一、現象描述

交流伺服系統(tǒng)的機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，易造成機械末端發(fā)生抖動，影響伺服系統(tǒng)的跟蹤性及機械的定位精度。在進行雷賽L5Z伺服系統(tǒng)在機械手的應用研究時發(fā)現了這種抖動現象，如圖1：在指令定位命令結束后，即使馬達本身已經接近靜止，機械傳動端仍會出現持續(xù)擺動。

圖1 機械手應用研究平臺

二、應用問題分析

如下圖，為示波器采集位置/速度/電流等信號抓取的擺振現象，可見，在指令命令結束后，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

通過抓取數據，分析伸縮軸在指令命令結束時刻的頻譜，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)擺振抑制能針對機械末端晃動或機臺低頻共振現象，通過抑制運動振動的頻率點，降低振動。減振頻率有2個，可同時使用，使用頻率從1-200hz，具體請參考雷賽L5Z的產品手冊Pr2.14和Pr2.16參數，具體如下：

具體操作步驟如下：

圖4  L5Z擺振抑制技術功能使用步驟

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

表1 減振前后整定時間對比

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償值，并將此補償值添加到阻尼參數中進行振動抑制。

圖5 擺振抑制技術系統(tǒng)原理圖

三、原理探討及試驗分析

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

圖6 雙慣量機械傳動系統(tǒng)簡化原理圖

典型雙慣量機械傳動系統(tǒng)的微分方程如下：

通過建立該系統(tǒng)的微分方程、及電機/負載轉速和電磁轉矩之間的傳遞函數關系，在一定假設條件下，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1指出抑制定位末端抖動的實質是消除B極點處的輕阻尼振蕩。

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，作為一個高精度外部激光傳感器，對振動特性的評價具有很大的參考意義，本實驗通過激光測振儀采集機械末端、電機軸端等測試點的振動數據進行振動分析。試驗測試曲線如下圖所示：

圖9機械末端振動抑制效果對比曲線

圖10機械末端振動頻譜分析

對比機械末端的振動數據可知，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?。灰种坪?，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電機軸端振動抑制效果對比曲線

圖12電機軸端振動頻譜分析

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

四、結論

機械手在定位命令結束后，末端易存在抖動現象，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，且整定時間也大幅縮小，提高了伺服的響應性能，試驗數據分析對此功能進行了很好驗證。此外，雷賽L5Z伺服系統(tǒng)的擺振抑制功能也成功應用到機Scara機器人及電子設備等其他行業(yè)。

作者簡介：

曹通

哈爾濱工程大學精密儀器及機械專業(yè)博士

中級工程師

深圳市重點支持實驗室主任

創(chuàng)辦國內運動控制行業(yè)首個應用研究型實驗室

在國內外重要刊物發(fā)表多篇論文及專利

主要參考文獻：

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

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