智能伺服驱动滤除机械共振

由分布式的伺服驱动器和电机驱动的印刷设备和纸张加工设备比齿轮驱动电机具有更多优势。每一个轴由专属的伺服电机驱动，无需主传动轴、齿轮配比和油浸（以及相关的维护）。
产品切换更快更简单，仅仅按一下按钮就能够改变电机速度和更换凸轮类型，无需对齿轮配比或者机械凸轮进行物理更换。而且，复位和拉力的过程控制可以通过手动方式直接更改伺服驱动器的位置或者速度命令值，无需补偿器或者其他辅助硬件来影响设备运动。
但是和齿轮组不同，伺服电机通常需要调整才能获得最优的性能并克服机械共振问题。在位置控制回路中，编程位置与实际位置进行对比，差值乘以一个系数（增益）作为速度回路的命令，速度回路的输出作为电流回路的命令，这个最终回路的输出显示了方向和电流的大小，而这些输出同时由伺服驱动器传送给电机绕组。
所有三个控制回路都具有多种类型的“增益”，调整就是对这些增益进行调整以使实际的运动尽可能接近于预期运动的过程。在实际操作中，这种工作方式使颜色不会失真，打印照片清晰，或者在冲切过程中能够保证进纸速度精确匹配，不会发生撕纸和卡纸现象。更高的增益通常意味着更高的带宽（响应），但是过高的增益会导致超限和不稳定。
机械共振
理论上，理想的控制回路增益与负载特性（惯性负载、刚性负载）相关，因此也可以计算出预期响应。但是某些因素对这些增益值会产生影响，使应用无法获得预期的带宽。例如，如果控制回路的采样频率过低，那么输出就永远都无法稳定到一个恒定值。但是相比之下，更加具有挑战的问题是机械共振。
机械共振由机械系统的固有频率激发产生。固有频率指在最小的振动或者鸣响发生时的频率，它是机械系统的固有特性，耦合器、轴承、齿轮和机械框架都会影响这个频率。共振能够缩短机械驱动（线性传动）设备的寿命和产品质量，而且在某一个特定设备速度下，这种效果尤为明显，此速度与固有频率相关。在分布式伺服驱动设备中，如果控制回路根据反馈做出动作，而反馈涉及到与固有频率相关的多个重要部件时，这种效果会被进一步激发。如果在这个频率上已经有了一个放大器，加上控制回路的增益，那么就很容易造成共振，其结果是过高的振动和不稳定性。最轻微的结果就是产品质量将受到考验，设备部件磨损加剧，更快失效。最严重的结果就是即使没有电机过热或者频率突变，设备也会停止工作。
固有频率
如果共振确实带来了问题，那么可以使用加速度计来收集振动数据，使用相关软件分析这些数据并找到设备或者设备的子构件的固有频率。可以采取一些修改方案，例如增加一些支撑梁以提升设备结构的刚度，或者使用更高等级的耦合器或者轴承，目的就是改变设备的固有频率，使其不在设备的工作频率区间之内。这些机械朝向的诊断方法和纠正方法需要特殊工具和专业技能，还会带来额外的工程成本。而采用“边试边找”的方法来制定更改方案又颇为耗时，而且时常无功而返。
如果从控制端来解决这个问题，可以采用降低伺服驱动器速度回路增益的方法。仔细研究速度回路能够发现共振在速度反馈中的明显作用，它会被速度回路放大。在某些情况下，只需要将速度回路增益稍稍降低就能够将共振削减至可以接收的程度，避免不稳定状态的发生，同时还能够为电机控制提供足够的控制幅度，满足应用的需求。
对于其他一些情况，只有将增益大幅下降才能够有效控制问题的产生，而此时伺服性能也明显地大打折扣。这可能意味着打印滚筒具有较高的位置偏差——导致对于不同的图片，打印复位的容差可能超限（有些图片效果尚可，有些就有点模糊）。或者辊轴对速度控制不够，导致快慢不一，图像质量下降，图像被拉伸或者压缩，甚至会对辊轴造成损伤。
有了智能伺服驱动器，就能克服共振的影响，且不会对性能造成影响，也无需额外的资源。可以用变频驱动来控制同步交流电机，在电机转轴上连接一个惯性飞轮用来模拟负载，飞轮设置成轻微的不平衡，然后仅仅使用一个螺钉穿过飞轮，并使用一个螺孔固定在电机转轴上，不使用耦合设备对振动进行抑制或者对失衡进行补偿。
电机开始启动时，会发出“蜂鸣”般的振动，说明这种简单机械系统存在某种不稳定性，将速度回路增益的默认值升高，蜂鸣声就会更大。蜂鸣声不仅仅是令人讨厌那么简单，它告诉我们电机正处在完全失控的边缘——导致位置错误或者速度回路故障。降低增益能够削减振动，但是电机性能也随之降低，对于一些柔性版印刷设备来说，高标准的印刷作业复位容差不超过0.002英寸，所以这种结果是不能接受的。图1所示为使用默认增益在500转/分钟的速度运转时的位置偏移，此时能够观察到0.065度峰间值误差，对于24英寸的圆形辊轴，其表面的误差换算过来就是0.0043英寸。在克服振动影响之后，提升增益能够获得更好的结果。