Einführung

Die folgenden Messbeispiele demonstrieren die Verwendung des Teledyne LeCroy Motor Drive Analyzer zum Testen eines kleinen Handwerkzeugs mit einem sinusmodulierten Permanentmagnet-Synchronmotor, der mit hoher Geschwindigkeit arbeitet. Der Werkzeugbetrieb beinhaltet eine Umkehrung der Motorrichtung einmal pro Sekunde. Die Messungen untersuchen die Korrelation von Antriebssteuersignalen mit Werkzeugverhalten und dynamischem Leistungsverhalten, einschließlich der Leistungsaufnahme beim Übergang in die Drehrichtung und der Differenz der Leistungsaufnahme beim Drehen in jede Richtung. Das Ziel bestand darin, unerwünschte Leistungsverluste während dieser Zeiträume zu verstehen und zu mindern, die, wenn sie zu hoch sind, zu Benutzerbeschwerden und/oder Zuverlässigkeitsproblemen führen könnten.

Anzeigen von Steuerungs- und Geschwindigkeitsbefehls-/Rückmeldungssignalen

Das in Abbildung 1 gezeigte Beispiel zeigt fünf analoge 12-Bit-1-GHz-Erfassungskanäle, die verwendet werden, um zwei Steuersignale (C1, gelb und C2, magenta), die Encoderposition des Rotors (C3, hellblau) und die tatsächliche Geschwindigkeit anzuzeigen der Motor (C4, grün) und die befohlene Geschwindigkeit (C5, grau-grün). Eine vom Testingenieur entworfene externe Steuerplatine verarbeitet die C3- und C4-Signale zur Eingabe in den MDA810. Da es sich um einen sensorlosen Motor handelt, dient der installierte Encoder nur zu Testzwecken und wird nicht Teil des Endprodukts sein.

Die Steuersignale C1 und C2 signalisieren dem Motor, die Drehrichtung zu ändern. Die ansteigende Flanke von C1 leitet die Drehrichtungsumkehr des Motors ein, während die abfallende Flanke von C2 den Zeitpunkt darstellt, zu dem die Motorumkehr abgeschlossen sein sollte. Durch das Erfassen von Daten über einen längeren Zeitraum (in diesem Beispiel 5 Sekunden) können viele Zyklen des Übergangs angezeigt werden. Zoomspuren (auf der rechten Seite der Rasteranzeige) zeigen Details eines dieser Übergänge an, um das Timing der Steuersignale und die Reaktion des Motors deutlich zu machen. Die Geschwindigkeitsänderung wird auch an diesem Übergangspunkt überwacht, wie in Z4 und Z5 gezeigt. Aus diesen Signalen ist ersichtlich, dass die Drehrichtungsumkehr des Motors sich gut verhält und wie erwartet arbeitet.

Analyse der Ausgangsleistung des Motorantriebs

In diesem Beispiel wird eine Zwei-Wattmeter-Methode verwendet, um die Motorantriebsleistung zu analysieren und dreiphasige Leistungswerte zu berechnen. Siehe Abbildung 2 für die Sondenkonfiguration für die Zwei-Wattmeter-Methode.

Die Zwei-Wattmeter-Methode ermöglicht die Messung der dreiphasigen Systemleistung mit nur vier Signalen, wodurch mehr Signale verfügbar bleiben, um andere Antriebssteuerungs- oder Leistungsverhalten zu erfassen. Der MDA810 unterstützt auch drei Wattmeter-Methoden.

Zwei Hochspannungs-Differentialsonden (C1, die gelbe Spur, und C2, die magentafarbene Spur) und zwei Stromsonden (C5, die grüne Spur, und C6, die violette Spur) werden wie in der Verdrahtungskonfiguration beschrieben mit dem Motorantriebsausgang verbunden Diagramm in Abbildung 2. Abbildung 3 zeigt eine einzelne Erfassung der Leiter-zu-Leiter-Spannungs- und Leiterstrom-Wellenformen. Die verketteten Spannungswellenformen und die verketteten Stromwellenformen scheinen um 120° phasenverschoben zu sein, was in einem dreiphasigen System zu erwarten ist. Die Wellenformen auf der rechten Seite von Abbildung 3 sind Zooms der Wellenformen auf der linken Seite. Die ungezoomte Wellenform scheint verrauscht zu sein, aber die Zoomspuren zeigen, dass das Auftreten des Rauschens wirklich die Schalteigenschaften der Geräte im Treiberausgang sind. Dies konnte mit einem herkömmlichen 8-Bit-Oszilloskop nicht beobachtet werden, aber das 810-Bit-Erfassungssystem des MDA12 verfügt über die erforderliche Auflösung, um diese Beobachtung zu ermöglichen.

Dann wird, wie in Abbildung 4 gezeigt, eine längere Erfassung des Obigen durchgeführt, um die vollständige Motordrehrichtungsänderung anzuzeigen und die Leistungswerte vor, während und nach der Drehrichtungsänderung zu berechnen. Von Interesse ist die Menge an Energie, die während des Übergangs von einer Richtung in eine andere verbraucht wird. Die ideale Situation besteht darin, an diesem Übergangspunkt keinen starken Leistungsanstieg zu haben. Diese Erfassung enthält zwei Übergänge der Motorrichtung.

Um den zyklischen Zeitraum zu bestimmen, über den alle Spannungs-, Strom- und Leistungsberechnungen durchgeführt werden sollen, wird ein Signal als „Referenzzeitraum“ gewählt. Beim MDA810 wird dies als „Sync“-Signal bezeichnet. Die Synchronisierung bestimmt das Messintervall für die Berechnung der Spannung, des Stroms, der Leistung, des Wirkungsgrads, der mechanischen und anderer Werte pro Zyklus. Es ist normalerweise notwendig, das Sync-Signal zu filtern, um hochfrequente Inhalte zu entfernen und eine bessere Periodizität zu erhalten, und dies ist beim MDA810 einfach möglich.

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel, bei dem die verkettete C1-Spannung als Synchronisationssignal mit Anwendung eines 500-Hz-Tiefpassfilters verwendet wird. Das Sync-Signal in dieser Abbildung wurde mit einer Zeitbasis von 20 ms/div erfasst, um ein deutliches Beispiel eines Sync-Signals zu demonstrieren. Sie korreliert nicht direkt mit der 200-ms/Div-Erfassung in Abbildung 4. Eine farbige Überlagerung dient zur visuellen Identifizierung der Messperioden. Das Sync-Signal wird betrachtet, um die korrekte Identifizierung der Perioden zu verifizieren, was korrekte Leistungsberechnungen sicherstellt. Mit der farbigen Overlay-Ansicht des MDA810 ist es einfach, die korrekte Erkennung von Messperioden zu überprüfen.

Sobald verifiziert ist, dass die Messperioden richtig bestimmt wurden, wird das Sync-Signal normalerweise abgeschaltet.

Abbildung 6 zeigt die gleiche Erfassung wie Abbildung 5, enthält aber auch das Steuersignal für die Drehrichtungsumkehr und verschiedene berechnete numerische und statistische Tabellenwerte und andere Wellenformen. Die erfassten Signale sind die Spannungen (C1 und C2), Ströme (C5 und C6) und die Steuerung (C4)

In diesem Beispiel sind die interessantesten Werte VRMS, IRMS, Wirkleistung, Scheinleistung, Blindleistung, Leistungsfaktor und Phasenwinkel des Motors, und die Mittelwerte dieser Messparameter für die vollständige Erfassung werden in der numerischen Tabelle angezeigt , ähnlich wie ein Leistungsanalysator anzeigen würde. Die P(Σrst)- und S(Σrst)-Wellenformen (übereinander gelegt im Raster unten rechts) sind „synthetisierte“ Wellenformen pro Zyklus, die die Werte pro Zyklus (in der Statistiktabelle gezeigt) gegen die Zeit darstellen. zeitkorreliert zu den ursprünglichen Erfassungswellenformen. Sie werden durch Berühren oder Klicken auf einen Zellwert der numerischen Tabelle erstellt. Diese Wellenformen pro Zyklus zeigen deutlich das dynamische Leistungsverhalten des Motorantriebsausgangs und des Motors, etwas, das nicht offensichtlich wäre, wenn man nur den Mittelwert einer numerischen Tabelle betrachtet. Das Betrachten der Wirkleistungs- und Scheinleistungs-pro-Zyklus-Wellenformen an den Richtungsübergängen des Motors bietet wertvolle Einblicke in den Stromverbrauch während jeder Richtungsänderung, was bei dieser Anwendung wichtig ist, da dieser Motor Teil eines handgeführten Werkzeugs ist, also Leistung Der Verbrauch muss minimiert werden, da ein hoher Leistungsverlust zu Unbehagen des Benutzers führen kann.

Um den interessierenden Bereich während eines der Übergänge genauer zu betrachten, können wir die leistungsstarke Zoom+Gate-Funktion des MDA810 verwenden. Zoom+Gate bietet eine einfache Möglichkeit, alle Eingangsquellen, detaillierte Wellenformen und Sync-Signale zusammen zu zoomen und das Zoom-Fenster auf einem beliebigen Teil der Kurve zu positionieren. Das gemeinsame Zoomfenster fungiert dann als Messtor für die Numerik- und Statistiktabellen. Abbildung 7 zeigt das Ergebnis eines Zoom+Gate um den interessierenden Bereich – den Übergang von einer Drehrichtung zur anderen, was eine vollständige zyklische Periode ist, wie durch das DrvOutSyncZ-Sync-Signal, die Wellenformen pro Zyklus und die Statistiktabelle gezeigt .

Die Leistungsaufnahme beim Drehzahlwechsel ist mit 3.894 Watt für den getesteten Motor angemessen.

Man kann die Leistungsaufnahme des Motors weiter analysieren, indem man den Wärmeverlust während des Betriebs bestimmt. Wir können dies tun, indem wir den MDA810 so einrichten, dass er die Leistungswerte unter Verwendung der Harmonic Filter-Einstellungen gleichzeitig sowohl bei Vollspektrum- als auch bei Fundamental-Einstellungen misst. Nach dem Vergleich dieser Ergebnisse können wir den Wärmeverlust in der Wicklung als Differenz zwischen den berechneten Wirkleistungsergebnissen Vollspektrum und Fundamental berechnen. Das Oberschwingungsfilter-Setup definiert den Filter, der auf die Eingangswellenformen angewendet wird, um die Leistungsberechnungen durchzuführen. Er kann sowohl im AC-Eingang als auch im Antriebsausgang definiert werden.

In diesem Beispiel ist der AC Input Harmonic Filter auf Full Spectrum und der Drive Output nur auf Fundamental eingestellt. Die Spannungs- und Stromeingänge werden in beiden Setup-Dialogen als dieselben Kanäle eingerichtet. Daher besteht der einzige Unterschied in den Leistungsberechnungen in den gemessenen Oberschwingungen. Abbildung 8 zeigt die gleiche Erfassung wie Abbildung 7, jedoch mit Zoom+Gate, das auf einen Motorrotationsbetriebszyklus eingestellt ist. Die Σabc-Parameter in der numerischen Tabelle stellen die Vollspektrum-Leistungswerte dar, während die Σrst-Parameter nur die Grundwelle darstellen. Mit Cursorn können wir die Zeit des Motorbetriebszyklus messen und dann Joule aus den Leistungsparametern berechnen. Die Formel zur Umrechnung von Watt in Joule lautet wie folgt:

$$E_{(J)} = P_{(W)} * t_{(s)}$$

Der in der numerischen Tabelle für Σabc angezeigte Leistungswert beträgt 3.668 W. Die mit Cursorn gemessene Zeitdauer beträgt 907.68 ms. Dieser Wert kann als ΔX-Wert in der unteren rechten Ecke von Abbildung 8 gefunden werden. Durch Umrechnung in Joule unter Verwendung der Formel beträgt die verbrauchte Energie für Σabc 3.33 Joule. Verwenden Sie die gleiche Methode, um zuerst die verbrauchte Energie mit 2.51 Joule zu berechnen. Durch Subtrahieren dieser Zahlen erhalten wir 0.82 Joule. Der Wert von 0.82 Joule repräsentiert den Wärmeverlust in der Wicklung für dieses Werkzeug während der Zeit, in der es sich in eine Richtung dreht, bevor die Richtung gewechselt wird.

Sehen wir uns ein Beispiel an, bei dem die Leistungsdiagramme auf ein Problem mit dem Motorbetrieb hinweisen. In diesem nächsten Beispiel testen wir den gleichen Motortyp mit der gleichen Zwei-Wattmeter-Verdrahtungskonfiguration. Das Display zeigt auch Motorposition (C3: Encoder-Position, C7: sensorlose Position), Steuer- (C4), Geschwindigkeits- (C8) und Leistungssignale (P(Σrst) und S(Σrst)) (Abbildung 9). Beachten Sie, dass bei der Drehung im Uhrzeigersinn die Leistungswellenformen P(Σrst) und S(Σrst) pro Zyklus glatt und konsistent sind. Bei der Linksdrehung kommt es jedoch zu einer Oszillation des Signals. Dies kann in den Leistungswellenformen in der oberen rechten Ecke von Abbildung 9 beobachtet werden.

Nachdem diese Vibration beobachtet wurde, entdeckten weitere Untersuchungen ein Problem mit der Kommutierung des Motors. Dieses Problem wurde wiederum auf ein sensorloses Steuerungsproblem zurückgeführt. Die Leistungswellenformen nach Korrektur des sensorlosen Steuerungsproblems erscheinen in Abbildung 10.

Fazit

Die Möglichkeit, Ausgangswellenformen des Motorantriebs anzuzeigen und die dynamischen Betriebseigenschaften eines Motors zu messen, einschließlich dynamischer Leistungswerte, und das dynamische Verhalten mit der Aktivität des Steuersystems zu korrelieren, kann wertvolle Einblicke in die Gesamtleistung eines Motorantriebssystems liefern. Die Verwendung eines leistungsstarken Tools mit dynamischer Messfunktion wie dem MDA810 bringt im Vergleich zur statischen Messfunktion eines Leistungsanalysators ein tieferes Verständnis dessen, was während dieser Ereignisse passiert. Die Fähigkeit des MDA810, diese dynamischen Leistungsmessungen zusammen mit vollständigen eingebetteten Steuerungstests mit Korrelation von Steuersignalen zu Leistungsereignissen durchzuführen, bietet beispiellose Fehlersuche und Analyse für vollständige Motortests.