智能伺服驱动滤除机械共振

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图1 振荡图显示了机械系统的不稳定性。

白噪声测试
第一步就是通过进行“白噪声”测试来找到振动频率。使用Rexroth公司的集成驱动指令值生成器（图2），可以在电机的扭矩指令输入信号中施加一个噪声信号。使用预先指定的放大倍率，指令值生成器会以随机的频率输出正向和反向扭矩，因此电机将会发生振动，产生类似于TV或无线电的白噪声。不使用锤子或者棍棒敲击，电机就能在较宽的频率区间上对机械结构产生“冲击”，我们可以藉此来观察在哪些频率的冲击下响应要高于其他冲击频率。

图2 白噪声测试能够发现共振频率。使用Rexroth公司的集成驱动指令值生成器，将噪声信号施
加到电机的扭矩指令输入上。图像来源：BoschRexroth 公司。
为了观察频率响应，可以使用集成驱动示波器软件套件，此套件可以以250微秒的采样频率显示驱动数据，扑捉到的数据以固定的间隔存储在驱动器中，然后上载到软件中去，数据并不会应为通讯速度或者扫描时间的变化而变化。有成百的驱动参数可供选择，但是对于此测试，电机的反馈速度比较合适。当电机处于运动状态时，可以使用软件采集1秒钟内的数据并将数据上载到示波器界面，以时间为横坐标进行显示。为了确定频域，选择一组FFT（快速傅立叶变换）图，并以频率作为横坐标显示（图3）。理想状态下，在频率区间内能够形成相对平滑的曲线，此时，在1075Hz频率处能够发现峰值，这就是干扰的主要来源。

图3 随着电机的振动，将这些数据采集下来并上传给Rexroth 公司的IndraWorks 工程套件的示波器界面，然后以时间作为横坐标对其进行显示。为了确定频域，选择一组FFT（快速傅立叶变换）图，并以频率作为横坐标显示。图像来源：Bosch Rexroth 公司。
滤波，控制回路
找到共振频率之后，可以使用速度回路滤波器来最小化共振对于控制回路的影响。除了能够平滑时间常数（低通滤波器），驱动器还能够提供其他的滤波选项，最多可以同时采用4个滤波器。对于此测试，频率已经足够高了，所以仅仅使用低通滤波器就足够了。不过问题频率通常会落在200-300Hz的频率区间，在此区间内有效的低通滤波器通常也会对速度回路产生影响，对于直驱电机来说这点尤为明显，因为速度回路的带宽刚好覆盖了干扰频率。此时就不易使用这种“粗犷”的方法，更有针对性的解决方案是聚焦于问题频率，同时使对于频谱内问题频率之外的其他频率区间的影响最小化。最佳解决方案是带阻滤波器，有时也被称为陷波滤波器。
带阻滤波器使用中央频率和带宽作为设置参数，中央频率附近的信号衰减极大，但是对于带宽中其他区间的衰减就很有限（图4）。

图4 位于中央频率附近的信号被极大地衰减了。
基于白噪声测试的结果，选择一个中央频率为1075Hz、带宽为100Hz的滤波器。带宽越窄，对于共振频率的抑制作用就越大。但是较窄的带宽同时要求对于中央频率具有更高的设置精度。实际操作中，默认值100Hz的效果通常就可以接受控制工程网版权所有，只要滤波器一开始工作，蜂鸣声就会显著降低。

图5 基于白噪声测试的结果，选择一个中央频率为1075Hz、带宽为 100Hz 的滤波器。默认值100Hz 的效果通常就可以接受，只要滤波器一开始工作，蜂鸣声就会显著降低。

图6 观察施加滤波器前后的速度反馈。

图7 结果所示为降低后的位置偏差。

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