clipa mult asteptata, proiectul este gata, totul este conectat mai ramane doar sa pornim! Functioneaza? Da, dar...


Se intampla uneori ca circuitele electronice care functioneaza perfect in conditii de laborator sa intampine dificultati majore in conditii de exploatare reale si asta datorita unui dusman invizibil si anume zgomotul electromagnetic si mai precis interferenta acestuia cu circuitul in cauza.

Proiectul realizat este un strung CNC de dimensiuni relativ mari, motor trifazat de 2.5 KW, steppere de 4A.

Singurele circuitele "home made" din proiect sunt dotate cu microcontrollere si fac legatura dintre PC si etajele de putere (Gecko).
Acestea sunt circuitele care au generat probleme din cauza zgomotului electromagnetic.

Iata si ultima versiune a circuitului:  18F4455 All 20.png

Circuitul de aici are toate problemele rezolvate insa drumul pana aici a fost, in acest caz, cel putin la fel de interesant ca si rezultatul.
Pe de alta parte, dupa cum vom vedea mai jos, schema nu este totul.
Cel putin la fel de important este cablajul.

Primul test:
________________________

A fost (aparent) un succes, cateva bug-uri rezolvate in codul din controller si masinaria a pornit.
Prima observatie ingrijoratoare: "Eroare pe comunicatia USB" si apoi "Invalid checksum" pe diverse comenzi.
Am verificat iarasi circuitele in laborator, totul era perfect insa pe masina apar totusi erori, erori din cele mai diverse si in momente aleatoare.
Practic nu se putea duce la bun sfarsit nici cel mai simplu program
cnc. Am banuit atunci pentru prima data efectul zgomotului electromagnetic si am inchis capacul cutiei de calculator unde erau montate circuitele. Nici un rezultat.
Dupa mai multe incercari am descoperit ca o diminuare a numarului de erori s-a produs in momentul in care am schimbat priza. O priza din amonte parea sa fie mai buna. Am testat cu o baterie. Erorile pareau mai putine dar din cauza caracterului lor aleator nu puteam sa fac o diferenta clara.
Alimentarea controller-ului era realizata direct de la o sursa de tensiune dintr-un PC. PC-ul functiona perfect cu o sursa similara ceea ce m-a pus pe ganduri.

Am facut urmatoarele schimbari:

1. Inlocuirea sursei de PC cu o sursa tot in comutatie dar mai
rezistenta la zgomot.
2. Adaugarea pe fiecare placa a unui etaj de stabilizare-filtrare
3. Ecranarea cablurilor de alimentare
4. Adaugarea unui filtru suplimentar de zgomot la intrarea in sursa (220V)
5. Includerea fiecarei placi cu microcontroller intr-o cutie metalica
separata. Apoi toate cuiile montate intr-o alta cutie metalica.



Al doilea test:
________________________

Erorile sunt mai putine dar nu au disparut. Priza nu mai conteaza. Cu putin noroc si din mai multe incercari pot sa rulez un program cnc complet. Sunt multumit dar stiu ca mai este de lucru.
Descopar ca orice oprire/pornire a unui motor trifazat din atelier atrage dupa sine resetarea controller-elor si implicit oprirea programului cnc. Pornirea motoarelor se face prin contactoare trifazate cu releu electromecanic.
Descoper, dupa multe teste si prin elminare succesiva, ca o alta mare sursa de zgomot o reprezinta cablurile de putere care fac legatura intre etajul final Gecko si motoarele pas-cu-pas.

Am facut urmatoarele modificari:


1. Cablurile de putere care alimenteaza motoarele le-am torsadat si le-am inserat in tuburi metalice legate la masa.
2. Am inlocuit cablurile senzorilor de capat de cursa cu cabluri ecranate. Banuiam ca aceste cabluri aduc zgomot "din afara" in circuit.
3. Toate cablurile de semnal le-am inlocuit cu cabluri ecranate (de exemplu cabluri de legatura intre microcontroller si etajele finale Gecko).
4. Am introdus in montaj filtre EMI calculate astfel incat sa rejecteze oscilatiile de frecventa mare.
5. Am reproiectat cablajul placii. Am eliminat cu aceasta ocazie buclele de masa, am apropiat condensatoarele de decuplare de pinii controller-ului, am adaugat condensatoare de decuplare, am eliminat soclul pe care statea controller-ul si l-am lipit. Astfel traseul pinilor a fost scurtat putin.



Al treilea test:
________________________

Erorile care apareau neasteptat in timpul executiei programului s-au imputinat in mod radical insa erorile care apareau la oprirea/pornirea motoarelor trifazice au ramas. Practic de cate ori opresc/pornesc un motor trifazat in apropiere (nu neaparat pe masina in cauza), microcontroller-ele se reseteaza sau dau erori de comunicatie cu PC-ul.

Am descoperit un lucru neasteptat si anume: pentru impamantarea intregii instalatii (sasiu, carcasa motor, cutiile metalice ale placilor cu electronice, etc.) foloseam firul de nul de protectie din priza de 220V. Dupa cateva masuratori am determinat ca acest fir era de fapt legat undeva de firul de nul si deci nu era o impamantare adevarata.Am trecut asadar la constructia unei prize de impamantare conform instructiunilor celor de la RENEL. Asta implica printre altele saparea unei gropi de 1m in pamant, cateva gauri prin ziduri si, in general, revizuirea intregii instalatii electrice.
Am facut urmatoarele modificari:

1. Constructie priza de impamantare si legarea la pamant a carcaselor, cutiilor, sasiului.
2. Adaugarea unei diode schottky la intrarea in blocul de alimentare a montajului. Rolul ei este de a rejecta tensiuni parazite inverse.
3. Realizarea circuitului de masa in mod compact. Nu exista zone extinse necorodate, toate zonele unde nu sunt pini sau componente SMD sunt din cupru si sunt legate la masa.
4. Scurtarea traseelor, reproiectare placa, optimizare traseu de masa.



Al patrulea test
_______________________

Erorile din timpul lucrului au disparut. Raman erorile generate de pornirea/oprirea motoarelor.
Am adunat iarasi date si se impunea inca o reproiectare a cablajului.
Cu toate ca traseul de masa era compact (placa nu avea zone mari necorodate) undeva s-a strecurat o bucla de masa. In plus, traseele puteau fi simplificate. Am trecut la reproiectare astfel incat traseul de masa sa ia forma unei stele.

Am descoperit bucle de masa si in circuitele exterioare si le-am eliminat. Un exemplu de bucla: Modul de alimentare, Placa cu microcontroller X, senzor capat de cursa X, senzor capat de cursa Y, placa microcontroller Y si din nou modul de alimentare (senzorii aveau alimentarea si implicit masa comuna). Am descoperit cat rau pot face buclele de genul asta care se intind pe lungimi toatale de cativa metri.
In acest moment exista o stea de masa pe cablaj in interiorul placii si mai exista o stea de masa in exterior. Fiecare subansamblu (alimentare, senzori, etaje finale de putere etc) este legat la masa intr-un singur punct.

1. Inlocuirea cablurilor de putere cu cabluri industriale, ecranate.
2. Folosirea de componente pasive exclusiv SMD, realizarea montajului dublu placat. Circuitele sunt doar pe o parte iar pe cealalta parte cuprul este necorodat si legat la masa. Aceasta suprafata compacta de cupru legata la masa functioneaza ca un ecran petru componente.
3. Stea de masa pe placa.
4. Stea de masa in exterior.
5. Contact electric (cu surub) intre carcasa metalica mare si carcasele fiecarei placi.



Al cincilea test
_______________________
Totul functioneaza perfect, daca ma gandesc la totalul modificarilor realizate imi dau seama ca rezultatele catastrofale din primul test au fost de fapt normale si previzibile.

Ca o concluzie partiala cred ca a contat mult realizarea corecta a cablajului. Apoi, traseul de masa din stratul cu circuite este mult mai bine realizat.

Alt lucru benefic a fost realizarea unei stele de masa pe placa. Si eliminarea buclelor de masa externe.
Schimbarea cablului cu care alimentez cele doua steppere de putere cu unul industrial a redus nivelul de zgomot emis.

Am facut o comparatie intre o placa cu microcontroller precedenta si placile de acum. Placa precedenta genereaza erori chiar si in configuratia externa actuala.

Prin urmare cel mai mare efect, cred eu, l-a avut realizarea corecta a cablajului dar n-as subestima nici celelalte modificari.

Am facut teste cu pornire/oprire repetata a motoarelor trifazate de putere din atelier, nici un efect asupra controller-elor.

Ce urmeaza:
1. Inlocuirea hub-ului usb cu unul industrial.
2. Realizarea unui nou circuit de alimentare a modulelor (Gecko) de putere, circuit care sa nu permita migrarea zgomotului inapoi in reteaua de 220V.
3. Inlocuirea cablurilor USB PC - hub, hub - controller cu cabluri industriale rezistente la zgomot.