Фазовый детектор как метод определения скольжения ротора, Вопрос к приводчикам Опции

[repairDV]

Здравствуйте. В асинхронном электроприводе "Размер-2М", который применялся в доперестроечные времена на станках с ЧПУ, в схеме применялся фазовый детектор. К сожалению, у меня на руках только принципиальная схема привода без техописания. Знакомый наладчик упоминал как-то, что по этому приводу до перестройки была выпущена книга небольшим тиражом, которую днём с огнём нельзя было достать. Как я понял, с помощью фазового детектора определялся угол сдвига фазы между током и напряжением, суть - величину скольжения ротора. Из-за отсутствия техописания приходится только догадываться. Я понимаю этот процесс так: на фазовый детектор подавалось две частоты: частота модуляции, которая подмешивалась к основному сигналу, т.е. формирующему собственно трёхфазное напряжение; и её "отклик", т.е., ту картину, которая снималась с трансформатора тока. У меня проблема: я смог с помощью хорошего фильтра получить качественную картину на выходе трансформатора тока - чистая синусоида на всех частотах, но - увы. Этот фильтр имеет свою фазо-частотную характеристику и совпадает по фазе с током только на граничной частоте, т.е., в данном случае, на частоте 50 гц. К этому добавляется ещё и такая обнаруженная неприятность - зависимость фазы тока от температуры корпуса двигателя и окружающей среды вообще. Короче, хочу попробовать использовать фазовый детектор. Я думаю, в стране ещё есть приводчики, может быть, среди форумчан есть преподаватели кафедр электропривода? Вопрос такой: зависит ли фаза самой ШИМ-модулирующей частоты от величины скольжения ротора, т.е., совпалает ли она по фазе после снятия её "отклика" на выходе с вторички трансформатора тока с той частотой, которая имеется у нас на выводе микроконтроллера, который её формирует? Просто, прежде чем приступить к определению этого вопроса опытным путём, решил посоветоваться, дабы опять не потратить время на пустышку. Их уже столько было, жаль зря потраченного времени. По словам знакомого наладчика, которому приходилось заниматься "Размер-2М", частота ШИМ-модуляции была где-то 3,5 кгц.

Сообщение отредактировал repairDV - Sep 10 2007, 05:25

[Okorok]

Здравствуйте. В асинхронном электроприводе "Размер-2М", который применялся в доперестроечные времена на станках с ЧПУ, в схеме применялся фазовый детектор. К сожалению, у меня на руках только принципиальная схема привода без техописания. Знакомый наладчик упоминал как-то, что по этому приводу до перестройки была выпущена книга небольшим тиражом, которую днём с огнём нельзя было достать. Как я понял, с помощью фазового детектора определялся угол сдвига фазы между током и напряжением, суть - величину скольжения ротора. Из-за отсутствия техописания приходится только догадываться. Я понимаю этот процесс так: на фазовый детектор подавалось две частоты: частота модуляции, которая подмешивалась к основному сигналу, т.е. формирующему собственно трёхфазное напряжение; и её "отклик", т.е., ту картину, которая снималась с трансформатора тока. У меня проблема: я смог с помощью хорошего фильтра получить качественную картину на выходе трансформатора тока - чистая синусоида на всех частотах, но - увы. Этот фильтр имеет свою фазо-частотную характеристику и совпадает по фазе с током только на граничной частоте, т.е., в данном случае, на частоте 50 гц. К этому добавляется ещё и такая обнаруженная неприятность - зависимость фазы тока от температуры корпуса двигателя и окружающей среды вообще. Короче, хочу попробовать использовать фазовый детектор. Я думаю, в стране ещё есть приводчики, может быть, среди форумчан есть преподаватели кафедр электропривода? Вопрос такой: зависит ли фаза самой ШИМ-модулирующей частоты от величины скольжения ротора, т.е., совпалает ли она по фазе после снятия её "отклика" на выходе с вторички трансформатора тока с той частотой, которая имеется у нас на выводе микроконтроллера, который её формирует? Просто, прежде чем приступить к определению этого вопроса опытным путём, решил посоветоваться, дабы опять не потратить время на пустышку. Их уже столько было, жаль зря потраченного времени. По словам знакомого наладчика, которому приходилось заниматься "Размер-2М", частота ШИМ-модуляции была где-то 3,5 кгц.

В приводах я не специалист, но может такие сведения помогут:
Если на фазовый детектор подать сигналы одинаковой частоты, тогда выходной сигнал (постоянная составляющая) будет зависеть от сдвига по фазе между этими входными сигналами.
Похоже, это как раз то, что Вам нужно.

[repairDV]

А есть микросхемы - готовые фазовые детекторы? В "Размере-2М" фазовый детектор имел вид чего-то похожего на трансформатор, как я понял.

[Okorok]

А есть микросхемы - готовые фазовые детекторы? В "Размере-2М" фазовый детектор имел вид чего-то похожего на трансформатор, как я понял.

Готовых микросхем не знаю, даже схемотехнических решений есть немало - с трансформаторами и без.
Неплохое описание принципа работы фазового детектора здесь.
Несколько примеров схемотехнических решений здесь и здесь.
Вам следует решить, какое решение оптимально для Вашей ситуации (какова требуемая точность, относительно низкая частота и т.п.), и насколько выбранное решение получается доступным - по доступности и стоимости деталей.

[repairDV]

Схемы №9 и 11, по-моему, довольно интересные. Спасибо за ссылки. Но вопрос-то был в другом. Вопрос-то был к приводчикам, и он конкретно состоит в том, что существует ли такое явление: меняется ли фаза самого ШИМ-модулирующего сигнала, а в моём случае - это 2 кгц, на выходе трансформатора тока - в зависимости от величины скольжения ротора. То, что фаза модулируемого сигнала 1-50 гц зависит, и хорошо видна процессором (и осциллографом), это я определил. Но, увы. Фильтр на выходе трансформатора тока воздействует на сигнал так, что фаза "уплывает", а добавка от температурной зависимости делает этот процесс непредсказуемым. Так что, нужно, вероятно, работать всё-таки с самой неотфильтрованной частотой ШИМ. Если бы знать заранее, стоит ли на это тратить время.

[Okorok]

Схемы №9 и 11, по-моему, довольно интересные. Спасибо за ссылки. Но вопрос-то был в другом. Вопрос-то был к приводчикам, и он конкретно состоит в том, что существует ли такое явление: меняется ли фаза самого ШИМ-модулирующего сигнала, а в моём случае - это 2 кгц, на выходе трансформатора тока - в зависимости от величины скольжения ротора. То, что фаза модулируемого сигнала 1-50 гц зависит, и хорошо видна процессором (и осциллографом), это я определил. Но, увы. Фильтр на выходе трансформатора тока воздействует на сигнал так, что фаза "уплывает", а добавка от температурной зависимости делает этот процесс непредсказуемым. Так что, нужно, вероятно, работать всё-таки с самой неотфильтрованной частотой ШИМ. Если бы знать заранее, стоит ли на это тратить время.

Схему набросайте в общих чертах, а то ориентироваться трудно.

Что приходит в голову, не глядя на схему:
Вероятно, достаточно сравнить фазу тока и напряжения на самом двигателе позади всех трансформаторов и фильтров - на частоте 50 Гц. Например, вставить резистор 0,1 Ом (или какой там не навредит) последовательно к обмотке двигателя, "измерить" на нем напряжение - это опорный сигнал фазового детектора, пропорциональный току через двигатель. Входной (собственно измеряемый) сигнал фазового детектора - это напряжение на двигателе.

[_Pasha]

Схемы №9 и 11, по-моему, довольно интересные. Спасибо за ссылки. Но вопрос-то был в другом. Вопрос-то был к приводчикам, и он конкретно состоит в том, что существует ли такое явление: меняется ли фаза самого ШИМ-модулирующего сигнала, а в моём случае - это 2 кгц, на выходе трансформатора тока - в зависимости от величины скольжения ротора. То, что фаза модулируемого сигнала 1-50 гц зависит, и хорошо видна процессором (и осциллографом), это я определил. Но, увы. Фильтр на выходе трансформатора тока воздействует на сигнал так, что фаза "уплывает", а добавка от температурной зависимости делает этот процесс непредсказуемым. Так что, нужно, вероятно, работать всё-таки с самой неотфильтрованной частотой ШИМ. Если бы знать заранее, стоит ли на это тратить время.

Фаза ШИМ не должна быть информативным параметром(IMHO), хотя бы потому, что импеданс двигателя на 2кГц очень высок.
А если сформулировать вопрос так:
Можно ли определить скольжение, перемножив входную ШИМ с нефильтрованным сигналом трансформатора тока?

[repairDV]

Фаза ШИМ не должна быть информативным параметром(IMHO), хотя бы потому, что импеданс двигателя на 2кГц очень высок.
А если сформулировать вопрос так:
Можно ли определить скольжение, перемножив входную ШИМ с нефильтрованным сигналом трансформатора тока?

Перемножение и есть модуляция. Частоты одинаковые, так что и чем смодулируется? Нет, всё-таки, мне кажется, должен ротор сдвигать и ШИМ. Основную-то частоту он сдвигает. Буду пробовать сравнивать по фазе именно нефильтрованный сигнал с трансформатора и задающий.

Схему набросайте в общих чертах, а то ориентироваться трудно.

Что приходит в голову, не глядя на схему:
Вероятно, достаточно сравнить фазу тока и напряжения на самом двигателе позади всех трансформаторов и фильтров - на частоте 50 Гц. Например, вставить резистор 0,1 Ом (или какой там не навредит) последовательно к обмотке двигателя, "измерить" на нем напряжение - это опорный сигнал фазового детектора, пропорциональный току через двигатель. Входной (собственно измеряемый) сигнал фазового детектора - это напряжение на двигателе.

Там получается другая проблема. Основная беда асинхронников с ШИМ: наводки на плату управления. Т.е., тут, во-первых, нужна гальваническая развязка по питаниям, т.е. лучше применять трансформатор тока, чем последовательный резистор. Во-вторых, на обмотках электродвигателя напряжение имеет не прямоугольную форму, там чистая синусоида, это как влияние противоэдс ротора - оно имеет аналогию с тем, как если бы нагрузкой был дроссель с большой индуктивностью. Ну, опять же, если момент не завышен, т.е., сила тока ровно такая, чтобы не остановился ротор. Опорный сигнал на фазовый детектор - это и будет сигнал ШИМ с выхода микроконтроллера, естественно усиленный, если будет необходимо по схеме.

[Okorok]

Перемножение и есть модуляция. Частоты одинаковые, так что и чем смодулируется? Нет, всё-таки, мне кажется, должен ротор сдвигать и ШИМ. Основную-то частоту он сдвигает. Буду пробовать сравнивать по фазе именно нефильтрованный сигнал с трансформатора и задающий.
Там получается другая проблема. Основная беда асинхронников с ШИМ: наводки на плату управления. Т.е., тут, во-первых, нужна гальваническая развязка по питаниям, т.е. лучше применять трансформатор тока, чем последовательный резистор. Во-вторых, на обмотках электродвигателя напряжение имеет не прямоугольную форму, там чистая синусоида, это как влияние противоэдс ротора - оно имеет аналогию с тем, как если бы нагрузкой был дроссель с большой индуктивностью. Ну, опять же, если момент не завышен, т.е., сила тока ровно такая, чтобы не остановился ротор. Опорный сигнал на фазовый детектор - это и будет сигнал ШИМ с выхода микроконтроллера, естественно усиленный, если будет необходимо по схеме.

1) Где в схеме более надежный источник опорного сигнала - Вам виднее.
2) Напряжение на последовательном резисторе тоже можно (даже полезно) снять на трансформатор. Вот и готова гальваническая развязка.
3) Напряжение на обмотках электродвигателя имеет синусоидальную форму - так это совсем не плохо. Фазовый детектор хуже работать не станет (скорее лучше).

Сообщение отредактировал Okorok - Sep 10 2007, 17:51

[_Pasha]

Перемножение и есть модуляция. Частоты одинаковые, так что и чем смодулируется?

Смодулируется, как в перемножителе с АШИМ. Помните такое?
На выходе НЧ - компонента будет характеризовать соотношение между тем, что мы вдуваем в
двигатель и тем, что получается в реальности.
Скорее всего понадобится квадратурная обработка выхода перемножителя.
Единственная засада: надо как-то учесть предыскажения, вносимые контроллером для
компенсации пульсаций выпрямленного напряжения. Игнорировать (т.е брать прямо
ШИМ-выход контроллера) нельзя.

[deemon]

Интересно , а какого типа ротор в этом движке - "беличья клетка" или сплошной ?

[repairDV]

Интересно , а какого типа ротор в этом движке - "беличья клетка" или сплошной ?

Что за сплошной? Какой-то специальный? На нашем производстве вроде везде - беличья клетка.

Смодулируется, как в перемножителе с АШИМ. Помните такое?
На выходе НЧ - компонента будет характеризовать соотношение между тем, что мы вдуваем в
двигатель и тем, что получается в реальности.
Скорее всего понадобится квадратурная обработка выхода перемножителя.
Единственная засада: надо как-то учесть предыскажения, вносимые контроллером для
компенсации пульсаций выпрямленного напряжения. Игнорировать (т.е брать прямо
ШИМ-выход контроллера) нельзя.

В-общем, будем опять разбираться, чего тут гадать.

[deemon]

Что за сплошной? Какой-то специальный? На нашем производстве вроде везде - беличья клетка.
В-общем, будем опять разбираться, чего тут гадать.

На скоростных движках иногда ставят сплошной ротор - просто тонкостенный цилиндр из алюминия , я такие встречал ......... просто я пытаюсь понять , какую информацию можно извлечь из сдвига фазы частоты ШИМ в обмотках двигателя . Если ротор сплошной - то по идее такого сдвига вообще не должно быть , а вот если беличья клетка - то на роторе есть "полюса" , которые при прохождении мимо роторной обмотки могут , теоретически , изменять её индуктивность , и тогда это даст и сдвиг фаз . Получается как бы "датчик оборотов" , встроенный в двигатель . Но может быть , я и ошибаюсь ..... вообще интересно было бы схему посмотреть . А в Сети схема этого привода где-нибудь есть ?

[_Pasha]

В продолжение разговора.
1. Рисунок. Без претензий на абсолютную истину.
[attachment=13623:attachment]
2. Пояснения.
2.1. Входная часть - пока за кадром.(сигнал IN_CTR)
2.2. На U1A - пресловутый фазовый детектор. А еще его можно рассматривать
как перемножитель, у которого входной сигнал ШИМ (IN_PWM) принимает значения
не [0,1], а [-1,1].

2.3. Дальше идет фильтр Баттерворта с частотой среза 10Гц.
Ослабление на 100Гц=40дб, 300Гц=59дб.
2.4. Опорное 2.5 Вольт на TL431.

3. Что думается.
ИМХО, при перемножении получится бяка, у которой высокочастотная компонента будет
как-раз порождена упоминаемыми мной предыскажениями компенсации пульсаций выпрямленного напряжения. Напомню, что по 1-й гармонике это 100Гц либо 300Гц для 3-фазного варианта с мостом Ларионова на входе. Убираем все это фильтром. А дальше - надо смотреть осцилом.
Ожидаются НЧ биения, которые должны как-то зависеть от скольжения. Как именно - не готов ответить сейчас.

[INT1]

Особо не вникал в суть проблемы, посмотрите микросхемку 4046
(CD4046 например) или 561(4)ГГ1 если еще найдете. Может удастся ее приспособить.