Sinus- und Common-Mode-Filter

Die Ausgangsspannung eines digitalen Servo-Drives wird mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. Dabei schaltet die PWM sehr schnell zwischen dem positiven und negativen Spannungsniveau der DC-Bus-Spannung hin und her. Im gezeigten Beispiel wird die Ausgangsspannung einer 2-Level- und einer 3-Level-PWM verglichen – jeweils für eine 700 V DC-Bus-Spannung und einer PWM-Frequenz von 100 kHz. Die Sollspannung (grau) entspricht dem Spannungsverlauf eines typischen Spindelmotors mit 230 μH Induktivität bei 150.000 RPM und 5 A Last. Die 3-Level-PWM reduziert die Schaltamplitude durch das Einfügen eines mittleren Spannungsniveaus. Beide Verfahren erzeugen steile Spannungssprünge auf der PWM-Frequenz.

Die Phasenspannung wird zwischen dem Ausgang des Servo-Drives und Erde gemessen. In der Praxis wird diese Spannung aber typischerweise in zwei Komponenten unterteilt:

  • Differential-Mode (DM) Spannung – die nutzbare Spannung über den Motorwicklungen
  • Common-Mode (CM) Spannung – der Mittelwert aller Phasenspannungen, der kein Drehmoment erzeugt
Schematic illustration of an electric motor

Die Differential-Mode-Spannung bestimmt den Motorstrom und damit das erzeugte Drehmoment. Die Common-Mode-Spannung hingegen ist ein Nebenprodukt der PWM-Schaltung und oszilliert typischerweise im Bereich der DC-Bus-Spannung – mit der Frequenz der PWM.

Das elektrische System des Motors entspricht einem Tiefpassfilter für den Strom. Dadurch führt die PWM-Schaltung zu einem relativ gleichmässigen Stromverlauf und zu einem stabilen Drehmoment. Die Common-Mode-Spannung hat keinen direkten Einfluss auf den isolierten Motor.

Probleme mit der Differential-Mode-Spannung

Obwohl der Motor die Spannungsspitzen im Differential-Mode teilweise filtert, bleibt eine Stromwelligkeit bestehen. Diese führt zu zusätzlicher Belastung und Erwärmung der Motorwicklungen und kann thermische Probleme am Rotor verursachen.

Probleme mit der Common-Mode-Spannung

Beim Bearbeiten geerdeter, leitfähiger Werkstücke entsteht ein kapazitiver Pfad zwischen dem Motor und Erde. Das führt zu den folgenden Effekten:

  • Funkenschlag durch elektrisches Überschlagen an Motorlagern und Werkzeugkontaktstellen, was sowohl den Motor, als auch das Werkstück beschädigen kann.
  • Elektrochemische Erosion, die mechanische Komponenten und Werkzeuge über die Zeit abnutzen

Zusätzlich ist der Common-Mode eine Hauptquelle elektromagnetischer Störungen – insbesondere bei Voice-Coil-Motoren oder bei offenen Motoren. Dies kann zu Instabilitäten im System führen und die Einhaltung von EMV-Richtlinien verhindern.

Funktionsweise der Triamec-Filter

Die motorseitigen Filter von Triamec lösen die beschriebenen Probleme mit einem zweistufigen Filterkonzept:

  • Sinus-Filter – unterdrückt hochfrequente Spektralanteile der Differential-Mode-Spannung
  • Common-Mode-Filter – unterdrückt die Common-Mode-Spannung

Die Filter der T-Serie von Triamec vereinen beide Filterstufen in einem Produkt. Die Sinus-Filter-Stufe beseitigt die Probleme mit der Differential-Mode-Spannung. Dabei muss die Induktivität des Filters zu den elektrischen Eigenschaften des Motors passen, da es sonst zu Resonanzen im Stromregelkreis kommt, was die Bandbreite des Stromreglers einschränkt. Die T-Serie wurde für Motoren mit niedriger Induktivität wie Spindeln entwickelt.

Für andere Motortypen bieten die Filter der C-Serie eine effektive Lösung zur Common-Mode-Unterdrückung. Durch eine bewusst minimierte Sinus-Filter-Stufe wird eine zuverlässige Common-Mode-Filterung erreicht, ohne die Bandbreite des Stromreglers einzuschränken.

Anwendungshinweise

  • Verwenden Sie motorseitige Filter, wenn Sie metallische Werkstücke bearbeiten oder in EMV-kritischen Umgebungen arbeiten (insbesondere bei Voice-Coil- oder offenen Motoren).
  • Stellen Sie sicher, dass die PWM-Frequenz Ihres Servo-Drives den Spezifikationen des Filters entspricht (typischerweise ≥50 kHz).
  • Installieren Sie den Filter so nahe wie möglich am Servo-Drive und verwenden Sie kurze Motorkabel.
  • Vergleichen Sie das Systemverhalten mit und ohne Filter während der Inbetriebnahme.
  • Überprüfen Sie die Differential-Mode- und Common-Mode-Spannung im Betrieb mit einem Oszilloskop.