Synchronmotor mit automatischer Einrastung

[Hans-Gerd]

Hallo in die Runde,

vor einiger Zeit ging es hier um einen Synchronmotor für eine Uhr und das hatte mich dazu animiert, ebenfalls etwas mit einem solchen Motor herumzuspielen.

Der in den alten Anleitungen beschriebene Motor ist sehr einfach aufzubauen und funktioniert erstaunlich gut.
Mit Hilfe des Stroboskop-Effekts einer Glühlampe lässt sich der Motor leicht auf die Drehzahlen 1500, 750, 500 und 375 U/min einrasten.

Im Hinblick auf ein etwas größeres Anschauungsmodell hatte ich danach einen 8-poligen Rotor mit den großen Metallus-Lochscheiben gebaut. Die maximale Drehzahl beträgt bei 8 Polen 750 U/min, er läuft aber auch recht ordentlich mit 375 U/min und vereinzelt waren sogar noch 250 U/min zu beobachten. Die Rotationsträgheit dieses Rotors ist zwar deutlich größer, er lässt sich aber noch gut mit den Fingern auf anwerfen.

Angesichts dieser Spielereien konnte ich es mir nicht verkneifen, eine einfache Elektronik zum automatischen Einrasten auf 750 U/min auszuprobieren und habe ein kurzes Video davon gemacht. Der Ablauf ist hierbei folgender:

Die linke LED signalisiert Betriebsbereitschaft.
Durch Anwerfen des Rotors auf > 750 U/min wird die Schaltung "scharf" gemacht - die mittlere LED leuchtet und die zur "Stroboskoplampe" umfunktionierte LED-Taschenlampe wird eingeschaltet, um die Rotor-Interferenz beobachten zu können.
Nach dem Anwerfen sinkt die Drehzahl ab und sobald sie 750 U/min erreicht, wird die Spule eingeschaltet. Das wird mit der rechten LED angezeigt und mit etwas Glück läuft der Motor jetzt weiter.
Sollte das Einrasten misslingen oder der Motor "aus dem Tritt" kommen, dann kann man versuchen, ihn manuell auf die halbe Drehzahl einzurasten, was mit Hilfe der "Stroboskoplampe" ebenfalls recht einfach ist.
Ansonsten wird nach dem Stillstand des Rotors die Spule abgeschaltet, damit sie nicht unnötig warm wird - und dann heißt es wieder: "Neues Spiel, neues Glück" ...

http://www.urlaub-und-hobby.de/videos/smmae-1.mp4

(Die Beleuchtung habe ich bewusst dezent gehalten, damit die Rotor-Interferenz besser sichtbar ist)

Der Aufbau ist zwar noch "fliegend", aber prinzipiell funktioniert es. Meistens jedenfalls, wobei die Trefferquote zugegeben durchaus etwas höher sein dürfte
Ich habe nicht damit gerechnet, dass ein sicheres Einrasten sowohl mechanisch als auch elektrisch offenbar eine sehr hohe Präzision erfordert. Inwieweit das mit dieser einfachen Schaltung überhaupt machbar ist, steht noch nicht fest, aber andere Möglichkeiten erfordern einen höheren Aufwand und den möchte ich für eine solche Spielerei eigentlich nicht spendieren.

Deshalb werde ich zunächst versuchen, sowohl den Aufbau als auch die Schaltung zu optimieren..
Das im Video auf dem Oszilloskop sichtbare Jittern (Schwanken) auf den Flanken der Impulse wird z. B. vom unrunden Lauf des Impulsgebers (18Z-MEKANIK-Kettenrad) verursacht - hier besteht auf jeden Fall Verbesserungspotenzial.
Wenn es einigermaßen zuverlässig funktionieren sollte, dann gibt es irgendwann vieleicht ein etwas schöneres Anschauungsmodell davon.
Und wenn nicht, dann wird es unter "Studie" verbucht und wandert "in die Tonne".


Für Elektronik-Interessierte abschließend noch ein paar Details:

Die Schaltung besteht im Wesentlichen aus einem herkömmlichen Frequenz-Spannungs-Wandler (Tacho-Generator), wie er in vielen Bereichen der Technik eingesetzt wird, in Verbindung mit einer zusätzlichen Schaltstufe. Im Einzelnen werden folgende Operationen durchgeführt:

1. Impulserzeugung

Diese erfolgt mittels des 18Z-MEKANIK-Kettenrades und einer Lichtschranke. Die "rohen" Impulse sind aber sehr unförmig (rote Kurve im Oszillogramm) und haben zudem eine von der Drehzahl abhängige Breite. Vor der Weiterverarbeitung müssen sie deshalb "geformt" werden.

2. Impulsformung

Mit Hilfe einer monostabilen Kippstufe werden aus den "rohen" Impulsen saubere Rechteck-Impulse mit einer definierten Breite erzeugt (hier 3,3 ms, gelbe Kurve im Oszillogramm). Dadurch wird die Drehzahlabhängigkeit der Impulsbreite eliminiert und als Maß für die Drehzahl bleibt allein die Anzahl der Impulse pro Zeit (Frequenz) übrig.
An dieser Stelle könnte man einen Frequenzzähler anschließen und nach entsprechender Teilung die Drehzahl direkt ablesen - aber das ist hier nicht das Ziel.

oszillogramm-1.jpg

3. Integrator

Das ist ein einfacher Tiefpass aus Widerstand und Kondensator. Seine Ausgangsspannung ist der zur Frequenz proportionale arithmetische Mittelwert der Impulsfolge.
Hier könnte man ein entsprechend kalibriertes Zeigerinstrument anschließen und die Drehzahl anhand des Zeigerausschlages direkt ablesen (Tacho). Aber auch das ist hier nicht das primäre Ziel.

4. Komparator (Vergleicher)

Mit diesem Detail wird die frequenzabhängige Spannung am Ausgang des Integrators mit dem für 750 U/min ermittelten Wert (Sollwert) verglichen. Sobald der Sollwert erreicht wird, wird am Ausgang des Komparators ein Schaltvorgang ausgelöst.

5. Schaltstufe

Diese besteht aus einem Transistor zum Schalten eines Relais, welches die Spule idealerweise im richtigen Moment an Spannung legt.
Im dargestellten Oszillogramm ist das der Fall und die links unten gezeigte Frequenz von 225 Hz ergibt sich aus (750 / 60) * 18 für das Kettenrad mit 18 Zähnen.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd

[dieselrauch]

Hallo Hans-Gerd,
als ich damals meine Synchronmotoren schlecht gestartet bekam, habe ich einen Denkfehler gemacht. Ich habe gedacht, wenn ich den Motor über Synchrondrehzahl anwerfe, dann muß er die Drehzahl irgendwann kreuzen und weiter laufen. Der Fehler war, daß nicht nur die Drehzahl stimmen muß, sondern gleichzeitig auch die Phase. Die Pole mußten zur richtigen Zeit die richtige Position zur Spule haben. Und das war nicht immer so einfach zu erreichen.
Inzwischen habe ich zwei Uhren gebaut, die beide gut, und natürlich genau, laufen. Georg hat den Bericht schon angemahnt. Für einen längeren Betrieb habe ich dann die minimale Betriebsspannung ausprobiert, um den Verbrauch und die Erwärmung klein zu halten. Das waren etwa 3 Volt und 1 Ampere, also 3 Watt.

Ich gebe zu, beim ersten Lesen habe ich nicht genau verstanden, was du da gemacht hast. Könnte man in diese Richtung nicht einen selbst anlaufenden Synchronmotor bauen? Der, z.B. unterbrechergesteuert, immer weiter beschleunigt, bis er die Synchrondrehzahl erreicht hat und dann auf die Frequenz umschaltet.
Aber das Oszilloskop gefällt mir.
Ist das schon das neue Lötzinn?

Viele Grüße
Ingo

[Georg]

Georg hat den Bericht schon angemahnt.

Hallo Ingo,

ich habe um einen Bericht gebeten.
Angemahnt wäre, wenn ich mehrfach darum bitte. Zum Beispiel jetzt.

[Hans-Gerd]

Hallo Ingo,

vielen Dank für die interessante Rückmeldung!

Wenn auch noch die Pole zur richtigen Zeit die richtige Position zur Spule haben müssen, dann ist das mit einer einfachen Einrast-Automatik aber ziemlich aussichtslos. Vielleicht ist das tatsächlich der Grund dafür, dass die Trefferquote mit Automatik nicht viel höher ist, als bei manuellem Start.

Momentan bin ich auf der Suche nach etwaigen Unterschieden in den Signalverläufen zwischen erfolgreichen und fehlgeschlagenen Einrastversuchen.
Das neue Oszilloskop ist dabei eine große Hilfe, weil einmalige Vorgänge sauber getriggert und gespeichert werden und danach in Ruhe ausgewertet werden können.
Macht schon Spaß, damit zu arbeiten - dann habe ich mich wenigstens nicht umsonst durch 80 Seiten Bedienungsanleitung gequält

Könnte man in diese Richtung nicht einen selbst anlaufenden Synchronmotor bauen? Der, z.B. unterbrechergesteuert, immer weiter beschleunigt, bis er die Synchrondrehzahl erreicht hat und dann auf die Frequenz umschaltet.

Daran habe ich auch schon gedacht, aber davon ist meine Konstruktion leider noch weit entfernt.
Und wenn das Einrasten nicht zuverlässiger funktioniert, dann muss ich das Projekt wohl sowieso als gescheitert betrachten.

Nee, das Lötzinn ist noch ein Rest vom guten alten Stannol Kristall 505.

Was ich noch vergessen hatte:
Der Rotor meines Motors ist übrigens kugelgelagert, weil ich nicht schon während der Versuche einen Haufen Teile verschleißen wollte.
Dazu habe ich aber nicht etwa Metallbaukasten-Lagerplatten verunstaltet, sondern 2 Lagerschilde "geschnitzt" und mitsamt Miniatur-Flanschkugellager von innen an die Lagerplatten geschraubt.

So, und jetzt gehe ich wieder "forschen" - oder sollte ich vielleicht eher sagen "spielen"?

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd

[Hans-Gerd]

Hallo Ingo,

das Einrast-Szenario habe ich nochmal gedanklich durchgespielt - und Du hast vollkommen recht.

Bisher hatte ich den Fokus auf eine möglichst präzise Synchrondrehzahl gelegt, aber das reicht offenbar tatsächlich nicht aus. Das zeigen die Versuche und das haben auch meine Messungen ergeben.

Ebenso wichtig ist wohl auch das Zusammenspiel zwsichen Rotorposition und Phasenlage der Spulenspannung.
Wenn ein Pol an der Spule vorbeisaust, dann muss die Spulenspannung einen Nulldurchgang haben und das sollte idealerweise aufeinander abgestimmt werden.
Wenn alle 3 Einflussgrößen - Drehzahl, Rotorposition und Phasenlage der Wechselspannung - sinnvoll verknüpft werden, dann könnte eine automatische Einrastung halbwegs zuverlässig funktionieren.

Hört sich nach einem interessanten Problem an, welches durchaus ohne Mikrocomputer lösbar ist - man braucht halt ein paar Bauteile mehr.
Und wenn man es geschickt macht, dann können mit dem selben Impulsgeber-Rad sowohl die Drehzahl als auch die Rotorposition ermittelt werden. Allerdings funktioniert das nicht mit dem 18Z-Kettenrad, weil 18 nicht ganzzahlig durch 8 teilbar ist.

Tja - die Bauteile für ein solches Experiment hätte ich sicher in der Schublade, aber leider kein passendes Impulsgeber-Rad. Deshalb hier folgende Frage:
Weiß jemand, ob es von irgendeinem System ein Kettenrad mit 16 Zähnen gibt?
Oder ein Zahnrad, Größe etwa Modul 2, mit 16 Zähnen?

Für die Positionserkennung des Rotors täte es auch ein 8-Loch-Lochscheibenrad, aber für die Drehzahlermittlung wär dann vermutlich eine Frequenzverdoppelung erforderlich, weil die Mittelwertbildung (Integrator) sonst zu träge wird.

Und ein solches Geberrad ohne Fräsmaschine und Teilkopf selbst zu machen, ist mir definitiv zu lästig.
Vielleicht ergibt sich ja eine praktikable Möglichkeit - ich will sowieso erstmal die bisherigen Schaltungen dokumentieren.

Grüße aus dem frostigen Rheinland
Hans-Gerd

[Hans-Gerd]

Hallo Zusammen,

auch wenn es hier nicht unbedingt von allgemeinem Interesse ist, möchte ich nach vielen Einrast-Versuchen und mittlerweile ziemlich ramponierten Fingern das Thema wenigstens noch abschließen.

In den automatischen Einrast-Vorgang werden neben der Drehzahl gemäß Ingos Erfahrungen jetzt auch Rotor-Position und Phasenlage der Wechselspannung an der Spule einbezogen.
Als Impulsgeber dient ein 8-Loch-Lochscheibenrad, weil es am besten zu einem 8-poligen Rotor passt.
Die Spule wird - wie bereits an anderer Stelle erwähnt - mit einem TRIAC geschaltet, weil ein Relais keinen zeitlich ausreichend genauen Schaltvorgang zulässt.

Durch Verdrehen des Lochscheibenrades auf der Welle kann die Zuordnung zwischen Rotorposition und Phasenlage der Spulenspannung verändert und dadurch ein "günstiger" Einschaltmoment ermittelt werden.

Hierbei stellt sich die Frage, wann denn ein "günstiger" Einschaltmoment vorliegt?
Vom Gefühl her könnte man annehmen, dass immer dann, wenn ein Pol am Spulenkern vorbeisaust ("Pol-Transit"), die Wechselspannung an der Spule einen Nulldurchgang haben müsste.

Um das herauszufinden, habe ich die Verhältnisse am eingerasteten Rotor aufgezeichnet.
Die rote Kurve zeigt eine Impulsfolge, welche die Positionen der Pole vor dem Spulenkern repräsentiert - bei jedem "Pol-Transit" wird also ein Impuls erzeugt.
Die gelbe Kurve zeigt die Wechselspannung an der Spule.
Wie man sieht, treffen Impulse und Nulldurchgänge gemäß obiger Annahme tatsächlich einigermaßen genau zusammen (die Verschiebung beträgt aus irgendwelchen Gründen ca. 1,3 ms).
Wenn das beim Einschalten berücksichtigt wird, dann sollte das Einrasten zuverlässiger funktionieren.

oszillogramm-2.jpg

Das habe ich mit zahlreichen Einrastversuchen für abwechselnd "günstige" und "ungünstige" Einschaltmomente getestet und das Ergebnis ist eindeutig:
Beim Einschalten der Spule in einem "günstigen" Moment liegt die Trefferquote zwischen 80 und 90% und das ist deutlich mehr, als vorher.
Der Rotor lässt sich natürlich auch in "ungünstigen" Momenten einrasten, aber nur noch mit einer Trefferquote von grob ca. 50% mit einer weiten Streuung.

Der Einfluss der Rotorposition während des Einschaltens ist zwar vorhanden, das Haupt-Kriterium bleibt aber die Drehzahl. Diese ist möglichst präzise zu erfassen, um exakt bei Erreichen der Synchrondrehzahl die Spule einzuschalten.
Aber das ist nicht ganz einfach und hier ließe sich wahrscheinlich noch mehr Genauigkeit herausholen.
Grundsätzlich hilfreich ist außerdem eine möglichst geringe Lagerreibung, damit die nach dem Anwerfen abnehmende Rotordrehzahl möglichst lange im Bereich der Synchrondrehzahl verweilt.

So, das war´s jetzt aber

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd

[märklin_fan]

Lieber Hans Gerd,
Das erinnert mich an meine Entwicklungsarbeit an den Nadeldruckern für die Bürocomputer der Firma Philips Elektrologica in Eiserfeld von nunmehr über 50 Jahren.
Dort haben wir bei der Ansteuerung der Nadeldrucker-Position mit sehr genau geätzten Schlitzscheiben gearbeitet.

[Hans-Gerd]

Hallo Erwin,

an eine Schlitzscheibe habe ich zuerst auch gedacht, wollte dann aber doch nicht ein so spezielles mechanisches Teil am Motor haben.

Eine reguläre Lochscheibe ist für die momentane Konstruktion leider etwas zu klein, sodass ich für die Versuche erstmal eine Lochscheibe aus Pappe gestanzt und zwischen 2 Stellringe geklemmt habe.
Sollte ein Modell daraus werden, dann wird die Lichtschranke etwas anders montiert, sodass letztendlich eine Märklin-Lochscheibe passt.

Soeben habe ich nochmal 20 automatische Einrast-Versuche gemacht - und immerhin 19 Treffer gezählt

Allen einen schönen "Tanz in den Mai"
Hans-Gerd

[märklin_fan]

Eine weitere Möglichkeit wäre ein Zahnrad und ein Hallelement. Das hatten wir auch verwendet und zwar ein Differenzial- Hallelement, das erkennt auch die Drehrichtung.

[Hans-Gerd]

Hallo Erwin,

klar - ein geeignetes Zahnrad und Hallsensor hätten es wahrscheinlich auch getan, aber sowas hatte ich leider nicht in der Schublade.
Die "Zutaten" für eine optische Erfassung dagegen schon.

Der Charme eines 8-Loch-Lochscheibenrades ist die direkte Zuordnung zur Polzahl des Rotors. Das erspart zumindest eine Frequenzteilung oder irgendwelche andere Umwege.

Grüße aus dem verregneten Rheinland
Hans-Gerd

[Hans-Gerd]

Hallo Zusammen,

ein kurzes Update möchte ich zu diesem Thema jetzt doch noch anfügen.

Bisher war ich davon ausgegangen, dass die fehlgeschlagenen automatischen Einrast-Versuche auf eine unpräzise Drehzahlerfassung zurückzuführen sind - stimmt gar nicht.
Mit Hilfe des neuen Speicher-Oszilloskops war recht einfach herauszufinden, dass die Ursache ganz woanders liegt.

Die Ermittlung eines günstigen Einschaltmoments der Spule - also das Zusammenspiel von Drehzahl, Rotorposition und Phasenlage der Spulenspannung - ist elektronisch kein Problem und das funktioniert auch gut. Aber es ist eben nur ein "Einschaltmoment".

Ein sicheres Einfangen des Rotors auf die Synchrondrehzahl setzt voraus, dass der "günstige Einschaltmoment" für ein paar Umdrehungen bis zum Einrasten erhalten bleibt, und das ist leider nicht immer der Fall.

Sollten nach dem Einschalten aufgrund der zunächst noch abnehmenden Drehzahl Rotorposition und Phasenlage nochmal kurzzeitig auseinander driften, dann erfolgt das Einrasten entweder mit einer sichtbaren Zeitverzögerung gerade noch soeben oder überhaupt nicht mehr, weil die Drehzahl inzwischen zu weit abgesunken ist.

Wie heißt es so treffend: "Wenn Du denkst Du hast´n, dann springt er aus dem Kasten".

Für ein wirklich sicheres Einrasten müsste der Motor so lange in der Nähe der Synchrondrehzahl bleiben, bis Rotorposition und Phasenlage wieder zusammenpassen, und das erfordert einen externen Antrieb - sei es nun manuell oder motorisch betrieben.

Klar - auch ein motorisch betriebenes Einrasten ließe sich automatisieren, aber das wär dann tatsächlich ein selbst anlaufender Synchronmotor mit massiver elektronischer Unterstützung.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd

[Hans-Gerd]

Hallo Zusammen,

eigentlich war dieses Thema längst abgehakt, hatte kürzlich aber eine Idee für eine mögliche Verbesserung der Trefferquote beim automatischen Einrasten des Synchronmotors. Diese lag seinerzeit etwa zwischen 80 und 90%, womit man nicht wirklich zufrieden sein kann.

Gedacht - gelötet ...
Und siehe da - die Trefferquote ist tatsächlich höher geworden. Soeben waren von 50 Versuchen immerhin 49 erfolgreich - das entspricht einer Quote von 98%.

Unter diesen Umständen erstelle ich vielleicht doch noch einen kurzen Bericht für meine Webseite. Es ist zwar eher ein Elektronik-Projekt als ein Metallbaukasten-Modell, aber außer mir soll es ja durchaus noch andere Leute geben, die sich für Elektronik interessieren
Schau´n wir mal.

Grüße aus dem Rheinland
Hans-Gerd