望聞問切—— 以中醫(yī)手法 " 診治 " 傳動系統(tǒng)諧振問題

　　隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，傳動系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各 種設(shè)備中，但在很多傳動系統(tǒng)中都存在一定的諧振現(xiàn)象。 在調(diào)試自控系統(tǒng)時，技術(shù)人員往往會通過增大比例增益來 獲得系統(tǒng)的高頻響應(yīng)能力。當(dāng)比例增益增大至特定數(shù)值 后，系統(tǒng)就會響應(yīng)混亂，輸出也不受輸入控制。傳動系統(tǒng) 的諧振主要表現(xiàn)為：電機引起的傳動件高頻抖動，同時伴 隨刺耳噪音。

　　1 諧振的研判與“診治”

　　針對傳動系統(tǒng)出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象，應(yīng)如何做出正確研 判，進而有效診治呢?

　　科爾摩根運動控制專家建議采用與中醫(yī)四療法類似的 方法來處理：

　　? 望：以眼睛觀察傳動件是否存在抖動現(xiàn)象，或通過 示波器采集位置、速度、電流等數(shù)據(jù)，觀察這些數(shù)據(jù)擬合 的曲線是否存在明顯波動;

　　? 聞：用耳朵聆聽，感受傳動系統(tǒng)是否發(fā)出“嗡 嗡”、“嗯嗯”等持續(xù)不斷的奇異噪音;

　　? 切：當(dāng)系統(tǒng)抖動不明顯時，可用手觸摸設(shè)備，感受 設(shè)備是否存在頻率近乎恒定的振動;

　　? 問：通過詢問接觸過或操作設(shè)備的人,之前設(shè)備是否 出現(xiàn)過類似情況，是在什么操作下產(chǎn)生的諧振。清楚“病 情”方可“對癥下藥”，大大減少整治諧振的時間，從而 提高工作效率。

　　2 如何避免諧振

　　很多時候，系統(tǒng)的諧振是無法“診治”的，也就是所 謂的快速性和穩(wěn)定性不可兼得。雖然系統(tǒng)的諧振難以“診 治”，我們卻可以在設(shè)計系統(tǒng)時將諧振因素考慮在內(nèi)，從 根源上擺脫、減小甚至避免諧振對系統(tǒng)的影響。

　　下面以圖1傳動模型進行分析。

　　圖 1 傳動系統(tǒng)模型

　　由簡易機械系統(tǒng)(質(zhì)量 -彈簧 - 阻尼器)的模型：

　　得出圖1傳動系統(tǒng)的方框圖如圖2所示。

　　圖 2 傳動系統(tǒng)的方框圖

　　不難看出：

　　接下來，分析諧振源 - 電機的傳遞函數(shù)：

　　傳動阻尼C一般比較小，為了便于分析可忽略傳動阻 尼的影響，從而得出：

　　由圖3可看出：系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率被反諧振頻率所限 制。要想獲得更高帶寬(系統(tǒng)響應(yīng)頻率)，只能提高反諧 振頻率。

　　圖 3 電機 - 負(fù)載頻率特性圖

　　3 科爾摩根諧振解決方案

　　從上述反諧振頻率：

　　可以看出，可從增大剛度和減小負(fù)載慣量兩方面著 手。

　　(1)增大剛度

　　圖 4 傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)

　　如圖4中的傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)所示，剛度為：

　　從剛度公式可以看出，要想增大剛度，只能縮短傳動 鏈，于是直驅(qū)概念應(yīng)運而生：將電機和負(fù)載通過同一根軸 連接，省掉聯(lián)軸器、變速箱以及絲杠，提高能量使用效率 的同時，也增大加了系統(tǒng)的傳動剛度。

　　然而，直驅(qū)電機并非簡單地通過改變繞組形式增大 轉(zhuǎn)矩減小轉(zhuǎn)速， 而需要再同時實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速?？?爾摩根直驅(qū)電機采用先進的電磁設(shè)計， 與同行相比， 轉(zhuǎn) 矩密度更大， 轉(zhuǎn)矩脈動更小， 可達轉(zhuǎn)速更高， 顯著提高 系統(tǒng)剛度。

　　有框直驅(qū)力矩電機

　　無框直驅(qū)力矩電機

　　無鐵芯直線電機

　　有鐵芯直線電機

　　圖 5 科爾摩根直驅(qū)方案

　　圖 6 科爾摩根減速機方案

　　(2)減小負(fù)載慣量

　　可以通過高轉(zhuǎn)速電機加減速機的方式，有效減小負(fù)載 慣量對電機的影響。由以下公式計算負(fù)載反映到電機端的 慣量：

　　與直驅(qū)方案對比，減速機方案減小了負(fù)載反映到電機 端的慣量，卻降低了系統(tǒng)的剛度。與同行相比，科爾摩根 AKM伺服電機轉(zhuǎn)速更高(高達8000RPM)，功率密度更 大，轉(zhuǎn)矩脈動更小。與減速機搭配使用，能夠顯著減少負(fù)載慣量的同時，確保系統(tǒng)剛性。

　　(3)先進的電機控制器

　　不管是直驅(qū)方案，還是減速機方案，一旦系統(tǒng)形成

　　就很難更改， 這時候系統(tǒng)性能提升只能由軟件實現(xiàn)了。

　　如圖7所示，電機與負(fù)載僅為整個伺服系統(tǒng)的一部分(紫

　　色段) ， 我們還能通過修改控制參數(shù)進行系統(tǒng)優(yōu)化(綠

　　色段)。

　　科爾摩根AKD伺服驅(qū)動器憑借業(yè)界更勝一籌的三環(huán) 刷新頻率(電流環(huán)(1 . 5Mhz)、速度環(huán)( 16kHz)、位置環(huán) (8kHz)) 使得定位控制更加迅速、精準(zhǔn)。除了一般的PID 算法之外，AKD伺服驅(qū)動器自帶四個高性能濾波器，可以 將系統(tǒng)諧振頻段衰減掉，從而抑制諧振。

　　同步搭載科爾摩根Wo r kBench 調(diào)試軟件，可以輕 松滿足用戶對運動控制的苛刻要求。示波器可以實時監(jiān) 控電機的時域響應(yīng)(位置 - 時間、速度 - 時間、電流 - 時間 等)，便于伺服參數(shù)優(yōu)化;高性能調(diào)諧器能提供系統(tǒng)詳細(xì) 的頻域響應(yīng)信息，一鍵調(diào)諧，讓用戶輕松解決運動控制中 的整定難題。

　　科爾摩根擁有豐富的運動控制解決方案、專業(yè)的協(xié)同 設(shè)計能力、功能強大的調(diào)試軟件，可幫助客戶打造既滿足 高動態(tài)、高性能系統(tǒng)需求又能充分減少諧振的傳動系統(tǒng)， 讓客戶在激烈的市場競爭中贏得優(yōu)勢。同時科爾摩根出色 的運動控制產(chǎn)品性能及品質(zhì)，保障了設(shè)備的長生命周期， 降低設(shè)備綜合成本，助力客戶的長期發(fā)展。

　　圖 7 伺服系統(tǒng)框圖