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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Oberwellen in Synchronmotorstrom an Frequenzumrichter


Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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Hi,

zur Zeit messe ich an Synchronmotoren die Phasenströme mit dem Ziel, im 
Zusammenhang mit der Rotorlage den momentbildenden Strom zu ermitteln. 
Der Synchronmotor treibt die Vorschubachse einer Werkzeugmaschine an. 
Bei der Analyse der in dem Strom enthaltenen Frequenzanteile stoße ich 
im Wesentlichen auf:

8kHz, die aus der Taktung des FU kommen, ebenso dessen erste Oberwelle

einen "langsamen" Peak, dessen Frequenz sich berechnet aus 
Vorschubgeschwindigkeit/Spindelsteigung*Polpaarzahl, was auch logisch 
erscheint.

einen "mittleren Peak, der aus der Zahneingriffsfrequenz stammt. Dieser 
stammt eindeutig nicht aus der Vorschubgeschwindigkeit, sondern ist 
stets Fräderdrehzahl*Zahnzahl.

ein "schneller" Peak, der wieder proportional zur 
Vorschubgeschwindigkeit ist, und zwar 512 mal so schnell, wie der 
"langsame" Peak. Hier frage ich mich jetzt: woher kommt diese Frequenz? 
Die 512 als Faktor kann ich bei verschiedenen Fräsern, verschiedenen 
Spindeldrehzahlen und verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten berechnen. 
Meine Vermutung ist, dass dies irgendwie mit der Auflösung des FU zu tun 
hat, hab aber keinen Ansatz gefunden, um dies zu beweisen. Die Amplitude 
dieser Frequenz ist erstaunlich hoch, sie ist meist so in der 
Größenordnung 0,3*langsamer Peak.

Kann mir einer von euch auf die Sprünge helfen, wieso ich in meinem 
Phasenspektrum auf einmal die 512. Oberwelle wiederfinde?

Autor: Johannes (Gast)
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Du schreibst, dass die Frequenz 512 mal so groß ist wie die Grundwelle 
des Motorstroms, wenn ich das richtig verstanden habe.

Wie ist denn die Polpaarzahl des Motors und was hat das Mess-System für 
eine Auflösung? Vermutlich ist auf dem Motor der Vorschubachse ein 
Drehgeber montiert, die Strichzahl ist normalerweise eine Zweierpotenz..

Wenn die Motor-Polpaarzahl auch eine Zweierpotenz ist (z.B. 4), könnte 
deine gemessene Frequenz aus dem Messsystem kommen.

Wenn Du Zugriff auf die Regelparameter hast, könntest Du für einen 
Versuch den Lage- bzw. Drehzahlregler der Vorschubachse etwas weicher 
einstellen; die Amplitude bei dieser Frequenz müsste dann kleiner 
werden.


Eine andere mögliche Ursache ist, wie du ja schon vermutet hast, die 
Winkelauflösung des Umrichters. Die Sinusform des Motorstroms wird 
irgendwie digital erzeugt mit einer endlichen Auflösung, da könnte es 
gut sein, dass eine Sinusperiode in 512 Schritte aufgelöst wird. Aber 
das kann dir vermutlich nur der Umrichterhersteller genau beantworten.

Aus welchem Grund willst Du denn diesen Strom bestimmen? Normalerweise 
müsste dieser Wert im FU schon irgendwo drin sein, zumindest als 
Sollwert. Kannst Du darauf vielleicht direkt zugreifen?

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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Johannes schrieb:
> Du schreibst, dass die Frequenz 512 mal so groß ist wie die Grundwelle
> des Motorstroms, wenn ich das richtig verstanden habe.
>
jo
> Wie ist denn die Polpaarzahl des Motors und was hat das Mess-System für
> eine Auflösung? Vermutlich ist auf dem Motor der Vorschubachse ein
> Drehgeber montiert, die Strichzahl ist normalerweise eine Zweierpotenz..
>
also: die Polpaarzahl ist 4. Die Spindelsteigung ist 25mm und wenn ich 
mit 10mm/sek verfahre, messe ich die Grundwelle bei 100mm/s * 1/25mm *4 
=16 1/s.
Gemessen wird mit 20.000Samples/Sekunde und 12 Bit Auflösung, verwendet 
wurden Stromzangen mit ausreichender Bandbreite (100kHz) und es wird ein 
Offsetabgleich gemacht.
Der Motor hat einen Drehgeber mit zwei um 90° verschobenen Sinuswellen 
mit 2048 Perioden/Umdrehung. Die Motorsteuerung interpoliert da noch 
eine höhere Auflösung rein.
> Wenn die Motor-Polpaarzahl auch eine Zweierpotenz ist (z.B. 4), könnte
> deine gemessene Frequenz aus dem Messsystem kommen.
>
> Wenn Du Zugriff auf die Regelparameter hast, könntest Du für einen
> Versuch den Lage- bzw. Drehzahlregler der Vorschubachse etwas weicher
> einstellen; die Amplitude bei dieser Frequenz müsste dann kleiner
> werden.
In die Maschine eingreifen kann ich derzeit leider nicht, ich kann nur 
die Signale aus dem Profibus mitschneiden, die sind durch die 12ms 
Zykluszeit aber kaum zu etwas gebrauchen, ich kann in meinen Messreihen 
eigentlich nur erkennen, wann die Bewegung einsetzt. Das kann ich an den 
einsetzenden Strömen aber ebenso erkennen.
>
>
> Eine andere mögliche Ursache ist, wie du ja schon vermutet hast, die
> Winkelauflösung des Umrichters. Die Sinusform des Motorstroms wird
> irgendwie digital erzeugt mit einer endlichen Auflösung, da könnte es
> gut sein, dass eine Sinusperiode in 512 Schritte aufgelöst wird. Aber
> das kann dir vermutlich nur der Umrichterhersteller genau beantworten.
>
Wie der FU funktioniert, ist mir schon klar, mir geht es hauptsächlich 
darum, ob ein PWM-Signal mit 512 Schritten Auflösung insbesondere die 
512. Oberwelle in Ausgangsstrom zeigt.
> Aus welchem Grund willst Du denn diesen Strom bestimmen? Normalerweise
> müsste dieser Wert im FU schon irgendwo drin sein, zumindest als
> Sollwert. Kannst Du darauf vielleicht direkt zugreifen?
Die Ströme kann ich auch aus der Steuerung via Profibus (und andere 
Schnittstellen) rausbekommen, jedoch stets nur mit stark begrenzter 
Abtastrate.
Der Sinn des Ganzen ist die Prozessüberwachung, also die Ermittlung der 
Prozesskraft und daraus die Beurteilung, ob der Prozess in Ordnung ist. 
Wenn beispielsweise der Fräser bricht, ist die Prozesskraft größer, als 
sonst und dies soll erkannt werden. Der Motorstrom (besser gesagt: der 
momentbildende Strom) beinhaltet die Vorschubkraft als Information und 
wenn andere Verluste, wie sie durch Beschleunigung und Reibung 
entstehen, abgezogen werden, weiß ich durch den Motorstrom, was gerade 
am Fräser passiert.

Autor: Johannes (Gast)
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> also: die Polpaarzahl ist 4. Die Spindelsteigung ist 25mm und wenn ich
> mit 10mm/sek verfahre, messe ich die Grundwelle bei 100mm/s * 1/25mm *4
> =16 1/s.

> Der Motor hat einen Drehgeber mit zwei um 90° verschobenen Sinuswellen
> mit 2048 Perioden/Umdrehung.

Deine gemessene Störung kommt 512 mal pro Sinusperiode, also 2048 mal 
pro Umdrehung, das entspricht genau der Geber-Strichzahl. Ob das wohl 
ein Zufall ist?

> mir geht es hauptsächlich darum, ob ein PWM-Signal mit 512 Schritten
> Auflösung insbesondere die 512. Oberwelle in Ausgangsstrom zeigt.

Du darfst die Auflösung der PWM nicht mit der Winkelauflösung 
verwechseln.

Es ist möglich, dass der FU eine Auflösung von 512 Schritten für eine 
Sinus-Periode bzw. 2048 Schritte für eine Motorumdrehung hat und dann 
kann es tatsächlich sein, dass diese Frequenz auch im Motorstrom 
sichtbar ist.

Allerdings würde das dann (im Zeitbereich) so aussehen, dass statt einem 
"analogen" Sinus ein Stromverlauf mit vielen kleinen Stufen rauskommt, 
die Amplitude der Störung ist dabei sehr viel kleiner als die 
Grundwelle, also deutlich weniger als 30%.


> Der Sinn des Ganzen ist die Prozessüberwachung, also die Ermittlung der
> Prozesskraft und daraus die Beurteilung, ob der Prozess in Ordnung ist.

Wenn das in der Serie eingesetzt werden soll, ist es sicher nicht 
praktikabel, so etwas extern zu machen, eine leistungsfähige Steuerung 
sollte das intern machen können.

Wenn die momentan eingesetzte Steuerung das nicht kann, solltest Du das 
mal mit dem Lieferant besprechen, ob die da eine Lösung haben bzw. auch 
mal bei der Konkurrenz schauen.

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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Johannes schrieb:
>> also: die Polpaarzahl ist 4. Die Spindelsteigung ist 25mm und wenn ich
>> mit 10mm/sek verfahre, messe ich die Grundwelle bei 100mm/s * 1/25mm *4
>> =16 1/s.
>> Der Motor hat einen Drehgeber mit zwei um 90° verschobenen Sinuswellen
>> mit 2048 Perioden/Umdrehung.
> Deine gemessene Störung kommt 512 mal pro Sinusperiode, also 2048 mal
> pro Umdrehung, das entspricht genau der Geber-Strichzahl. Ob das wohl
> ein Zufall ist?
Ah, jetzt hab ich verstanden, wie rum du das meinst ;) Okay, das ist ein 
plausibler Ansatz, werde morgen mal schauen, ob ich die Doku vom FU 
bekomme. Diese Frequenz ist nämlich interessant, weil sie bei der 
Abtastung sehr deutlich hervorkommt und in Bereichen liegt, in denen sie 
weit von anderen Frequenzen entfernt ist. Zudem ist die Amplitude so 
groß, dass sie leicht vom Rauschen abgegrenzt werden kann.
Was mich jedoch verwundert ist, dass diese Frequenz im Motorstrom zu 
sehen ist, als ob der FU mit jedem Schritt vom Drehwinkelgeber seinen 
Ausgang aktualisiert. Wie gesagt, die Grundfrequenz des FU liegt bei 
8kHz.
> Es ist möglich, dass der FU eine Auflösung von 512 Schritten für eine
> Sinus-Periode bzw. 2048 Schritte für eine Motorumdrehung hat und dann
> kann es tatsächlich sein, dass diese Frequenz auch im Motorstrom
> sichtbar ist.
> Allerdings würde das dann (im Zeitbereich) so aussehen, dass statt einem
> "analogen" Sinus ein Stromverlauf mit vielen kleinen Stufen rauskommt,
> die Amplitude der Störung ist dabei sehr viel kleiner als die
> Grundwelle, also deutlich weniger als 30%.
durch die Induktivität des Motors ergibt sich im Strom keine Stufung, 
sondern das übliche Verhalten eines PT1-Systems.
> Wenn das in der Serie eingesetzt werden soll, ist es sicher nicht
> praktikabel, so etwas extern zu machen, eine leistungsfähige Steuerung
> sollte das intern machen können.
> Wenn die momentan eingesetzte Steuerung das nicht kann, solltest Du das
> mal mit dem Lieferant besprechen, ob die da eine Lösung haben bzw. auch
> mal bei der Konkurrenz schauen.
In meiner Studienarbeit geht es darum, ein Gerät zu bauen, welches 
flexibel an verschiedene Motoren angeschlossen werden kann. Die 
Beschränkung auf eine Steuerung, aus der die Daten kommen, ist hier 
nicht sinnvoll, da wir im Versuchsfeld viele verschiedene 
Werkzeugmaschinen unterschiedlicher Hersteller haben.

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