智能伺服驅(qū)動(dòng)濾除機(jī)械共振
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時(shí)間：2013-02-16
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產(chǎn)品切換更快更簡(jiǎn)單，僅僅按一下按鈕就能夠改變電機(jī)速度和更換凸輪類(lèi)型，無(wú)需對(duì)齒輪配比或者機(jī)械凸輪進(jìn)行物理更換。而且，復(fù)位和拉力的過(guò)程控制可以通過(guò)手動(dòng)方式直接更改伺服驅(qū)動(dòng)器的位置或者速度命令值，無(wú)需補(bǔ)償器或者其他輔助硬件來(lái)影響設(shè)備運(yùn)動(dòng)。
但是和齒輪組不同，伺服電機(jī)通常需要調(diào)整才能獲得最優(yōu)的性能并克服機(jī)械共振問(wèn)題。在位置控制回路中，編程位置與實(shí)際位置進(jìn)行對(duì)比，差值乘以一個(gè)系數(shù)（增益）作為速度回路的命令，速度回路的輸出作為電流回路的命令，這個(gè)最終回路的輸出顯示了方向和電流的大小，而這些輸出同時(shí)由伺服驅(qū)動(dòng)器傳送給電機(jī)繞組。
所有三個(gè)控制回路都具有多種類(lèi)型的“增益”，調(diào)整就是對(duì)這些增益進(jìn)行調(diào)整以使實(shí)際的運(yùn)動(dòng)盡可能接近于預(yù)期運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。在實(shí)際操作中，這種工作方式使顏色不會(huì)失真，打印照片清晰，或者在沖切過(guò)程中能夠保證進(jìn)紙速度精確匹配，不會(huì)發(fā)生撕紙和卡紙現(xiàn)象。更高的增益通常意味著更高的帶寬（響應(yīng)），但是過(guò)高的增益會(huì)導(dǎo)致超限和不穩(wěn)定。
機(jī)械共振
理論上，理想的控制回路增益與負(fù)載特性（慣性負(fù)載、剛性負(fù)載）相關(guān)，因此也可以計(jì)算出預(yù)期響應(yīng)。但是某些因素對(duì)這些增益值會(huì)產(chǎn)生影響，使應(yīng)用無(wú)法獲得預(yù)期的帶寬。例如，如果控制回路的采樣頻率過(guò)低，那么輸出就永遠(yuǎn)都無(wú)法穩(wěn)定到一個(gè)恒定值。但是相比之下，更加具有挑戰(zhàn)的問(wèn)題是機(jī)械共振。
機(jī)械共振由機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率激發(fā)產(chǎn)生。固有頻率指在最小的振動(dòng)或者鳴響發(fā)生時(shí)的頻率，它是機(jī)械系統(tǒng)的固有特性，耦合器、軸承、齒輪和機(jī)械框架都會(huì)影響這個(gè)頻率。共振能夠縮短機(jī)械驅(qū)動(dòng)（線(xiàn)性傳動(dòng)）設(shè)備的壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，而且在某一個(gè)特定設(shè)備速度下，這種效果尤為明顯，此速度與固有頻率相關(guān)。在分布式伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，如果控制回路根據(jù)反饋?zhàn)龀鰟?dòng)作，而反饋涉及到與固有頻率相關(guān)的多個(gè)重要部件時(shí)，這種效果會(huì)被進(jìn)一步激發(fā)。如果在這個(gè)頻率上已經(jīng)有了一個(gè)放大器，加上控制回路的增益，那么就很容易造成共振，其結(jié)果是過(guò)高的振動(dòng)和不穩(wěn)定性。最輕微的結(jié)果就是產(chǎn)品質(zhì)量將受到考驗(yàn)，設(shè)備部件磨損加劇，更快失效。最嚴(yán)重的結(jié)果就是即使沒(méi)有電機(jī)過(guò)熱或者頻率突變，設(shè)備也會(huì)停止工作。
固有頻率
如果共振確實(shí)帶來(lái)了問(wèn)題，那么可以使用加速度計(jì)來(lái)收集振動(dòng)數(shù)據(jù)，使用相關(guān)軟件分析這些數(shù)據(jù)并找到設(shè)備或者設(shè)備的子構(gòu)件的固有頻率。可以采取一些修改方案，例如增加一些支撐梁以提升設(shè)備結(jié)構(gòu)的剛度，或者使用更高等級(jí)的耦合器或者軸承，目的就是改變?cè)O(shè)備的固有頻率，使其不在設(shè)備的工作頻率區(qū)間之內(nèi)。這些機(jī)械朝向的診斷方法和糾正方法需要特殊工具和專(zhuān)業(yè)技能，還會(huì)帶來(lái)額外的工程成本。而采用“邊試邊找”的方法來(lái)制定更改方案又頗為耗時(shí)，而且時(shí)常無(wú)功而返。
如果從控制端來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用降低伺服驅(qū)動(dòng)器速度回路增益的方法。仔細(xì)研究速度回路能夠發(fā)現(xiàn)共振在速度反饋中的明顯作用，它會(huì)被速度回路放大。在某些情況下，只需要將速度回路增益稍稍降低就能夠?qū)⒐舱裣鳒p至可以接收的程度，避免不穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)生，同時(shí)還能夠?yàn)殡姍C(jī)控制提供足夠的控制幅度，滿(mǎn)足應(yīng)用的需求。
對(duì)于其他一些情況，只有將增益大幅下降才能夠有效控制問(wèn)題的產(chǎn)生，而此時(shí)伺服性能也明顯地大打折扣。這可能意味著打印滾筒具有較高的位置偏差——導(dǎo)致對(duì)于不同的圖片，打印復(fù)位的容差可能超限（有些圖片效果尚可，有些就有點(diǎn)模糊）。或者輥軸對(duì)速度控制不夠，導(dǎo)致快慢不一，圖像質(zhì)量下降，圖像被拉伸或者壓縮，甚至?xí)?duì)輥軸造成損傷。
有了智能伺服驅(qū)動(dòng)器，就能克服共振的影響，且不會(huì)對(duì)性能造成影響，也無(wú)需額外的資源。可以用變頻驅(qū)動(dòng)來(lái)控制同步交流電機(jī)，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上連接一個(gè)慣性飛輪用來(lái)模擬負(fù)載，飛輪設(shè)置成輕微的不平衡，然后僅僅使用一個(gè)螺釘穿過(guò)飛輪，并使用一個(gè)螺孔固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，不使用耦合設(shè)備對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制或者對(duì)失衡進(jìn)行補(bǔ)償。
電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)出“蜂鳴”般的振動(dòng)，說(shuō)明這種簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)存在某種不穩(wěn)定性，將速度回路增益的默認(rèn)值升高，蜂鳴聲就會(huì)更大。蜂鳴聲不僅僅是令人討厭那么簡(jiǎn)單，它告訴我們電機(jī)正處在完全失控的邊緣——導(dǎo)致位置錯(cuò)誤或者速度回路故障。降低增益能夠削減振動(dòng)，但是電機(jī)性能也隨之降低，對(duì)于一些柔性版印刷設(shè)備來(lái)說(shuō)，高標(biāo)準(zhǔn)的印刷作業(yè)復(fù)位容差不超過(guò)0.002英寸，所以這種結(jié)果是不能接受的。圖1所示為使用默認(rèn)增益在500轉(zhuǎn)/分鐘的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的位置偏移，此時(shí)能夠觀察到0.065度峰間值誤差，對(duì)于24英寸的圓形輥軸，其表面的誤差換算過(guò)來(lái)就是0.0043英寸。在克服振動(dòng)影響之后，提升增益能夠獲得更好的結(jié)果。
圖1 振蕩圖顯示了機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。
第一步就是通過(guò)進(jìn)行“白噪聲”測(cè)試來(lái)找到振動(dòng)頻率。使用Rexroth公司的集成驅(qū)動(dòng)指令值生成器（圖2），可以在電機(jī)的扭矩指令輸入信號(hào)中施加一個(gè)噪聲信號(hào)。使用預(yù)先指定的放大倍率，指令值生成器會(huì)以隨機(jī)的頻率輸出正向和反向扭矩，因此電機(jī)將會(huì)發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生類(lèi)似于TV或無(wú)線(xiàn)電的白噪聲。不使用錘子或者棍棒敲擊，電機(jī)就能在較寬的頻率區(qū)間上對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“沖擊”，我們可以藉此來(lái)觀察在哪些頻率的沖擊下響應(yīng)要高于其他沖擊頻率。
圖2 白噪聲測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)共振頻率。使用Rexroth公司的集成驅(qū)動(dòng)指令值生成器， 將噪聲信號(hào)施
加到電機(jī)的扭矩指令輸入上。圖像來(lái)源：BoschRexroth 公司。
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評(píng)論