曹博士專欄 | 雷賽伺服系統(tǒng)擺振抑制技術(shù)應(yīng)用研究

一、現(xiàn)象描述

交流伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動部分本身存在一定彈性，加上位置環(huán)帶有少許滯后，易造成機(jī)械末端發(fā)生抖動，影響伺服系統(tǒng)的跟蹤性及機(jī)械的定位精度。在進(jìn)行雷賽L5Z伺服系統(tǒng)在機(jī)械手的應(yīng)用研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種抖動現(xiàn)象，如圖1：在指令定位命令結(jié)束后，即使馬達(dá)本身已經(jīng)接近靜止，機(jī)械傳動端仍會出現(xiàn)持續(xù)擺動。

圖1 機(jī)械手應(yīng)用研究平臺

二、應(yīng)用問題分析

如下圖，為示波器采集位置/速度/電流等信號抓取的擺振現(xiàn)象，可見，在指令命令結(jié)束后，各采集信號存在較大幅度的波動，但在系統(tǒng)阻尼作用下振幅逐漸減小。

圖2 未抑制前伺服系統(tǒng)輸出波形

通過抓取數(shù)據(jù)，分析伸縮軸在指令命令結(jié)束時(shí)刻的頻譜，分析得知：位置/速度/電流均含有相同頻率的低頻分量，該頻率點(diǎn)大約在10Hz附近。

圖3 抑制后伺服系統(tǒng)輸出波形

雷賽L5Z伺服系統(tǒng)擺振抑制能針對機(jī)械末端晃動或機(jī)臺低頻共振現(xiàn)象，通過抑制運(yùn)動振動的頻率點(diǎn)，降低振動。減振頻率有2個(gè)，可同時(shí)使用，使用頻率從1-200hz，具體請參考雷賽L5Z的產(chǎn)品手冊Pr2.14和Pr2.16參數(shù)，具體如下：

具體操作步驟如下：

圖4  L5Z擺振抑制技術(shù)功能使用步驟

對比振動抑制前后的定位時(shí)間曲線，可以計(jì)算出整定時(shí)間的變化（以某一PUU為定位精度進(jìn)行計(jì)算），對比結(jié)果如下表所示，可見，不帶振動抑制功能，其整定時(shí)間超過314ms，帶振動抑制功能，整定時(shí)間減小到150ms。

表1 減振前后整定時(shí)間對比

該伺服系統(tǒng)采用基于FFT檢測位置/速度/電流中出現(xiàn)的低頻振動，在獲得振動頻率信息，使用低頻抑制濾波器等獲取抑制補(bǔ)償值，并將此補(bǔ)償值添加到阻尼參數(shù)中進(jìn)行振動抑制。

圖5 擺振抑制技術(shù)系統(tǒng)原理圖

三、原理探討及試驗(yàn)分析

         伺服系統(tǒng)中的彈性連接裝置可近似為一個(gè)雙慣量機(jī)械傳動系統(tǒng)，如下圖所示，

圖6 雙慣量機(jī)械傳動系統(tǒng)簡化原理圖

          典型雙慣量機(jī)械傳動系統(tǒng)的微分方程如下：

通過建立該系統(tǒng)的微分方程、及電機(jī)/負(fù)載轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)關(guān)系，在一定假設(shè)條件下，可利用伺服系統(tǒng)的根軌跡圖來對比抑制前后的末端定位抖動頻率，抑制前后的根軌跡如下所示，文獻(xiàn)1指出抑制定位末端抖動的實(shí)質(zhì)是消除B極點(diǎn)處的輕阻尼振蕩。

圖7 抑制前伺服系統(tǒng)根軌跡圖

圖8 抑振后伺服系統(tǒng)根軌跡圖

         激光測振儀，作為一個(gè)高精度外部激光傳感器，對振動特性的評價(jià)具有很大的參考意義，本實(shí)驗(yàn)通過激光測振儀采集機(jī)械末端、電機(jī)軸端等測試點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行振動分析。試驗(yàn)測試曲線如下圖所示：

圖9機(jī)械末端振動抑制效果對比曲線

圖10機(jī)械末端振動頻譜分析

對比機(jī)械末端的振動數(shù)據(jù)可知，抑制前速度波動峰峰值最大為52mm/s，主要的振動頻率為10.11hz，伺服阻尼作用下，振幅逐漸減小；抑制后，速度波動峰峰值的最大值減小到7mm/s，但也含有較小的相對高頻振動。

圖11電機(jī)軸端振動抑制效果對比曲線

圖12電機(jī)軸端振動頻譜分析

         對比電機(jī)軸端的振動數(shù)據(jù)可知，抑制后速度波動從7mm/s減小到1.4mm/s，但振動頻率同機(jī)械末端頻率相近，為10.69hz，分析可知，機(jī)械末端的振動為受迫振動，振動源來自電機(jī)軸端振動，通過伸縮軸，使得機(jī)械末端的振動幅度加大。

四、結(jié)論

機(jī)械手在定位命令結(jié)束后，末端易存在抖動現(xiàn)象，影響定位效果；但通過采用雷賽L5Z自動低頻抑制功能，可有效減少機(jī)械末端振動對定位精度的影響，并且在使用抑制功能后，振動幅度大幅減小，且整定時(shí)間也大幅縮小，提高了伺服的響應(yīng)性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對此功能進(jìn)行了很好驗(yàn)證。此外，雷賽L5Z伺服系統(tǒng)的擺振抑制功能也成功應(yīng)用到機(jī)Scara機(jī)器人及電子設(shè)備等其他行業(yè)。

主要參考文獻(xiàn)：

1、永磁交流伺服系統(tǒng)定位末端抖動抑制，2015年，《電機(jī)與控制學(xué)報(bào)》

2、Vibration suppression in two-mass drive system using PI speed controller with different additional feedbacks.2006