Notch-Filter zur Unterdrückung mechanischer Resonanzen
Was sind Notch-Filter?
Notch-Filter (Bandsperrfilter) sind schmalbandige Filter, die gezielt eine bestimmte Frequenz aus dem Regelsignal entfernen. In Servoantrieben werden sie eingesetzt, um mechanische Resonanzfrequenzen zu unterdrücken, die durch elastische Elemente im Antriebsstrang verursacht werden.
Warum ist das wichtig?
Reale mechanische Systeme sind keine starren Körper. Getriebe, Kupplungen, Riemen und lange Wellen bilden Feder-Masse-Systeme mit charakteristischen Eigenfrequenzen. Wird eine solche Resonanz durch den Regler angeregt, entstehen:
- Hörbare Vibrationen und mechanischer Verschleiß
- Oszillationen im Geschwindigkeits- oder Positionssignal, die die Regelgüte zerstören
- Einschränkung der Reglerbandbreite — die Gains müssen reduziert werden, um Instabilität zu vermeiden
- Schäden an Mechanik und Werkstück bei unkontrollierten Schwingungen
Das Problem: Höhere Regler-Gains verbessern die Positioniergenauigkeit und Dynamik, können aber gleichzeitig Resonanzen anregen. Notch-Filter ermöglichen es, die Gains hoch zu halten und gleichzeitig die problematische Frequenz gezielt zu unterdrücken.
Wie funktioniert es?
Ein Notch-Filter ist ein IIR-Filter 2. Ordnung, der durch drei Parameter definiert wird:
- Mittenfrequenz (Center Frequency) — die zu unterdrückende Resonanzfrequenz (30–2000 Hz)
- Bandbreite (Rejection Band) — die Breite des unterdrückten Frequenzbereichs (3–2000 Hz)
- Tiefe (Depth) — der Grad der Abschwächung an der Mittenfrequenz, in Dezibel (dB)
Eine schmale Bandbreite (hoher Q-Faktor) unterdrückt nur die Resonanzfrequenz selbst und beeinflusst das restliche Regelverhalten kaum. Eine zu schmale Bandbreite kann jedoch unwirksam werden, wenn die Resonanzfrequenz leicht driftet.
Ergänzende Tiefpassfilter: Neben dem Notch-Filter bieten SOMANET-Antriebe Tiefpassfilter für das Geschwindigkeitsfeedback (0x2021, Grenzfrequenz 5–2000 Hz) und Positionsfeedback (0x2022, Grenzfrequenz 5–2000 Hz). Diese sind breitbandiger und reduzieren Sensorrauschen generell, führen aber zu Phasenverzögerung.
Resonanzfrequenz identifizieren: Die Systemidentifikation in OBLAC Drives analysiert die Frequenzantwort des Antriebsstrangs und zeigt Resonanzstellen im Bode-Diagramm. Die identifizierte Frequenz wird als Mittenfrequenz des Notch-Filters eingetragen.
Wichtig: Notch-Filter sollten nur für hochfrequente Resonanzen eingesetzt werden. Bei niederfrequenten Resonanzen ist die Phasenverschiebung zu groß und kann das Regelverhalten negativ beeinflussen.
Wie setzt SOMANET das um?
Der Notch-Filter wird über das Object Dictionary (0x2023) konfiguriert und liegt am Eingang des Drehmomentreglers — er filtert also den Drehmoment-Sollwert. Frequency Prewarping wird automatisch angewendet, um Diskretisierungsfehler zu minimieren.
Die Konfiguration umfasst vier Subindizes: Aktivierung (0x2023:1), Mittenfrequenz (0x2023:2, Standard: 1000 Hz), Bandbreite (0x2023:3, Standard: 10 Hz) und Tiefe (0x2023:4).
Die Funktion ist auf allen SOMANET-Plattformen verfügbar und wird typischerweise nach dem Auto-Tuning aktiviert, wenn die Systemidentifikation eine mechanische Resonanz aufdeckt.
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