曹博士专栏 | 雷赛伺服系统摆振抑制技术应用研究

一、现象描述

交流伺服系统的机械传动部分本身存在一定弹性，加上位置环带有少许滞后，易造成机械末端发生抖动，影响伺服系统的跟踪性及机械的定位精度。在进行雷赛L5Z伺服系统在机械手的应用研究时发现了这种抖动现象，如图1：在指令定位命令结束后，即使马达本身已经接近静止，机械传动端仍会出现持续摆动。

图1 机械手应用研究平台

二、应用问题分析

如下图，为示波器采集位置/速度/电流等信号抓取的摆振现象，可见，在指令命令结束后，各采集信号存在较大幅度的波动，但在系统阻尼作用下振幅逐渐减小。

图2 未抑制前伺服系统输出波形

通过抓取数据，分析伸缩轴在指令命令结束时刻的频谱，分析得知：位置/速度/电流均含有相同频率的低频分量，该频率点大约在10Hz附近。

图3 抑制后伺服系统输出波形

雷赛L5Z伺服系统摆振抑制能针对机械末端晃动或机台低频共振现象，通过抑制运动振动的频率点，降低振动。减振频率有2个，可同时使用，使用频率从1-200hz，具体请参考雷赛L5Z的产品手册Pr2.14和Pr2.16参数，具体如下：

   具体操作步骤如下：

图4  L5Z摆振抑制技术功能使用步骤

对比振动抑制前后的定位时间曲线，可以计算出整定时间的变化（以某一PUU为定位精度进行计算），对比结果如下表所示，可见，不带振动抑制功能，其整定时间超过314ms，带振动抑制功能，整定时间减小到150ms。

表1 减振前后整定时间对比

该伺服系统采用基于FFT检测位置/速度/电流中出现的低频振动，在获得振动频率信息，使用低频抑制滤波器等获取抑制补偿值，并将此补偿值添加到阻尼参数中进行振动抑制。

图5 摆振抑制技术系统原理图

三、原理探讨及试验分析

  伺服系统中的弹性连接装置可近似为一个双惯量机械传动系统，如下图所示，

图6 双惯量机械传动系统简化原理图

典型双惯量机械传动系统的微分方程如下：

通过建立该系统的微分方程、及电机/负载转速和电磁转矩之间的传递函数关系，在一定假设条件下，可利用伺服系统的根轨迹图来对比抑制前后的末端定位抖动频率，抑制前后的根轨迹如下所示，文献1指出抑制定位末端抖动的实质是消除B极点处的轻阻尼振荡。

图7 抑制前伺服系统根轨迹图

图8 抑振后伺服系统根轨迹图

激光测振仪，作为一个高精度外部激光传感器，对振动特性的评价具有很大的参考意义，本实验通过激光测振仪采集机械末端、电机轴端等测试点的振动数据进行振动分析。试验测试曲线如下图所示：

图9机械末端振动抑制效果对比曲线

图10机械末端振动频谱分析

对比机械末端的振动数据可知，抑制前速度波动峰峰值最大为52mm/s，主要的振动频率为10.11hz，伺服阻尼作用下，振幅逐渐减小；抑制后，速度波动峰峰值的最大值减小到7mm/s，但也含有较小的相对高频振动。

图11电机轴端振动抑制效果对比曲线

图12电机轴端振动频谱分析

对比电机轴端的振动数据可知，抑制后速度波动从7mm/s减小到1.4mm/s，但振动频率同机械末端频率相近，为10.69hz，分析可知，机械末端的振动为受迫振动，振动源来自电机轴端振动，通过伸缩轴，使得机械末端的振动幅度加大。

四、结论

机械手在定位命令结束后，末端易存在抖动现象，影响定位效果；但通过采用雷赛L5Z自动低频抑制功能，可有效减少机械末端振动对定位精度的影响，并且在使用抑制功能后，振动幅度大幅减小，且整定时间也大幅缩小，提高了伺服的响应性能，试验数据分析对此功能进行了很好验证。此外，雷赛L5Z伺服系统的摆振抑制功能也成功应用到机Scara机器人及电子设备等其他行业。

作者简介：

曹通

哈尔滨工程大学精密仪器及机械专业博士

中级工程师

深圳市重点支持实验室主任

创办国内运动控制行业首个应用研究型实验室

在国内外重要刊物发表多篇论文及专利

主要参考文献：

1、永磁交流伺服系统定位末端抖动抑制，2015年，《电机与控制学报》

2、Vibration suppression intwo-mass drive system using PI speed controller with different additionalfeedbacks.2006

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