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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Synchro ansteuern - wie BLDC?


Autor: Jörg Hermann (dr_coolgood)
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Hallo Experten,

es geht sich um die Ansteuerung von Synchros. Diese sind aufgebaut wie 
BLDC Motoren - 3 Wicklungen, meistens Stern, es ibt aber auch 
Schaltbilder mit Dreieck. Der Rotor ist entgegen dem BLDC kein 
Permanentmagnet, sondern auch eine Wicklung.

Getrieben wird alles mit 400 Hz Sinus, Rotor 26 V, Statoren 11,8 V.
Einige dieser Prachtexmplare benötigen jedoch auch 33 und 52 V!!!
Alle Sinus sind IN Phase, der Synchro dreht nicht, sondern zeigt einen 
Winkel an.
Die Information über den Winkel steckt in den Amplituden der Stator 
Signale.
Verstellt sich der Geber, folgt der Empfänger.
Der Winkel ändert sich nur langsam - maximal 1 Umdrehung pro Sekunde.
Siehe auch hier: http://en.wikipedia.org/wiki/Synchro

In meiner Anwendung ist der Geber ein Mikrocontroller, also muss er 4 
Sinus produzieren:
1 * Rotor mit fester Amplitude
3 * Stator mit variabler Amplitude, je nach anzuzeigendem Winkel.

Das funktioniert auf meinem AT90CAN:
4 PWM Kanäle, Hochpass, Tiefpass, Zwischenverstärker, noch ein Tiefpass 
und Analog-Opamp-Verstärker TDA2030.
Ein Synchro braucht nur ca. 1 W, aber den TDA2030 hatte ich herumliegen.
Er schafft die 26 V für den Rotor problemlos, allerdings mit einem 
Haufen Verlustwärme.
Da zwei Synchros mit einem gemeinsamn Rotorsignal arbeiten können, kann 
ich 2 Synchros pro AT90CAN bedienen.


Nun kommen wir zu den Problemen:

Ich muss ca. 50 Synchros ansteuern - also 200 analoge Kanäle! Selbst 
wenn ich jeweils 2 Rotorsinus aus einer gemeinsamen Quelle speise, 
bleiben im Vollausbau immer noch 175 analoge Kanäle!

Bei der aktuellen Lösung sitzen zwei OpAMP jeweils mit einer Verstärkung 
> 1 in Serie. Durch Bauteiltoleranzen der Filter - und 
Verstärker-Glieder haben die Statoren bei Vollaussteuerung 
unterschiedliche Amplituden. Dies führt zu einem Fehler, da der 
anzuzeigende Winkel in der Amplitude des Signals kodiert ist. Synchros 
sind SEHR präzise - man sieht den Fehler!
Aufgrund der Anzahl der Kanäle scheidet eine analog zu justierende 
Lösung aus.

Alternativen die ich sehe:

1) Ich kann den Stator-Sinus per Spannungsteiler vom Rotor-Sinus 
abgreifen und die Amplitudenmodulation von digitalen Potis erledigen 
lassen. Habe ich versucht, funktioniert.
Der Channel-to-Channel Fehler, +-1%, +-0,28 Grad, ist akzeptabel.
Bei dieser Lösung bleibt weiterhin das Problem der 175 analogen 
Verstärker.

Ist dazu Klasse D eine Lösung? Bei Mosfet Endstufen ist die 
Ausgangsspannung bei vernachlässigbarem RDS = Versorgungsspannung. Somit 
haben alle Verstärker an der gleichen Rail den gleichen Spannungshub.
Nur muss es aufgrund der Anzahl der Kanäle ein einfacher, wenig 
Komponenten zählender Verstärker sein.


2) Die Endstufe von einem BLDC?
Die schalten als Halbbrücke von Plus nach Masse.
Oder brauche ich wegen dem Sinus auch eine negative Versorgungsspannung?
Wie funktioniert eine Halbbrücke mit negativer Versorgungsspannung?
Wie sehen die Treiber dazu aus?
Oder brauche ich Vollbrücken?
Wie werden drei Vollbrücken an einem Stern oder Dreieck angeschlossen?
Soll ich die Ausgänge filtern um einen "besseren" Sinus zu bekommen?


Weiter würde diese Lösung bedingen, dass ich 175 PWM Kanäle habe.
Aufgrund der niedrigen Frequenz sehe ich SoftPWM als Lösung. Die SoftPWM 
kann auf Slave Prozessoren ausgelagert werden möglicherweise 8 oder 16 
pro Slave.
Ist das ein gangbarer Weg?

Dann gibt es sicher noch Möglichkeiten, in denen ich mich nicht auskenne 
- externe Sinusgenaratoren und so.
Ich denke das wird allerdings aufgrund der Kanalzahl sehr schnell sehr 
teuer.

Fragen über Fragen.

Ich bitte euch um Kommentare zu meinen Ideen.
Irgendeine Lösung muss es ja geben.

Vielen Dank vorab!

Grüßlis
Jörg

Autor: faustian (Gast)
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"Ich muss ca. 50 Synchros ansteuern - also 200 analoge Kanäle! Selbst
wenn ich jeweils 2 Rotorsinus aus einer gemeinsamen Quelle speise,
bleiben im Vollausbau immer noch 175 analoge Kanäle!"

Evtl Digitalpotentiometer-ICs und eben eine Menge Addressierungslogik 
(zB eine Kette aus vielpoligen billigen Mikrocontrollern durch die ein 
serieller Bus geschleift wird, oder ein Baum aus 74HC138) nehmen? Wenn 
50 Synchros im Spiel sind glaub ich nicht dass ein paar 100 Euro an ICs 
eine grosse Rolle spielen....

Autor: Simon L. (simon_l)
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Hi,

zu

> 2) Die Endstufe von einem BLDC?

Eine üblich Endstufe in einem BL-Controller besteht aus 6 N-Kanal Fets, 
je 2 in Reihe zwischen Vcc und GND, in der Mitte wird der Motor 
angeschlossen. Je nachdem mit einem high-side Fettreiber, da der Obere 
Fet auch ein N-Kanal ist. Wenn die Leistung klein ist könnte man auch P 
und N Fets nehmen, aber wenn wie du schreibst die Spannung eine Rolle 
spielt wäre es wohl Klug 6 gleiche Fets zu verwenden. High-side Trieber 
liegen bei 1-2€. Bei der Verwendung von Fettreibern besteht auch kein 
Problem mit der VCC im Fet-strang, sie kann dann bei biszu 600V liegen.

Frage: Könnte man nicht einen Sinusgenerator bauen der verschiede 
Spannung ausgibt und alle Synchros synchron treibt (jippi wortspiel)? Je 
Synchro gibt es dann die beschriebene Op-Amp-Schaltung und einen µC der 
die Daten dann an einen Master schickt.

Gruß Simon

Autor: Jörg Hermann (dr_coolgood)
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@faustian
Die digitalen Potis habe ich schon getestet, bleibt die Frage nach der 
Verstärkung: Hast Du dazu eine Idee?

@Simon
Ich hatte wegen der geringen Leistung - und der einfacheren Schaltung 
auch mit P/N Paaren geliebäugelt, aber Dein Einwand mit gleichen FET für 
LS/HS ist sehr gut!

Mine Frage zu den BLDC Treibern bleibt: Muß ich wegen der negativen 
Halbwelle des Sinus einen symmetrische Versorgung haben?
Alle bisher gesehenen FET Treiber gehen von einem GND-Bezug des LS FET 
aus, wie sieht das bei symmetrischer Versorgung aus?

Hat jemand einen Pointer auf einen erprobte BLDC Endstufe, die ich zum 
Experimentieren nachbauen kann?

Dein Vorschlag mit den Potis führt sofort zurück zum Problem: Wie 
verstärken?

Gruß
Jörg

Autor: Simon L. (simon_l)
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Hi,

bei den Modellbaureglern hat man nur eine Spannung gegen Masse. Sie 
laufen quasi symetrisch in der Luft, ich weis schlechter Ausdruck, aber 
man kann es sich gut vorstellen^^

http://www.jetcontrol.de/Bastelstube/BLMC.html

Dort gibt es einige Links mit kleineren und größeren BLMC.

Btw. Du kannst mir auch gerne eine PM senden, ich hab mich lange mit so 
Modellbaureglern beschäftigt, und Phasendifferenzmessung habe ich auch 
schon gesehen, im µRAD Bereich, leider hab ich mir die Software nur mal 
nebenbei angeschaut, die HW war interessanter ;) Messung war um 
150-200Hz

Gruß Simon

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Aalso ich denke, das Synchros nicht einfach wie BLDCs anzusteuern sind.

auch denke ich nicht, das die Statorsignale INPhase zur Rotorspannung 
stehen.
Zumindest die zwei "unteren rechten und linken" stehen 120° und 240° zur 
Referenzphase des Rotors.

Ich tät also drei 400Hz Signale per DDS generieren. Von einem Ausgang 0° 
die Spannung als Rotorspannung.
Einen Sinus mit 400Hz lässt sich gut mit geringen Verzerrungen erzeugen.

Ich las etwas vom (TD)A2030. Kann man machen, wenn man den eben nicht im 
Analogbetrieb, sondern direkt vom Portpin des DDS-Ausgangs im 
Digitalenbetrieb betreibt. Aupassen muss man, das die Betriebsspannung 
nicht 30 Volt übersteigt.

Natürlich lassen sich hier auch BLDC Endstufen einsetzen. Eine negative 
Spannung brauchts glaube ich nicht.
Ansonst fehlt mir natürlich jegliche Erfahrung im Umgang mit solchen 
Synchros, da soetwas in derheutigen Zeit anders gemacht wird. Aber ich 
weiss ja auch nicht, was GENAU hier der Treadopener vor hat und ob die 
Sache nicht wirtschaftlicher mit anderen Mitteln vielleicht dargestellt 
werden kann.
Aber ich habe mir angewöhnt, gegebene Sachen in einem Thread als solche 
zu nehmen und nicht den Sinn zu hinterfragen. Jörg wird schon wissen, 
warum er das exakt so lösen will/muss.
Denn es gibt auch Servomotoren mit 320° Ausschlag und Rückmeldung.
Diese funktionieren ähnlich eines ModellbauLenkservos. Haben eben einen 
großen Zeiger am Getriebe, der als solcher Verwendung findet.

Kann man sich beim TÜV ansehen, sind im Brems-und Rollenprüfständen 
verbaut.

Gruß

Axelr.

Autor: Jörg Hermann (dr_coolgood)
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Hallo Axel,

versuche Dir einen Synchro als einen Trafo vorzustellen:
Im Geber bekommt der Rotor den Referenzsinus und induziert in den um 
120° versetzten Spulen eine Spannung. In unterschiedlicher Höhe, aber 
mit exakt gleicher Phase.
Der Nehmer hängt parallel dazu, bekommt auf seine Statoren die 
Spannungen, die der Geber produziert. Somit folgt der Rotor im Nehmer 
der Stellung des Rotors im Geber.
Ich habe auch ein paar Wochen gebraucht um das durchzuholen...

PWM direkt auf den TDA2030 ist wirklich eine Idee!
D. h. ich muss den von 0 - 5 V laufenden PWM Ausgang am OpAmp Eingang um 
-2,5 V verschieben und dann mit einer Verstärkung von 2,36 die 11,8 Volt 
Wechsel erreichen.
Klingt nach einem Plan, aber im Grunde genommen will ich von dem 
analogen Blockheizkraftwerk weg...
Ich werde mir eine BLDC Endstufe zusammenlöten und schauen was passiert.

Wirtschaftlicher wäre ein Monitor zur Darstellung der Information - da 
hast Du Recht.
So wird es heute gemacht. Allerdings ist eine echte 3-Dimensionale 
Horizontkugel mit echten 360 Grad Bewegung mit einer perfekten 
indirekten Beleuchtung einfach 10000 Mal schöner als die 2D Darstellung 
auf dem Monitor.

Umbau von Instrumenten auf heutige Antriebstechnik erfordert eine 
feinmechanische Meisterausbilung und entsprechenden Maschinenpark. Habe 
ich beides nicht.

Da unsere Altvorderen das Problem bereits vor 40 Jahren gelöst haben - 
ohne DDS, ohne BLDC, ohne AVR  - sollte es mit diesen Hilfsmitteln 
möglich sein, die originalen Signale zu erzeugen. Das ist die 
Herausforderung der ich mich stelle.

Merci für die TDA Idee.

Grüßlis
Jörg

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/352012
Funktionsprinzip habe ich nun verstanden, danke für den Denkanstoß.

Ich übrlege mal mit, was man da am besten machen kann. Ist ja nun doch 
ganz anders, als ich mir dachte.
Gibts so einen "Drehmeldetransformator" irgentwo günstig?

Autor: Jörg Hermann (dr_coolgood)
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Hi Axel,

einzeln gekauft sind sie meist teurer als ein gesamtes Instrument.
Bevor Du Dich ans Kaufen machst:

Es gibt:
Synchro Transmitter (Geber)
Synchro Receiver (Nehmer)
Synchro Control Transformer (Fehlergeber)
Synchro Differential (Zwei Winkel addieren/subtrahieren)

Und dann Synchro Differential Resolver, der ist der genialste: Setzt ein 
Synchro Signal (3 Amplituden) in ein Resolver Signal (2 Amplituden, Sin 
und Cos) um.

Resolver haben 2 um 90° versetzte Spulen. Deswegen sind die Amplituden 
im festen Verhältnis von sin/cos. Aber darum geht es hier nur in der 
Nebensache.

In jedem halbwegs komplexen Instrument stecken meistens ein Control 
Transformer und Synchro Differential Resolver als Paar drin.

Buenas Noches,
Jörg

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Hier steht auch etwas dazu:
http://books.google.de/books?id=zLwtngK3T1UC&pg=PA...

Ich hatte soetwas garantiert auch in einer meines Vaters Schuppen und 
Scheunen, nun nachdem ich las, das die Teile auch als 
Antennrotormeldeeinrichtung verwendet wurden - sicherlich.

Obgleich unser Antennrotor mit einem Poti und einem normalen 
Zeigerinstrument ausgestattet war - die Changsen also doch schlecht 
stünden, soetwas aus dem Hühnerstall zu ziehen.
Der leztze Rotor wurde gar nur mitm Besenstiel bedient ;) Soviel zu DDS 
und AVR und ansderem neumodischem Kosmonautenkram...

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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mit den Resolvern hatte ich schon Kontakt: in einigen Kombiinstrumenten 
sind damit die Drehzahlmesser und Geschwindigkeitsanzeige realisiert. Da 
hatten wir mal gebastelt von seriell auf zweikanal sin/cos.
War für vitual Autorennen (mist - vergessen, wie es richig heisst).
Also Rennsimulator am PC mit "echten" Lenkrädern und Kobiinstrument;)
Daher stammte übrgins meine Skepsis mit der Phasenlage des Signals, die 
ja nun ausgeräumt ist.

Autor: Jörg Hermann (dr_coolgood)
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Hallo Axel,

guter Pointer: Der Cowan rectifier erklärt eine andere Verständnisfrage 
die ich hatte.
Sehr gut.
Die Autoanzeigeinstrumente kenne ich unter dem Namen Aircore.
Federbelastet stellen sie sich immer auf 0.

Jörg

Autor: Jörg Hermann (dr_coolgood)
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Hallo,

um weiterzukommen suche ich eine BLMC Endstufe mit folgenden 
Anforderungen:

Betriebsspannung zw. 12 und 52 V
Vorzugsweise 2n Endstufe
Vorzugsweise Treiber IC
Vorzugsweise Ansteuerung mit einem Signal statt H/L getrennt.

Strom ca 100 mA pro Strang.

Kennt jemand ein Projekt mit ähnlichen Anforderungen?

Axel - Dein Tornado Design kommt meinen Vorstellungen sehr nahe - gibt 
es noch noch Platinen?

Die meisten 2n+Treiber Endstufen sind mit D2 FET ausgestattet, für mich 
eine Nummer zu groß. Aber zum Testen ist das ja egal!

Vielen Dank vorab,
Jörg

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