采用智能伺服驱动过滤机械共振

由分布式伺服驱动器和电机驱动的印刷和转换机器比齿轮驱动电机提供了几个关键的好处。每个轴都由自己的伺服电机直接驱动，无需线轴、齿轮组和油浴(以及相关维护)。

产品转换更快捷、更容易，因为只需按下按钮，电机就可以改变速度和凸轮轮廓，而无需物理更换齿轮组或机械凸轮。此外，可以通过直接改变伺服系统的位置或速度命令值来处理配准和张力的过程控制，而不需要补偿器或其他辅助硬件来影响运动。

但与齿轮组不同，伺服电机通常需要调谐以实现最佳性能并克服机械共振。在位置控制回路中，将命令位置与实际位置进行比较。差值乘以一个系数(增益)，输出成为速度控制回路的命令。速度回路的输出反过来成为电流回路的命令，最后一个回路的输出决定了由伺服驱动器传递到电机绕组的电流的方向和大小。

所有三个控制循环都有几种类型的“增益”与之相关，调优是调整这些增益的过程，直到实际运动与期望运动尽可能接近。在实际应用中，这将导致颜色彼此紧密匹配，以获得清晰的打印图像，或模切与送纸速度精确匹配，从而不会发生撕裂或弯曲的纸张。更高的增益通常会导致更高的带宽(响应性)，但过大的增益会导致超调和不稳定。

机械共振

理论上，可以根据负载特性(如惯性、刚度)和期望响应计算出理想的控制回路增益。但是有些因素会限制这些增益值，并阻止应用程序获得所需的带宽。例如，如果控制回路的采样频率过低，输出将永远不会稳定在一个值上。但更有挑战性的问题是机械共振。

机械共振是由机械系统固有频率的激发引起的。固有频率是在最小刺激下发生振动或“振铃”的频率，是机械系统的固有特性。联轴器、轴承、齿轮和机架都会影响这个频率。共振会降低机械驱动(线轴)机器的寿命和产品质量，在与固有频率相关的某些机器速度下，其影响尤其明显。在分布式伺服驱动机器上，当控制回路作用于包含自然频率的重要成分的反馈时，这些影响可以进一步夸大。由于已经有一个自然放大发生在这个频率，复合它与增益的控制回路可以很容易导致共振表现为过度振动和不稳定的形式。在最好的情况下，产品质量会受到影响，机器的部件会磨损和故障得更快。在最坏的情况下，如果没有电机过热或频繁的网络中断，机器将无法运行。

固有频率

当共振引起问题时，可以使用加速度计来收集振动数据。配套软件可用于分析数据，提取机器或各种子结构的固有频率。然后可以进行修改，例如增加支撑梁以加强机器结构，或使用更高级别的联轴器或轴承，以努力将固有频率移出机器运行的范围。这些机械导向的诊断和纠正方法需要工具和专门知识，并产生额外的项目成本。或者，“试一试”的方法来做出改变，并希望得到好的结果，这可能是耗时的，而且是徒劳的。

从控制端接近这一点，伺服驱动器中速度环路的增益可以降低。聚焦在速度环上，速度反馈中的共振效应明显，并被速度环放大。在某些情况下，谐振可能足够温和，只需降低速度环路增益就可以避免不稳定，同时提供足够的能力来充分控制电机并满足应用的要求。

在其他情况下，增益必须是如此之低，以避免伺服性能变得明显妥协的问题。这可能意味着打印柱面有很大的位置偏差，导致打印配准在不同图像之间的公差范围内移动(一些图像看起来不错，另一些图像模糊)。或张力辊可能没有适当的速度调节，导致波动，导致印刷质量降低，图像拉伸或收缩，以及卷绕不均匀。

使用智能伺服驱动器，可以在不影响性能或投入额外资源的情况下克服共振的影响。转换器驱动器可用来控制同步交流电动机。惯性轮与电机轴耦合，为测试提供负载。车轮略微不平衡，并连接到电机，仅使用通过车轮的中心孔和进入电机轴的螺纹孔的螺钉。没有耦合装置来抑制振动或补偿不对中。

当电机第一次启动时，会有一种可听的振荡“嗡嗡声”，这表明这个简单的机械系统存在一些不稳定性。将速度环路比例增益提高到默认值以上会使嗡嗡声变得更大。这不仅令人不快，而且还告诉我们，电机处于完全不稳定的边缘——导致驱动器因位置或速度环错误而故障。降低增益可以抑制振荡，但代价是降低性能。例如，对于某些不超过0.002英寸的柔版印刷机的印版辊来说，这一成本是不可接受的。为更高要求的打印作业的登记错误。图1显示了使用默认增益以500rpm转速运行时看到的位置偏差。峰峰间误差高达0.065度。24英寸的。周长圆柱体，这将对应0.0043英寸。 of error at the surface. Increasing the gains can improve upon results after overcoming the oscillation.

白噪声试验

要查看频率响应，使用驱动器集成示波器软件实用程序。它以250微秒的分辨率收集和显示驱动器数据。捕获的数据在固定的时间内存储在驱动器中，然后上传到软件中。数据是确定的，不依赖于通信速度或扫描时间。有数百个驱动器参数可供选择，但对于这个测试，电机反馈速度是最适用的。当电机振动时，可以使用软件捕捉一秒钟的数据，并将结果上传到示波器窗口，以时间的函数形式显示。为了处理频域，选择一个FFT(快速傅里叶变换)图来显示信号振幅作为频率的函数(图3)。理想情况下，在整个频率范围内会有一个相对平坦的曲线。在这种情况下，在1075赫兹附近有一个明显的峰值。这是干扰的主要来源。第一步是通过做“白噪声”测试来识别谐振频率。 Using Rexroth’s Drive-Integrated Command Value Generator (Figure 2), a noise signal can be applied to the torque command input of the motor. Using a predefined amplitude, the generator outputs positive and negative torque values alternating at random frequencies. This causes the motor to vibrate, producing a white noise similar to TV or radio static. Without the use of a hammer or mallet, the motor is “hitting” the mechanics with a wide range of frequencies to see if one or more generates a stronger response than the others.

滤波、控制回路

在识别谐振频率后，可以使用速度环路滤波器来最小化对控制环路的影响。除了平滑时间常数(低通滤波器)，驱动器可以提供额外的滤波选项。最多可同时应用四个过滤器。对于这个测试，频率足够高，一个简单的低通滤波器可能是有效的。但问题频率通常在200-300 Hz范围内。有效抑制该范围内频率的低通滤波器也具有速度环路响应性。对于直接驱动电机尤其如此，其中速度环的带宽可以接近扰动的范围。一个更有针对性的解决方案不是使用“大刀阔斧”的方法，而是将重点放在有问题的频率上，同时最大限度地减少频谱其他地方的影响。最好的解决方案是带阻滤波器，有时也称为陷波滤波器。

带阻滤波器使用中心频率和带宽参数化。中心频率附近的信号衰减严重，但当接近带宽的任何一端时，衰减急剧下降(图4)。

根据白噪声测试的结果，应用中心频率为1075 Hz，带宽为100 Hz的滤波器。带宽越小，对谐振频率的抑制就越大。但是，较窄的带宽反过来要求在设置中心频率时具有更高的准确性。在实际应用中，默认值100hz通常效果良好。一旦过滤器被激活(图5)，可听到的嗡嗡声就会大大减少。

使用示波器显示改进的图形证据。图6显示了应用陷波滤波器之前(红色)和之后(蓝色)的速度反馈。注意信号中的“噪声”是如何减少了一半以上的。

4 .采用智能伺服驱动滤波机械共振

1. 理解机械共振和自然频率的基本性质——它们如何产生并与控制回路相互作用
2. 使用白噪声测试来确定谐振频率作为需要通过伺服驱动调谐来控制的启动条件
3. 使用过滤来最小化对控制循环的影响
4. 通过调整每个回路的各种“增益”来调整位置控制回路、速度回路和电流回路，使实际运动与期望运动尽可能匹配。

另请阅读:本文底部链接的智能伺服驱动器过滤机械共振的技术。

- Brian Schmidt是博世力士乐公司食品、包装和印刷行业的高级应用工程师，由Mark T. Hoske编辑，CFE Media内容经理。控制工程与设备工程“，mhoske@cfemedia.com．

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