在伺服系統(tǒng)中防止共振和抑制振動(dòng)

為了修正機(jī)器產(chǎn)生的振蕩，通常對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)予以改進(jìn)，并采用電子濾波器。然而，這些解決方案的成功率往往是有限的。工程師應(yīng)該考慮增設(shè)反共振控制器，并采用抑制其振動(dòng)和顫動(dòng)的解決方案，從而通過(guò)伺服控制器和放大器系統(tǒng)振蕩修正此類(lèi)問(wèn)題。

低通和陷波濾波器的局限性

由于振動(dòng)往往是在高頻率下發(fā)生的，因此傳統(tǒng)的振動(dòng)過(guò)濾方法采用低通和陷波濾波器。低通濾波器可使伺服控制系統(tǒng)的高頻響應(yīng)發(fā)生衰減，從而限制伺服系統(tǒng)的帶寬。雖然有必要采用低通濾波器，但如果它們能盡量不消除上部的帶寬，最終效果會(huì)變得更好。該濾波器的截止頻率范圍為1—5 kHz�，F(xiàn)代伺服電機(jī)可自動(dòng)對(duì)低通濾波器進(jìn)行設(shè)置，從而在執(zhí)行自動(dòng)調(diào)序時(shí)，盡量不消除高頻響應(yīng)。

陷波濾波器和帶阻濾波器控制可將振蕩控制在500-1000赫茲之間——由于該范圍包含可聽(tīng)噪聲、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)且振動(dòng)級(jí)別高，因此是存在問(wèn)題的。該頻率范圍還存在于機(jī)器的可用帶寬部分。與低通濾波器相比，陷波濾波器的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于其能保留伺服系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，這意味著工程師們能安全地獲得調(diào)諧增益。將一或兩個(gè)陷波濾波器與低通濾波器一起使用，能使伺服系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的響應(yīng)，這是因?yàn)樵摓V波器能消除500—1000Hz范圍內(nèi)存在問(wèn)題的頻率。但在陷波濾波器的頻率和帶寬時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)難題。工程師必須在檢測(cè)到機(jī)器的自然共振時(shí)才能根據(jù)穩(wěn)定的比例設(shè)置調(diào)諧增益，但不會(huì)造成極劇烈的振動(dòng)。通過(guò)具有快速傅立葉變換(FFT)分析能力的軟件工具，更容易確定機(jī)器的共振頻率。

如今，伺服控制系統(tǒng)通過(guò)包含陷波濾波器頻率，而使這一過(guò)程（即放大器的測(cè)定過(guò)程）向前邁進(jìn)了一步。就像數(shù)字示波器可測(cè)量輸入信號(hào)的頻率那樣，放大器電路能測(cè)量共振頻率，并相應(yīng)設(shè)置陷波濾波器的頻率帶寬。陷波濾波器的自動(dòng)設(shè)置可作為減少振動(dòng)的一種附加手段。雖然陷波濾波器可與采用伺服技術(shù)的低通濾波器一起使用，但所有控制器或伺服放大器均未采用這一新功能。

雖然低通濾波器和陷波濾波器足以用于許多伺服控制系統(tǒng)，但當(dāng)機(jī)器在10~500 Hz的頻率產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，發(fā)揮的作用卻很小。為了解決這一問(wèn)題，工程師們必須使用共振控制和抑制振動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)。

以安川電機(jī)的Sigma -5伺服放大器為例，“共振控制”圖形說(shuō)明了放大器的共振控制是如何和減少具有可聽(tīng)性和可視性（如圖所示）的噪音。抑制振動(dòng)功能可在一個(gè)定位動(dòng)作結(jié)束時(shí)減少振蕩，從而縮短位置的調(diào)節(jié)時(shí)間（在“抑制振動(dòng)”注明）。

共振控制使用速度和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)識(shí)別共振頻率。然后控制電路對(duì)速度反饋信號(hào)進(jìn)行修正、測(cè)量共振頻率，并自動(dòng)將該信息用于放大器。操作員也可將此測(cè)量參數(shù)覆蓋，并手動(dòng)設(shè)置頻率。如果需要，用戶(hù)還可以手動(dòng)調(diào)整參數(shù)，如增益補(bǔ)償、阻尼增益和濾波時(shí)間常數(shù)，以進(jìn)一步提高伺服控制性能。

抑制振動(dòng)功能可參考位置進(jìn)行過(guò)濾，并根據(jù)頻率參數(shù)反饋對(duì)位置主動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。該功能可對(duì)正確的補(bǔ)償指令進(jìn)行計(jì)算，并可適時(shí)地根據(jù)頻率參數(shù)和專(zhuān)有算法使用這一指令。伺服放大器的算法可自動(dòng)檢測(cè)四個(gè)參數(shù)，并在自動(dòng)調(diào)整時(shí)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，或者由工程師手動(dòng)設(shè)置。該功能可在動(dòng)作結(jié)束時(shí)發(fā)出被補(bǔ)償位置的參考命令，從而對(duì)先前檢測(cè)到的振動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，并中斷負(fù)載。

通過(guò)在動(dòng)作結(jié)束時(shí)減少振動(dòng)，可使許多機(jī)器的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短。而這種好處，對(duì)于復(fù)雜的非剛性負(fù)荷的系統(tǒng)非常有用。有懸垂負(fù)荷的龍門(mén)架便是此類(lèi)系統(tǒng)的一個(gè)很好的范例。

經(jīng)證明，這些技術(shù)尤其能在另外三種用途中發(fā)揮作用——改造、處理機(jī)器意外出現(xiàn)的力學(xué)性能問(wèn)題和優(yōu)化OEM設(shè)計(jì)。