Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Filter für PWM berechnen


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von Christoph S. (scheibi)


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Hallo zusammen,
kann mir jemand vielleicht erklären, wie ein Filter s. Anhang berechnet 
werden kann? Die Angabe für T1 fehlt leider. Bis jetzt konnte ich mich 
immer um Filterberechnungen drücken - das soll nun endlich ein Ende 
haben :)
Hintergrund:
Ein linearer Verstärker soll gegen einen PWM Verstärker ausgetauscht 
werden. Der Verbraucher ist eine Tauchspule. Leider schwingt diese mit 
der PWM zu stark. Der Filter soll dies verhindern.
Wäre super, wenn jemand helfen könnte...

: Verschoben durch Moderator
Beitrag #5012763 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Patrick (Gast)


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Um so etwas zu berechnen, brauchst du verschiedene Angaben:
- PWM-Frequenz
- Laststrom, zulässige Stromschwankungen (verbleibender Wechselanteil 
auf dem geglätteten Strom
- Daten deiner Spule (Induktivität, ohmscher Widerstand)
-Betriebsspannung des Ganzen

Was wird denn von dem Verstärker ausgegeben? Ich gehe mal davon aus, 
dass es sich um eine Art PWM-Drehzahlsteller wie für DC-Motoren handelt.

Mit einem Filter, wie du ihn da angehängt hast, kommst du da nicht 
weiter, das ist ein Netzfilter für Wechselspannung. Was du brauchst ist 
etwas zur "Stromglättung" bei Gleichstom.

Die Spule brummt, weil dein Wechselanteil des Spulenstroms zu hoch ist.
Abhilfe schafft hier:
- Erhöhung der PWM-Frequenz
- Einbau einer Reiheninduktivität und ggf. noch Glättungs-Cs

Die PWM-Frequenz wäre da mein persönlicher Favorit.

Liefere aber bitte noch ein paar mehr Details.

von Christoph S. (scheibi)


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Patrick schrieb:
> Um so etwas zu berechnen, brauchst du verschiedene Angaben:
> - PWM-Frequenz
120 kHz

> - Laststrom
200mA

, zulässige Stromschwankungen (verbleibender Wechselanteil
> auf dem geglätteten Strom
<1mA, je kleiner, je besser

> - Daten deiner Spule (Induktivität
1.9 mH
, ohmscher Widerstand
3,9 Ohm

> -Betriebsspannung des Ganzen
 24 V

> Was wird denn von dem Verstärker ausgegeben? Ich gehe mal davon aus,
> dass es sich um eine Art PWM-Drehzahlsteller wie für DC-Motoren handelt.
ist ein 4Qadranten Servoverstärker mit Stromregelung.
Ausgegeben wird +Ub und 0V je nach Betriebszustand an beiden 
Anschlüssen.


>
> Mit einem Filter, wie du ihn da angehängt hast, kommst du da nicht
Der Filter funktioniert einigermaßen, ist aber für 100kHz ausgelegt und 
mir fehlt die Angabe für T1.

> weiter, das ist ein Netzfilter für Wechselspannung. Was du brauchst ist
> etwas zur "Stromglättung" bei Gleichstom.
Genau das ist der Punkt. Allerdings handelt es sich hier genau genommen 
um Wechselstrom, da die PWM den Strom je nach Bedarf auch umkehren kann.

>
> Die Spule brummt, weil dein Wechselanteil des Spulenstroms zu hoch ist.
> Abhilfe schafft hier:
> - Erhöhung der PWM-Frequenz
fällt aus, ist am Limit

> - Einbau einer Reiheninduktivität und ggf. noch Glättungs-Cs
Das sollte eigentlich die Schaltung im Anhang machen.

>
> Die PWM-Frequenz wäre da mein persönlicher Favorit.
>
> Liefere aber bitte noch ein paar mehr Details.
Check :)

: Bearbeitet durch User
von Homo Habilis (Gast)


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Hm, absolut nicht mein Gebiet - aber da gerade entdeckt, daß
"die Lösung" noch fehlt, kurz mal "Tauchspule" gegoogelt, und nun
versuch ich mal, was beizutragen:

Was ist (oder war früher, und was jetzt) denn die genaue
Anwendung der Tauchspule, oder wie ist sie, und der Rest, aufgebaut?

Ein zuvor verbauter linearer Verstärker - aber mit
Konstantstromregelung auf 200mA, oder?

Geht es also nur um "vor" und "zurück" mit je 200mA Strom?

Nebenfragen: Mit welcher Frequenz soll dies stattfinden?
Gibt es denn auch (im Betrieb, nicht nur im Stillstand) 0mA?
(Also öfter mal "Neutralstellung"? Nur aus Neugier, zum Teil.)

Zu Deinem Filter:

Ich habe so ein Design schon gesehen - leider nicht
im konkreten Zusammenhang mit Voice-Coil Aktuator.

Die Anforderungen könnten hier vergleichbar sein,
wie bei Sinuswechselrichtern oder Class-D-Verstärkern.
Kann sein, daß das ein passendes Filterdesign ist.

Die Anpassung der gegebenen Bauteilwerte an nur winzige
20% höhere Frequenz ist/wäre einfach (wenn überhaupt nötig).

Es fehlt aber freilich der Wert der Common-Mode- (also
der Stromkompensierten) Drossel gleich bei U/V (Eingang).
(Darum dürfte es sich meiner Meinung nach handeln -
trotz der (dann aber irreführenden) Bezeichnung "T1".
Denn das mir bekannte Design verwendet hier genau das.)

Du verwendest also dieses Filter - und Dein Aktuator "zittert" -
oder was genau? Ich kann das kaum glauben, denn Du hast hier
zwar natürlich eine bipolare Ansteuerung, aber die Frequenz ist
ja recht hoch - die Schaltfrequenz zumindest. (Siehe Nebenfragen.)

Andere Frage:

Du sagst, das Filter funktioniert, und Du wendest es "nahezu
erfolgreich" an, oder so ähnlich... aber T1 ist Dir unbekannt?

Was genau heißt das dann?

Daß Du T1 gar nicht eingebaut hast?

So, ich hoffe, zumindest ein paar der Aufklärung dienlichen
Fragen mitgestellt zu haben - und hoffe auf Verwertungs-
möglichkeiten eventueller Antworten für "Auskenner" bei dem Thema.

Hasta luego

von Homo Habilis (Gast)


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Homo Habilis schrieb:
> natürlich eine bipolare Ansteuerung

Zitat:"4Q". Ob der Aktuator das will - k.A.

von Homo Habilis (Gast)


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Homo Habilis schrieb:
> Die Anpassung der gegebenen Bauteilwerte an nur winzige
> 20% höhere Frequenz ist/wäre einfach (wenn überhaupt nötig).

Allerdings fragt sich dabei noch: Soll dieses Filter schon auch für 
vergleichbare Betriebsbedingungen "gemacht" sein? Also vergleichbare 
Anwendung, und, sagen wir mal, auch 200mA - bei aber 100kHz?

(Oder: Woher genau kommt die Filtervorlage, und wenn nicht einmal T1 
"bewertet" ist, wieso nur bist Du sicher, daß da "alles paßt"?)

Die Wirksamkeit (und gesamte Funktion) eines Filters ist ja nicht nur 
von der Frequenz abhängig. Um geringe Ströme zu glätten (bei ang. 
identischer Frequenz) muß die Induktivität ja ungleich höher sein als 
für hohe Ströme.
Usw., usf.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Christoph S. schrieb:
> Der Filter funktioniert einigermaßen, ist aber für 100kHz ausgelegt und
Dann sollten wegen der Tiefpassfunktion die 120kHz aber noch besser 
gedämpft werden...
> mir fehlt die Angabe für T1.
Weil das eine Commonmode-Spule ist, kannst du ihn für die 
Filterberechnung ignorieren. Denn die wirkt nur für Gleichtaktstörungen 
(oder sollte es zumindet). Für das zu filternde Gegentaktsignal ist sie 
"unsichtbar".

Christoph S. schrieb:
> Der Verbraucher ist eine Tauchspule. Leider schwingt diese mit der PWM
> zu stark.
Und Christoph S. schrieb:
> 120 kHz
Die Tauchspule schwingt mit 120kHz? Was ist das für eine Tauchspule? Ist 
die so schnell?

: Bearbeitet durch Moderator
von Christoph S. (scheibi)


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Homo Habilis schrieb:
> Hm, absolut nicht mein Gebiet - aber da gerade entdeckt, daß
> "die Lösung" noch fehlt, kurz mal "Tauchspule" gegoogelt, und nun
> versuch ich mal, was beizutragen:
>
> Was ist (oder war früher, und was jetzt) denn die genaue
> Anwendung der Tauchspule, oder wie ist sie, und der Rest, aufgebaut?
>
> Ein zuvor verbauter linearer Verstärker - aber mit
> Konstantstromregelung auf 200mA, oder?
>
> Geht es also nur um "vor" und "zurück" mit je 200mA Strom?
>

Die Tauchspule positioniert einen Schlitten, in etwa so einen:

https://www.physikinstrumente.de/de/produkte/linearpositionierer-und-aktoren/positionierer-mit-magnetischem-direktantrieb/lms-270-praezisions-linearversteller-1202001/

Der Verstärker regelt den Strom- und damit die Auslenkung je nach 
Sollwertvorgabe.

> Nebenfragen: Mit welcher Frequenz soll dies stattfinden?
Der Servoloop läuft mit 4kHz. Die Anstiegszeit bei 100% Sollwertsprung 
liegt in etwa bei 1,2ms.

> Gibt es denn auch (im Betrieb, nicht nur im Stillstand) 0mA?
Linearverstärker: ja, in der Nullstellung fliesst kein Strom
PWM: nein, Strom auch in der Nullstellung


> (Also öfter mal "Neutralstellung"? Nur aus Neugier, zum Teil.)
>
> Zu Deinem Filter:
>
> Ich habe so ein Design schon gesehen - leider nicht
> im konkreten Zusammenhang mit Voice-Coil Aktuator.
Es würde mir sehr helfen, wenn du dazu eine Beispielberechnung hättest!?

>
> Die Anforderungen könnten hier vergleichbar sein,
> wie bei Sinuswechselrichtern oder Class-D-Verstärkern.
Das ist exakt, was ich brauche.

> Kann sein, daß das ein passendes Filterdesign ist.
>
> Die Anpassung der gegebenen Bauteilwerte an nur winzige
> 20% höhere Frequenz ist/wäre einfach (wenn überhaupt nötig).
>
Der Filter ist für einen mir unbekannten Betriebsfall ausgelegt. Alles, 
was ich weiß ist, das er für 100kHz ausgelegt ist.

> Es fehlt aber freilich der Wert der Common-Mode- (also
> der Stromkompensierten) Drossel gleich bei U/V (Eingang).
> (Darum dürfte es sich meiner Meinung nach handeln -
> trotz der (dann aber irreführenden) Bezeichnung "T1".
> Denn das mir bekannte Design verwendet hier genau das.)
>
> Du verwendest also dieses Filter - und Dein Aktuator "zittert" -
> oder was genau? Ich kann das kaum glauben, denn Du hast hier
> zwar natürlich eine bipolare Ansteuerung, aber die Frequenz ist
> ja recht hoch - die Schaltfrequenz zumindest. (Siehe Nebenfragen.)
>
Konnte ich auch nicht- bis zum ersten Test. Die Schwingung lag in etwa 
bei 67kHz und 15mA.
Wie auch immer, die Anforderung ist dass die Tauchspule möglichst still 
steht.

> Andere Frage:
>
> Du sagst, das Filter funktioniert, und Du wendest es "nahezu
> erfolgreich" an, oder so ähnlich... aber T1 ist Dir unbekannt?
>
> Was genau heißt das dann?
>
> Daß Du T1 gar nicht eingebaut hast?
Ich habe das mit mit 1mH aus der Bastelkiste getestet.

>
> So, ich hoffe, zumindest ein paar der Aufklärung dienlichen
> Fragen mitgestellt zu haben - und hoffe auf Verwertungs-
> möglichkeiten eventueller Antworten für "Auskenner" bei dem Thema.
>
> Hasta luego

: Bearbeitet durch User
von Homo Habilis (Gast)


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Christoph S. schrieb:
> Die Tauchspule positioniert einen Schlitten, in etwa so einen:
>
> 
https://www.physikinstrumente.de/de/produkte/linearpositionierer-und-aktoren/positionierer-mit-magnetischem-direktantrieb/lms-270-praezisions-linearversteller-1202001/

Oha... Und die VC ist tatsächlich für die lineare Bewegungsrichtung des 
Schlittens gedacht? Der kann dann entweder nur kurze Fahrwege haben, 
oder die VC muß irgendwie... naja. Hmmm... ^^ Oder... ach, was weiß ich 
schon.

Christoph S. schrieb:
> Der Filter ist für einen mir unbekannten Betriebsfall ausgelegt. Alles,
> was ich weiß ist, das er für 100kHz ausgelegt ist.

Aha! ^^ Wie gesagt ist die Schaltfrequenz (die hier, wie Lothar auch 
sagt, sogar etwas mehr gedämpft würde) nicht das einzige Kriterium. 
Allerdings bestätigst Du (noch mal), daß das Filterdesign "paßt" - ok.

===============================================================

Sodala... Du hast es zwar gelöscht/geändert, jedoch konnte ich es zuvor 
noch lesen: Resonanzen kamen mir auch schon in den Sinn.

Jedoch könnten die 67kHz auch die Folge... falscher Ansteuerung der 
H-Brücke sein. Nur ein Verdacht, weil es ca. die Hälfte von 120kHz ist.
(Ließe sich ja überprüfen.)

Sollte die Ansteuerung aber korrekt sein, kann man fast nur noch 
annehmen, das "Filter.png" war für höheren Strom ausgelegt.

Die wahrscheinlichen Folgen einer Fehldimensionierung dieser Art sind 
a.) zu hoher Ripple, und/oder b.) Resonanz(en). (Und/oder, weil a.) 
nicht automatisch b.) ausschließt.)

Meine Herangehensweise wäre, (nach Prüfung der H-Brücken-Ansteuerung - 
obwohl es mir unwahrscheinlich erscheint, würde ich das zuallererst 
machen) erst mal die 0,5mH Drosseln größer zu machen. Irgendein Wert zw. 
2,5mH und 10mH wäre wohl das Ideal, meine Wahl zum Testen wären 5mH.

So würde auf jeden Fall der Ripple verringert, und eventuelle Resonanzen 
würden dann nach unten verschoben (auch durch Messung festzustellen), 
oder aber stärker bzw. evtl. stark genug gedämpft...

Eine etwas stärkere Anregung dieser R. wäre zwar unter bestimmten 
Umständen auch möglich - was ich aber wiederum erst mal bezweifle 
(jedenfalls wäre der mögliche Strom durch L verringert...)

================================================================

Sollte dies (größere L in Reihe - wie schon von Patrick geraten, nur 
halt indirekt(er)) zum (Teil-)Erfolg führen, könnte man ja noch a.) die 
restlichen Bauteilwerte optimieren:

z.B. evtl. C2 auch nur 1n - wieso sind C1 und C2 überhaupt 
unterschiedlich? - dann auch R2 und R3 können etwas größer, C3 und C4 
kleiner, R1 wieder größer... was aber vielleicht (*) nicht sein "muß".

(Und mir wäre wegen der evtl. erneuten Einflüsse auf eine Resonanz - 
bitte also kläre dies durch größere L und Messung ab - lieber, darüber 
"danach" zu spekulieren.)

Was Du wohl bedenkenlos (mit-)machenkönntest, wäre, den Wert der 
Stromkompensierten Drossel (CMC) ähnlich zu vergrößern (*), wie die 
0,5mH-Spulen.

(*) Bei der CMC und den restlichen Filterwerten wie dem Filtercap und 
den RC-Reihengliedern kann man halt bei Bedarf/Lust die "Sauberkeit" des 
resultierenden "End"-Signals noch verbessern - deshalb verwendete ich 
das Wort "optimieren".

================================================================

So, das war´s wieder mit meinem Halbwissen hier. Viel Erfolg! ^^

von Homo Habilis (Gast)


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Christoph S. schrieb:
> Es würde mir sehr helfen, wenn du dazu eine Beispielberechnung hättest!?

Da kann ich Dir im Moment nicht weiterhelfen - eventuell jemand anderes.
Allerdings sollte auch meine Vorgehensweise zum Erfolg führen - ich 
hoffe, damit "alle Eventualitäten" abzudecken.

Du kannst Dir aber auch (wenn Du vorsichtig sein willst) Zeit lassen, 
bevor Du irgendwie weiter machst. Und allgemein auf qualifiziertere 
Beiträge warten.

Ich bin Dir sicher nicht böse - gestand ja schon mein "Rookie-Dasein".
Das bin ich sowieso (komme aus "ganz anderer Ecke"), und beim Thema VCA
erst recht.

All zu lange wirst Du nicht warten müssen, falls ich groben Unsinn 
erzählt habe (oder es einfach "die" bessere Vorgehensweise gibt).

Denn hier werden Fehler meist sehr zügig korrigiert, da wirklich viele 
User "echte Spezialisten", und/oder "Allround-Versteher" sind.

Muttu selba wissen, wattu jetzt machst oda nich. ^^

Beitrag #5013579 wurde vom Autor gelöscht.
von Christoph S. (scheibi)


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Erst mal ein dickes Danke an euch für die guten Tipps. Ich hab mal Teile 
bestellt, in ner Woche soll alles da sein und ich habe Zeit, mich darum 
zu kümmern.
In der Simulation siehts schon mal viel besser aus. :)
Ich bin sehr gespannt wie es funktioniert, wenn alles zusammengebruzelt 
ist..
Bezgl. des Unterschiedes C1 C2 so ne Idee: vllt. haben die zwei Phasen 
des Verstärkers intern unterschiedliche Kapazitäten gegen Masse? Aber 
Phasenschieber oder so etwas gibts doch nicht an ner 3 phasigen PWM 
Endstufe?

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