Synchronmotor bedaempfen

Fri Feb 26, 2010 10:33 pm   

Moin!

Zum Betrieb eines kleinen 3-Phasen-Synchronmotors habe ich einen
Sinuswelchselrichter mit gefilterter PWM-Endstufe gebaut. Nachdem ich
den Motor auf die gewünschte Drehzahl beschleunigt habe, reduziere ich
die Ausgangsspannung auf den Wert, bei dem die gesamte Schaltung den
geringsten Eingangsstrom zieht (empirisch ermittelt, linear zur
Solldrehzahl). Der Motor läuft dann also mit dem Phasenversatz, bei
dem er am effizientesten ist.

Nun treibt der Motor aber im wesentlichen nur eine Schwungmasse an,
läuft also praktisch im Leerlauf. Wenn ich den Motor kurz mit dem
Finger bremse (nur so weit, daß er noch synchron bleibt) und wieder
loslasse, dann pendelt der Rotor lange Zeit relativ zum Feld vor und
zurück. Das hört man, das sieht man an der Stromaufnahme, und das
stört die Anwendung beträchtlich. Ich gehe davon aus, daß das am
ungünstigen Verhältnis der hohen Masse zur geringen Reibung /
Wirkleistung liegt. Das Anbringen eines zusätzlichen Lüfterrades, um
mechanisch noch Wirkleistung abzunehmen, hat - gerade bei kleinen
Drehzahlen - praktisch nichts gebracht.

Gibt es Möglichkeiten, das elektronisch in den Griff zu bekommen?
Winkelsensoren am Motor habe ich keine. Ich messe allerdings den Strom
mit, den die Endstufe zieht (bisher nur zur automatischen Abschaltung,
wenn der Motor die Synchronität verliert). Würde sich der Versuch
lohnen, den Strom zu regeln anstatt die Spannung konstant zu halten?

Gruß,
Michael.

Fri Feb 26, 2010 10:45 pm   

Michael Eggert wrote:

Wie sieht denn die Regelschleife aus? PID?



Das hoert sich handfest nach einem Regelschleifenproblem an. Jetzt
bekomme ich sicher wieder einen Eimer Wasser auf den Kopf weil das nicht
wissenschaftlich sauber ist, aber vielleicht kommst Du mit
Einstellversuchen nach Ziegler-Nichols weiter:

http://www.mstarlabs.com/control/znrule.html

Wenn der Motor allerdings dabei Phasen verliert dann wird das nichts,
dann sollte er vielleicht doch etwas strammer eingestellt werden, etwas
mehr "Gas" und weniger Phasenversatz. Da Du ein Luefterrad erwogen
hattest scheint es ja nicht auf das allerletzte Watt anzukommen.

--
Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com/

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Fri Feb 26, 2010 11:14 pm   

Joerg <invalid_at_invalid.invalid> wrote:

Moin!


Nix Regelung! 3-Phasen-Sinus mit fester Frequenz und fester Spannung,
letztere in Abhängigkeit der Frequenz durch Ausprobieren festgelegt.

Läuft der Rotor mit größerem Winkel hinterm Feld her, sinkt die
gegeninduzierte Spannung und der Strom nimmt von ganz alleine zu. Also
legt der Rotor wieder zu, der Winkel wird kleiner, die gegeninduzierte
Spannung steigt und die Stromaufnahme sinkt. Das ist alles. Praktisch
eine (magnetische) Drehfeder mit Schwungmasse - je größer die
Auslenkung, desto größer das Drehmoment.


Tut er nicht, denn dann würde er nicht schwingen, sondern
stehenbleiben.


Damit steigt zwar die Resonanzfrequenz, aber das prinzipielle Problem
bleibt leider.

Gruß,
Michael.

Fri Feb 26, 2010 11:30 pm   

Michael Eggert schrieb:

lohnensten. Falls es bei Permanenterregung bleiben soll, würde ich einen
Motor suchen bei dem das Feld stärker ist.

Was soll das überhaupt werden, ein mechanischer Energiespeicher?

Mit freundlichem Gruß

Jan

Fri Feb 26, 2010 11:32 pm   

Michael Eggert wrote:

Ok, das ist eine Art Regelung oder meinethalben Steuerung. Denn Du hast
ja durch Probieren festgelegt wieviel Spannung bei welcher Frequenz noch
so einigermassen reicht, also proportional.

Schoen waere, wenn es jetzt noch eine richtige Regelschleife mit
Stromerfassung und echtem PID gaebe.



Dann sieht es so aus als sei dieser Motor fuer die Schwungmasse etwas
schlapp. Oder man muesste es so hinbekommen dass niemand mit dem Finger
an das Schwungrad tatzen kann :-)

Daempfen so wie bei Deiner Idee mit dem Luftrad haette an sich etwas
helfen sollen. Vielleicht war das zuwenig Last?

--
Gruesse, Joerg

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Fri Feb 26, 2010 11:56 pm   

Joerg <invalid_at_invalid.invalid> wrote:

Moin!


Ja, aber im Betrieb gibts eben keine Regelschleife, welche die
Schwingung verursacht. Das Problem entsteht rein durch das
winkelabhängige Drehmoment.

Darin liegt eben der Unterschied zum DC-Motor: Während dort der Strom
abhängig von der Drehzahl wäre, ist er beim Synchronmotor proportional
zum Winkelversatz. Dadurch kommt ein zusätzlicher mechanischer
Integrator ins System, und dadurch kanns schwingen.


Genau das ist die Frage: Lohnt es sich, den _Strom_ zu messen und über
die Spannung als Stellgröße zu regeln, oder fange ich mir damit bloß
andere Probleme ein?


Ich glaube, eher zu stark. Es ist ein BLDC-Motor für Flugzeugmodelle,
der dort mit bis zu 250W getreten wird, und er treibt eine Aluscheibe
von 20cm Durchmesser und 1mm Dicke, die ich auf bis zu 10000 Upm
beschleunige. Bei mir läuft er aber nicht mit der BLDC-Elektronik
(Feld passend zur Drehzahl generiert) sondern mit konstanter Frequenz.

Der Motor hat also Leistung ohne Ende, die ich zum Beschleunigen gerne
nutze, aber nach Erreichen der Solldrehzahl brauche ich gerade noch
10W. Viel Leistungsreserven heißt: Fette Magnete, dicker Draht, wenig
Innenwiderstand -> steile Kennlinie Strom/Winkel.

Darum vermute ich, daß ein schlapperer Motor weniger zickig reagieren
würde, nur kann ich den so schnell nicht tauschen und ich brauche die
Leistung zum Beschleunigen.


Nunja, die Schwingung kommt schon dadurch rein, daß ich den Motor mit
höherer Spannung beschleunige und diese dann erst auf den Wert
reduzieren, bei dem der Motor am effektivsten läuft. Und manchmal will
er gar nicht mehr aufhören zu pendeln...


Vermutlich - mehr geht aber nicht.

Gruß,
Michael.

Sat Feb 27, 2010 12:05 am   

Jan Kandziora <jjj_at_gmx.de> wrote:

Moin!


Ist ein permanenterregter Außenläufer mit Neodym-Magneten, TM280-20:
http://www.torcman.de/motoren/tm280/tm280.htm

Im Flugzeugmodell bis 400W belastbar, bei mir wird er ohne Kühlung
nichtmal handwarm. Wie ich Jörg schon schrieb: Ich denke, gerade die
starke Erregung und der dicke Draht sind das Problem, daß der Strom
(und damit das Drehmoment) so zickig auf die Phase reagiert und sich
das ganze aufschaukelt.


Nein, eher so eine Physiker-Anwendung. :-)

Gruß,
Michael.

Sat Feb 27, 2010 12:17 am   

Michael Eggert schrieb:


Ah, also keine EM-I/II gehört?

Das was du beschreibst ist ohne Feedback ganz unvermeidbar. Man muss
dafür allerdings keine Hallsensoren anbringen, wenngleich es besser und
einfacher wäre, man kann auch die Gegen-EMK des Motors auswerten. Regler
für Brushlessmotoren mit dieser Technik wurden schon von zahlreichen
Bastlern realisiert, kriegst du sicher auch hin. Ein Beispiel mal:

http://home.versanet.de/~b-konze/blmc_bko/blmc.htm


Gruß Dieter

Sat Feb 27, 2010 12:39 am   

Michael Eggert wrote:

Das ist fast immer so, dass aeussere Umstaende eine oder mehrere
Schwingneigungen verursachen. Auf amriganisch-regelungstechnisch
"instable plant behavior", gibt wahrscheinlich auch einen kernigen
deutschen Ausdruck dafuer. Sieh Dir mal den Citroen DS an, die haben da
eine Masse an kleinen Regelelementen reingehaengt, ewig daran getueftelt
und das Ergebnis war, dass Du damit voll ueber einen rauhen
Bahnuebergang kacheln kannst und es faellt noch nicht mal Asche von der
Zigarre runter.



Und den gilt es zu umschiffen :-)



Wenn Du beim energiesparenden Betrieb mit abgesenkter Spannung bleiben
moechtest ist eine Regelung wahrscheinlich der einzige Weg. Mit
Synchronmotoren plus PID hatte ich noch nicht zu tun, aber mit
Lasersystemen in aehnlicher Lage. Da konnte von aussen eine Stoerung
kommen, ebenfalls durch ruckartige mechanische Belastung der optischen
Strecke (Schlag). Das schwang dann auch wie wild rum und mein Job war
dann u.a. das bitteschoen "wegzubuegeln", "make it go away". Ergo kam
dort ein PID rein, den das System ohne diese mechanische Stoerung gar
nicht gebraucht haette. Ich geb's zu, ich habe den mit dem nassen Finger
abgeglichen, geht manchmal nicht anders. In Deinem Fall vielleicht
schon, weil Du den Effekt komplett beschreiben kannst, der Luxus war mir
nicht vergoennt.



Ok, aber Du schriebst im ersten Post "Nachdem ich den Motor auf die
gewünschte Drehzahl beschleunigt habe, reduziere ich die
Ausgangsspannung auf den Wert, bei dem die gesamte Schaltung den
geringsten Eingangsstrom zieht ...".

Das verstehe ich so, dass Du mit der Spannung soweit runtergehst, dass
er nicht mehr viel an Reserve uebrig hat, sich also wie ein schwacher
Motor benimmt. Ein Regelkreis koennte da jetzt eingreifen und einige
Schueppen drauflegen bis sich die Schwingung wieder beruhigt hat.



Ich glaube Du hast ihn mit der Spannungsabsenkung schlapp gemacht. Wie
sieht das denn aus wenn Du sagen wir mal einen Taster anbringst mit dem
die Spannung beim Druecken auf volle Kamelle geht, und den dann sofort
nach Beruehren des Schwungsrades drueckst? Vielleicht reicht das bereits
und man koennte das dann einfacher (ohne PID) machen. Etwa so:
Stromaufnahme steigt unerklaerlich an -> muss eine Belastungsstoerung
sein -> Spannung auf volle Suppe -> einige Sekunden dort halten ->
langsam wieder reduzieren.



Kann es sein dass Du sie zu schnell reduzierst? Ich hatte bisher in
solchen Faellen nur mit Steppern zu tun und da geht das mit einer PID
Regelung sauber. Wenn man sehr aggressiv beschleuigen will schwingen sie
dabei auch ueber, aber nur 2-3 Zyklen. Hoert sich dann an wie abruptes
Gasgeben beim Trabant "Rrrrengggg ... teng ... teng".



Dann fuerchte ich wirst Du nicht um eine Regelung herumkommen. Wenn
schon ein Sensor fuer den Strom drin ist waere das schonmal die halbe
Miete. Wenn dann noch der Wechselrichter einen uC enthaelt und dort noch
gut Platz drin ist, waere das natuerlich super.

--
Gruesse, Joerg

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Sat Feb 27, 2010 12:54 am   

Dieter Wiedmann <dieter.wiedmann_at_t-online.de> wrote:

Moin!


Was nicht heißt, daß ich einer wäre. :-)


Doch, aber schon ziemlich lange her...


BLDC-Verfahren hilft mir nichts. Ich brauche eine möglichst konstante
Drehzahl, darum drehe ich mein Feld ja stur nach Quarztakt und nicht
wie mit beim Esel mit der Möhre immer dem Rotor angepasst vorneweg.
Ich kann auch nicht wie bei BLDC den Nulldurchgang am jeweils
unbestromten Pol auswerten, weils bei 3ph-Sinus einfach keinen solchen
gibt.

Alles was ich habe, ist die Stromaufnahme der Endstufe. Ich könnte
also in einer Regelschleife mit Konstantstrom fahren. Die Frage wäre
allerdings: _Braucht_ der Motor nicht den Anstieg des Stroms bei
steigendem Winkelversatz, um überhaupt hinterherzukommen? Wenn ich mit
Konstantstrom fahre, dann passe ich ja die Spannung der gegen-
induzierten Spannung an, das heißt, mit steigendem Winkelversatz
_reduziere_ ich die Leistung. Damit müsste der Motor doch instabil
werden und aus der Synchronität fallen.

Andererseits könnte ich auch bloß einen sanften P-Regler nehmen, der
die Spannung eben nur _etwas_ reduziert, so dass sich der Stromanstieg
bei gegebener Winkeländerung vielleicht halbiert. Könnte das etwas
bringen, oder würde ich damit bloß die Pendelfrequenz halbieren und
den Pendelhub verdoppeln?

Ich kann das alles leider erst am Montag ausprobieren und wollte
schonmal ein paar Ideen sammeln...

Gruß,
Michael.

Sat Feb 27, 2010 12:55 am   

Am 26.02.2010 22:33, schrieb Michael Eggert:

Hallo,

Stromsteuerung ist besser (linearer, schneller, bessere Bedämpfung) als
Spannungsansteuerung bei Induktivitäten.

Ein passive Bedämpfung mit einem parallelen RC-Glied könnte interessant
sein. Dabei sollte der Widerstand ca. dem ohmschen Widerstand der
Induktivität entsprechen und die Kapazität kann man berechnen oder auch
experimentell ermitteln auf optimale Bedämpfung.

Die Berechnungsformel habe ich gerade nicht parat, es gibt aber einen
Kapzitätswert bei dem die Gesamtschaltung sich in erster Näherung rein
ohmsch verhält und damit auch optimal bedämpft ist. Effekte höherer
Ordnung bleiben bestehen weil der Motor keine ideale Induktivität ist.


Bernd Mayer


Bernd Mayer

Sat Feb 27, 2010 12:58 am   

Am 26.02.2010 22:33, schrieb Michael Eggert:

Hallo,

Stromsteuerung ist besser (linearer, schneller, bessere Bedämpfung) als
Spannungsansteuerung bei Induktivitäten.

Ein passive Bedämpfung mit einem parallelen RC-Glied könnte interessant
sein. Dabei sollte der Widerstand ca. dem ohmschen Widerstand der
Induktivität entsprechen und die Kapazität kann man berechnen oder auch
experimentell ermitteln auf optimale Bedämpfung.

Die Berechnungsformel habe ich gerade nicht parat, es gibt aber einen
Kapzitätswert bei dem die Gesamtschaltung sich in erster Näherung rein
ohmsch verhält und damit auch optimal bedämpft ist. Effekte höherer
Ordnung bleiben bestehen weil der Motor keine ideale Induktivität ist.


Bernd Mayer

Sat Feb 27, 2010 1:16 am   

Joerg <invalid_at_invalid.invalid> wrote:

Moin!


Das glaube ich nicht.
Wenn ich mit hoher Spannung und hohem Strom fahre, dann bewegt sich
der Rotor ja ganz dicht am Feld. Das Drehmoment entsteht aber erst bei
einem Versatz zwischen Rotor und Feld... Halte mal zwei Magnete
voreinander, daß sie sich anziehen, und verschiebe sie seitlich
gegeneinander: Die größte Kraft bekommst Du, wenn Du sie etwa um die
Hälfte ihrer Breite gegeneinander verschoben hast.
Genau das ist der Grund, warum es eine Spannung gibt, bei der der
Strom minimal wird: Der Rotor bewegt sich in dem Moment genau in dem
Winkel dem Feld hinterher, bei dem die magnetische Kopplung am
effektivsten ist.


Ich habe keine Belastung drauf. Ich kann ihn damit nur sicher zum
Schwingen bringen, wenn er es nicht alleine tut.


Nein, ganz langsam, über mehrere Sekunden, sonst ruckt das fies in der
ganzen Halterung.


Das ist alles kein Problem. Ich kanns nur im Moment nicht testen und
würde mir später nur ungern umsonst die Arbeit machen, wenns Gründe
dafür gäbe, daß es sowieso nicht gehen würde.

Gruß,
Michael.

Sat Feb 27, 2010 1:31 am   

Michael Eggert wrote:


Doch, nimm man einen Asynchronmotor im Leerlauf, dann laeuft er ja auch
"am Feld". Wenn Du dem per Stelltrafo die Spannung herunterdrehst kannst
Du ihn mit der blossen Hand anhalten.



Die Kopplung schon, aber er hat dann u.U. aufgrund der dabei geringen
Spannung nicht mehr genug in den Mauen.



Die Belastung ist Deine Hand, oder eben jede andere Stoerung. Wenn Du
den Motor mit voller Spannung durchlaufen laesst geschieht die
Schwingung doch sicher nicht, oder doch?



Ok, das ist aber schon ein Indiz dass er an die Grenzen des Aushakens
geht. So aehnlich wie ein zu langsam geflogenes Flugzeug, wo dann die
ganze Maschine instabil wird und Seiten- und Querruder nur noch wie
Pudding reagieren.



Versuche erstmal ob Du den Motor mit rasantem Hochreissen der Spannung
aus der Schwingerei rausbekommst. Sollte nicht viel Aufwand sein, Poti
rauslegen oder notfalls Taster. Wenn das klappt, dann waere der Weg
beinahe vorgezeichnet.

Da Du derzeit als Messgroesse nur die Stromaufnahme der Endstufe hast
koennte man versuchen ob man per Integration hinkommt, oder eben mit der
Spannung (die ja anliegt) verwursten.

--
Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com/

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Sat Feb 27, 2010 1:36 am   

Michael Eggert wrote:


[...]

Hallo,

wird für deine Anwendung wohl eine zu delikate Lösung, aber ich habe mal bei
einem ähnlichen Problem eine Rutschkupplung dazugeschaltet, und die auf
Gleichlauf und minimale Schwingung angepasst (durch fröhliches
Ausprobieren). In meinem Falle war es allerdings ein 40W Motor. Als
Rutschkupplung (mehr eine eine Rutschbremse) war eine Holzwelle und eine
einstellbare Klemme mit Filz dran. Bei mir war das Problem die große
Trägheit des Systems, die dazu noch abhängig vom Winkel war (eine
exzentrische Masse auf der Welle). Ich habe die Bremse so eingestellt, dass
die Bremskraft viel größer war, als durch die Trägheit verursachte
Schwungkraft. Die Arbeiszeit war allerdings ziemlich niedrig (max. 10-15
Min. am Stück). Eine Nachjustierung und etwas Kolofonium war auch mal nötig.

Waldemar, Houston,TX (KAAAALT hier!!)