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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Phasenverschiebung von 2 Signalen bis 3GHz Wie messen


Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

ich möchte dynamisch das Drehmoment an einer Welle Messen.
An beiden Enden der Welle sind Sensormarken und Opto-Sensoren 
angebracht, so dass eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung von 
den Sensoren geliefert wird.

Durch die Messung der Phasenverschiebung von beiden Signalen soll die 
verdrehung der Welle ermittelt werden und daraus dann das Drehmoment.

Problem ist, dass ich für die geforderte Auflösung, bei der maximalen 
Drehzahl ein Signal mit ca. 3GHz bekomme.

Mit welchen !einfachen! technischen Mitteln ist es möglich bei solch 
einer hohen Frequenz die Phasenverschiebung zu messen?
Das Signal ist ein Rechtecksignal.

Momentan hab ich noch keine richtige Vorstellung wie ich das messen 
kann.
Bisher hab ich so eine Messung über die Timer und externen Interrupts 
von einem MC realisiert, das fällt jedoch bei so einem Frequenzbereich 
weg.

Ich freue mich über jede konstruktive Hilfe zur lösung meines Problems.

Danke
Martin

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin (Gast)

>ich möchte dynamisch das Drehmoment an einer Welle Messen.
>An beiden Enden der Welle sind Sensormarken und Opto-Sensoren
>angebracht, so dass eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung von
>den Sensoren geliefert wird.

Zahlen? Siehe Netiquette!

>Durch die Messung der Phasenverschiebung von beiden Signalen soll die
>verdrehung der Welle ermittelt werden und daraus dann das Drehmoment.

>Problem ist, dass ich für die geforderte Auflösung, bei der maximalen
>Drehzahl ein Signal mit ca. 3GHz bekomme.

Das hat mit deinem Betreff aber reichlich wenig zu tun!

>Mit welchen !einfachen! technischen Mitteln ist es möglich bei solch
>einer hohen Frequenz die Phasenverschiebung zu messen?
>Das Signal ist ein Rechtecksignal.

Siehe oben!

MfG
Falk

Autor: Martin (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> Zahlen? Siehe Netiquette!
Was willst du wissen? Zum Beantworten der Frage ist diese Information 
trivial.

Falk Brunner schrieb:
> Das hat mit deinem Betreff aber reichlich wenig zu tun!
Wieso?
Sensor 1 liefert Signal 1
Sensor 2 liefert Signal 2

Bei Drehmoment = 0 -> Phasenverschiebung = 0
Bei Drehmoment > 0 -> Phasenverschiebung > 0

Gesucht, wie die Phasenverschiebung messen, wenn Frequenz 3Ghz ist.

Aber schon mal vielen dank für die Hilfe

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin (Gast)

>> Zahlen? Siehe Netiquette!
>Was willst du wissen? Zum Beantworten der Frage ist diese Information
>trivial.

Nö. Lies den Artikel und denk drüber nach.

>> Das hat mit deinem Betreff aber reichlich wenig zu tun!
>Wieso?

Weil es so ist ;-)

>Sensor 1 liefert Signal 1
>Sensor 2 liefert Signal 2

Und Apfelmus ist Mus aus Äpfeln.

>Gesucht, wie die Phasenverschiebung messen, wenn Frequenz 3Ghz ist.

Keineswegs. Du solltest an deinem Textverständnis arbeiten.
Dieser Satz bedeutet, du willst die Phasenverschiebung zwei 3GHz Signale 
messen.
Dem ist nicht so. Du willst die Pahsenverschiebung zweier Signale 
messen, welche aus der Drehzahl von zwei mechanischen Wellen über einen 
Sensor entstehen.
Selbst bei 100.000 U/min sind das läppische 1,6 kHz bzw. 600µs 
Periodendauer. Wenn man mit der klassischen Zählermethode mit 3 GHz die 
Phasenverschiebung bestimmt,
macht das eine Auflösung von 1.800.000 Schritten oder 0,72 Bogensekunden 
;-)
Das ist "etwas" optimistisch.

MFG
Falk

P S Das Stichwort lautet "Resolver", dort wird das Gleiche gemacht. Aber 
nicht nur über eine Zeitmessung, sondern auch über die Messung der 
Amplitude.

Autor: ... (Gast)
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Hi!
Im Normalfall kann man die Phasenverschiebung von -90 bis +90° von zwei 
Rechtecksignalen mit 50% Duty-Cycle mittels XOR-Gatter gefunden werden. 
Zumindest macht man das bei einer Digitalen PLL. Das XOR gibt dabei eine 
Lineare Funktion aus, die die Phasenverschiebung wiederspiegelt.
Ich denke aber auch das deine 3GHz utopisch sind. Wieviele Impulse pro 
Umdrehung kommen denn an? Welche Sensoren nutzt du, die das angeblich 
schaffen?

MfG

Autor: Philipp (Gast)
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und dann auch noch ein rechtecksignal ausgeben

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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Hallo Martin,

> Problem ist, dass ich für die geforderte Auflösung, bei der maximalen
> Drehzahl ein Signal mit ca. 3GHz bekomme.

Die seltsamen Antworten oben, entstehen dadurch, dass es recht 
unwahrscheinlich ist, dass Du ein 3GHz Signal vorliegen hast.
Da es sich um Wellen handelt, wird keine Welle schneller als 10000 mal 
pro Sekunde drehen.
Um 3GHz zu erzeugen, muesstest Du pro Umdrehung also 300000 Impulse 
erzeugen.
Das ist ebenso unglaublich, wie die Angabe, es handele sich um Optische 
Impulsgeber (bei dieser Aufloesung und Frequenz).

Also bitte einfach die Frage nochmal stellen, ausfuehrlich und korrekt, 
und DU bekommst sicher eine sinnvollere ANtwort


Gruss

Michasel

Autor: Martin (Gast)
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vielen Dank euch beiden.

Durch die Antworten von Falk bin ich auch stutzig geworden und hab das 
ganze nochmal überschlagen.

- E-Motor dreht sich mit max. 30000 U/min
- Sensoren sind optische Inkrementalgeber
- Durchmesser Motorwelle ca. 6-8cm
- auf der Welle ist eine mit Strichen bestückte Scheibe aufgebracht
- Anzahl der Striche ist mir grad unbekannt, erfrag ich aber bis morgen

Laut Meinung meines Kollegen bekommen wir bei maximaler Drehzahl von 
jedem der Sensoren ein Signal von ca. 3Ghz ... kann ich mir aber grad 
auch nicht vorstellen, da auf der Scheibe dann 6mio Striche sein 
müssten.

jetzt besser?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin (Gast)

>- E-Motor dreht sich mit max. 30000 U/min
>- Sensoren sind optische Inkrementalgeber

Ahhhhh,

>- Durchmesser Motorwelle ca. 6-8cm
>- auf der Welle ist eine mit Strichen bestückte Scheibe aufgebracht
>- Anzahl der Striche ist mir grad unbekannt, erfrag ich aber bis morgen

Gute Idee.

>Laut Meinung meines Kollegen bekommen wir bei maximaler Drehzahl von
>jedem der Sensoren ein Signal von ca. 3Ghz

;-)
Es sind wahrscheinlich sogar 300 THz, da die Lichtschranken meist 
infrarot arbeiten. Im Ernst. Das sind vielleicht 3 MHz, wenn es sehr 
hoch kommt 30 MHz.

>jetzt besser?

Ja. Aber es fehlt noch die Angabe, um wieviel Grad sich die Welle 
maximal verdeht.

MFG
Falk

Autor: Klinkenputzer (Gast)
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Ein passends Scope:

http://www.lecroy.com/Oscilloscope/OscilloscopeMod...

Im Menü "Phase difference beetween" für Kanäle Deiner Wahl aktivieren.

Fertig.

Die nächste Aufgabe angehen.

Autor: Hauspapa (Gast)
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Stichwort: Das Drehmoment verbiegt nicht nur die Welle.
Für das Messverfahren währe noch interessant wie steif das Maschinenbett 
ist. Oder anders gesagt: Kannst Du die relative Position  der stehenden 
Sensoren zueinanderüber das gesamte Drehmoment genau genug halten?

Grüssle Hauspapa

Autor: kHz (Gast)
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30 000 U/min sind 500U/s = wären 500Hz bei einem Strich auf der Scheibe
wären bei 100 Strichen 50 000 Hz = 50kHz


goto 14:28

Autor: Hauspapa (Gast)
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Noch ein paar Gedanken:
Deine Verdrehung sollte kleiner als der Abstand zwischen zwei Strichen 
sein, sonst gibt es mehrere mögliche Lösungen für das Drehmoment und Du 
weisst nicht wo Du bist.

Bei Auswertung mit XOR sollte die Verdrehung kleiner als 1/2 Abstand 
zwischen zwei Strichen sein, sonst gibt es mehrere mögliche Lösungen.

Bei Auswerung mit XOR und positivem wie negativem Drehmoment sollte die 
Verdrehung kleiner als 1/4 Abstand zwischen zwei Strichen sein.

Vermutlich ist das aber nicht relevant da die Welle sich nicht genug 
verdrehen wird. Eine Stahlschraube (St12.9) M39x4,00 darf mit 5600Nm 
angezogen werden. Eine Welle mit 6-8cm Durchmesser wird wohl ähnliche 
bis höhere Kräfte benötigen um sich optisch messbar zu verformen. Bei 
30'000 U/min sind wir dann mit der Leistung im mehrstelligen MW Bereich. 
Ich glaube aber nicht das wir ein derartiges Monster vor uns haben.

Darüber hinaus rennt eine 6-8cm Welle bei 30'000 U/min mit >100m/s oder 
verständlich 360-400km/h auf den Lagern. Das ist durchaus machbar. Ich 
hoffe aber die müssen nicht gedichtet sein, könnte sonst noch eine 
Herausforderung werden.

Ich bin skeptisch, aber es ist alles lösbar.
Hauspapa

Autor: Klaus (Gast)
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Hauspapa:

für diesen Zweck gibt es elastische Kupplungen, manche auch für den 
Betrieb in beiden Drehrichtungen optimiert.

MfG Klaus

Autor: Frank (Gast)
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>Laut Meinung meines Kollegen bekommen wir bei maximaler Drehzahl von
>jedem der Sensoren ein Signal von ca. 3Ghz

Auch die Wiedergabe solcher Aussagen ist strafbar. Egal, was noch kommt, 
wie soll man denn den Fragesteller noch ernstnehmen können?

Autor: Hauspapa (Gast)
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@Klaus

Wofür die elastische Kupplung? Ich kenne die Dinger so: Klaue rechts, 
Klaue links, Sonnenähnliches Elastomerteil in der Mitte. Sind recht 
nützlich (Achsversatz, Winkelfehler usw.). Nur was meinst Du bringt sie 
in dieser Messaufgabe?

Ich habe eine Drehmomentmesswelle noch nie zerlegt, dafür sind die 
Dinger (wenn sie gut sind) einfach zu teuer. Letztlich wird dort schon 
Torsion gemessen, aber wohl an einem im Durchmesser reduzierten 
Teilstück.

Bei folgenden Angaben:
>- Durchmesser Motorwelle ca. 6-8cm
>- auf der Welle ist eine mit Strichen bestückte Scheibe aufgebracht
komme ich bis jetzt zu keinen anderen Schlüssen.

durchaus interessant das Ganze, währe Schade wenn das Thema zu schnell 
einschläft
Hauspapa

Autor: Jochen Fe. (jamesy)
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Auch wenn es eventuell nicht (mehr) das ist, was der TO fragte: Es geht 
auch bei 3 GHz ganz vervorragend! Im VNA wird es ja auch so gemacht....
Man mischt die 2 Signale, und erhält einen DC-Wert, wenn man einen 
geeigneten Mischer nimmt. Je niedriger die Frequenz, desto besser geht 
es dann mit EX-OR oder einem Multiplizierer.
Rechteckformen kann man die Signale mit schnellen Logarithmieren, die 
auch ein begrenztes "Rechteck"-Signal ausgeben, z. B. von Analog 
Devices.

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

es hat zwar etwas gedauert, aber ich habe jetzt etwas mehr 
informationen.

An der Messwelle erhalte ich 48 Signale pro Umdrehung. Maximale Drehzahl 
30.000 U/min => 24.000 Signale/sec maximal.

Der maximale Verdrehwinkel (phi) von Rotor zu Messwelle ist auf 3,6 Grad 
bei maximalen Moment von 500 Nm ausgelegt.

Auflösung soll 0,01 Nm sein, Messgenauigkeit 0,01 % (= 0,05 Nm) des 
Maximalwerts.

Für diese Genauigkeit benötige ich einen sehr schnellen Timer.
Mit welcher Elektronik kann ich so etwas am besten realisieren?
Die Daten, Drehmoment und Drehzahl, sollen in einem Controller ermittelt 
und aller 2ms ausgegeben werden.

Bisher habe ich solche Messungen mit den internen Timern eines Atmegas 
gemacht, leider sind diese für die aufgabe nicht mehr schnell genug.

Frage:
- Mit welcher Elektronik kann man diese Messung realisieren?
- gibt es dafür spezielle ICs
- analoge Schaltung?
- sonstigen Lösungsansatz

Danke für die Hilfe

Autor: Optoelektroniker (Gast)
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Bist du sicher, dass Slew-Rate und Jitter deiner Opto-Sensoren für die 
Meßanforderungen ausreichen?

Autor: Martin (Gast)
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Die Sensoren sind nicht meine Aufgabe, darum kümmert sich jemand 
anderes.
Das Signal liegt also wie beschrieben vor.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Martin schrieb:
> - sonstigen Lösungsansatz

Ein Tektronix 2465A oder 2445A nehmen, autoset drücken,  und die 
Phasenverschiebung direkt am Bildschirmcursor auf 3 Stellen genau 
ablesen.

Autor: Martin (Gast)
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danke andrew,

jedoch wird eine eigenbaulösung mit einem Controller für die Auswertung 
benötigt, da das Signal an einen PC und an weitere Komponenten gesendet 
werden muss...

Autor: Unwissender (Gast)
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Martin schrieb:
> Das Signal liegt also wie beschrieben vor.

Kannst Du das noch einmal wiederholen?
TTL, ECL, HCMOS?

Bei voller Drehzahl hast Du zwei 24kHz Signale, die um bis zu 172,8° 
Phasenverschiebung aufweisen; verrechnet mit der 0,01N Auflösung egeben 
sich Zeitdifferenzen von 0,4ns.
Verstehe ich das richtig?

Autor: Martin (Gast)
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genau...
momentan haben wir uns auf TTL Pegel (0V und 5V)geeinigt, das ist aber 
noch nciht endgültig.

Autor: Optoelektroniker (Gast)
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Unwissender schrieb:
> Bei voller Drehzahl hast Du zwei 24kHz Signale, die um bis zu 172,8°
> Phasenverschiebung aufweisen; verrechnet mit der 0,01N Auflösung egeben
> sich Zeitdifferenzen von 0,4ns.
> Verstehe ich das richtig?

Bei einer Drehzahl von 500 1/s und 3.6° Meßbereich, komme ich auf eine 
max. Zeitdifferenz von 20 us. Bei einer Auflösung von 0.01 % wären das 
dann 2 ns.

Gruß

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Optoelektroniker (Gast)

>Bei einer Drehzahl von 500 1/s und 3.6° Meßbereich, komme ich auf eine
>max. Zeitdifferenz von 20 us. Bei einer Auflösung von 0.01 % wären das
>dann 2 ns.

Macht schlappe 500 MHz. Aber immerhin Faktor 6 weniger als 3 GHz ;-)

Aber für sowas gibt es heute "Time To Digital Converter", die können im 
Bereich von 100ps problemlos auflösen, alles fertig in einem IC.
 und deutlich billiger als ein komplettes GHz Oszilloskop.

Leute mit Sportsgeist bauen sowas selber in einem kleinen FPGA nach, ist 
bei 2ns Auflösung noch ganz gut machbar. Vier 90° phasenverschobene 125 
MHz Takte kriegt jedes FPGA heute hin, selbst 250 MHz sind drin, womit 
man effektiv 1 GHz Abtastrate hat. Wäre ne nette Entwicklungsaufgabe für 
mich 8-0

MFG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Martin (Gast)

>momentan haben wir uns auf TTL Pegel (0V und 5V)geeinigt, das ist aber
>noch nciht endgültig.

Naja, wenn man die Phasenlage von zwei Signalen mit 2ns auflösen will, 
wird das mit normalen TTL/CMOS-Signalen mit typ. 5ns Anstiegszeit knapp, 
wenn gleich es geht.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Autor: hhh@hh.com (Gast)
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So etwas gibt es fertig von HBM. Mach dir keine Hoffung das du so
etwas selber bauen kanst. Eine Illusion.

Autor: Knut (Gast)
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Na dann leg mal los Schlaubi :-)
Duck und weg


Gruß Knut

Autor: Unwissender (Gast)
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Optoelektroniker schrieb:
> Bei einer Auflösung von 0.01 % wären das
> dann 2 ns.

Du verwechselst Auflösung und Genauigkeit :-)

Autor: Optoelektroniker (Gast)
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Unwissender schrieb:
> Optoelektroniker schrieb:
>> Bei einer Auflösung von 0.01 % wären das
>> dann 2 ns.
>
> Du verwechselst Auflösung und Genauigkeit :-)

Sorry, hast natürlich recht.

Da würde mich die Optik interessieren - Genauigkeit der Marken 220 nm. 
Zugegeben, die Halbleiterbelichter lachen darüber, aber an einer 
Motorwelle ...

Autor: fragender (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> @  Optoelektroniker (Gast)
>
>>Bei einer Drehzahl von 500 1/s und 3.6° Meßbereich, komme ich auf eine
>>max. Zeitdifferenz von 20 us. Bei einer Auflösung von 0.01 % wären das
>>dann 2 ns.

hallo,

ich hab mir grad gedanken über die benötigten berechnungen gemacht, 
jedoch bin ich nicht wirklich zum Ziel gekommen. Ich möchte so etwas 
ähnliches machen, jedoch mit einer viel geringeren drehzahl und 
auflösung.

Wie komme ich anhand der
 - Auflösung 0,01%
 - den max. 3,6°
 - den 30000 U/min
auf die benötigte Abtastrate/Timerfrequenz um den Phasenabstand zu 
messen.

Was muss ich noch alles beachten, damit ich keine fehler mache.

Danke

Autor: katzenfeind (Gast)
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Warum pappst du nicht einfach ein DMS auf die Welle.
Das ist doch viel einfacher als das mit den Drehgebern,.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  fragender (Gast)

>jedoch bin ich nicht wirklich zum Ziel gekommen. Ich möchte so etwas
>ähnliches machen, jedoch mit einer viel geringeren drehzahl und
>auflösung.

>Wie komme ich anhand der
> - Auflösung 0,01%
> - den max. 3,6°
> - den 30000 U/min
>auf die benötigte Abtastrate/Timerfrequenz um den Phasenabstand zu
>messen.

30.000 U/min / 60 = 500 U/s = 500 Hz Drehzahl

T = 1/f = 1/500Hz = 2ms Periodendauer

3,6°/360° * 2ms = 20µs maximaler Zeitversatz bei max. Drehzahl

20µs * 0,01% = 20µs * 0,0001 = 2ns Zeitauflösung

>Was muss ich noch alles beachten, damit ich keine fehler mache.

;-)
Bau kein Atomkraftwerk.

MFG
Falk

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