问题解答

PROBLEM SOLVING

陷波滤波器和低频滤波器如何减少伺服系统中的共振?
发布日期 : 2020-07-17 18:23:25
伺服系统会因机械组件的柔性或间隙而产生共振。共振会降低系统性能,会导致听得见的噪音,在极端情况下甚至会损坏硬件。
 
伺服调整是设置控制器增益以优化伺服性能的过程,但是随着增益的增加,共振的数量和严重性通常都会增加。
 
当系统的固有频率被激发时,就会发生机械共振。当伺服反馈包括系统固有频率的分量时,固有频率固有的放大倍数将与控制器增益相加,这会导致严重的振动和伺服环路的不稳定。
 
减少共振的选项包括机械解决方案,例如使用更硬的联轴器,轴和驱动组件(螺钉,皮带,变速箱),但这在保持性能和成本的同时很难实现。另一种选择是通过更改负载参数,使用更高惯性的电机或使用更高减速齿轮箱的方法来降低负载与电机的惯性比。但是负载参数很难更改,惯性较高的电机(通常较大)需要额外的转矩,而其他因素在齿轮比的选择中起着作用-使这些选择不理想或根本不可行。
 
从伺服调整的角度来看,可以通过降低控制增益来减少或消除共振。但是,这会通过减小其带宽并因此降低其响应性而损害伺服系统的性能。在保持尽可能高的控制增益的同时,减少共振的最简单方法是在控制回路中添加滤波器。
 
谐振可以分为高频、中频或低频,具体取决于它们与控制环路带宽的接近程度(分别高于,接近或低于)。大多数伺服系统都会经历高频共振,这表现为高音调的尖叫声。通常用于高频谐振的两种滤波器是陷波滤波器和低频滤波器。
 

陷波滤波器

陷波滤波器可衰减或减小中心频率(陷波)附近特定的狭窄频率范围。高于或低于指定范围的频率不改变地通过–因此,陷波滤波器的另一个术语是“带阻滤波器”。陷波(中心)频率附近的信号被严重衰减,但衰减在指定范围的刃绿丫┯槔殖⊥5197欢讼陆怠
 
陷波滤波器的一个缺点是,如果谐振频率发生显着变化,它们将无效。共振频率的变化可能是由负载惯性的变化引起的。例如,在分配应用中,负载随着产品的分配而变化。随着机械零件的“磨损”和连接变松或间隙增加,它们也可能随着顺性和间隙增加而变化。
 

低频滤波器

低频滤波器会衰减超出其带宽的高频信号,同时使低频信号保持不变。但是,由于它们作用于系统的高频响应,因此会降低伺服系统的性能。并且,如果问题频率较低,则使用带宽接近伺服响应的低频滤波器会导致伺服系统不稳定。
解决共振问题的大多数解决方案都使用一个或多个陷波滤波器以及低频滤波器。
 
某些伺服驱动器会在其“ 自动调整 ”功能中配置滤波器参数。如果滤波器对共振的影响很小(通常在低于500 Hz的频率下),则其他驱动功能(例如,振动抑制)可以减少其繁琐的参数调整设置。
 
此处描述的谐振类型称为“电机侧谐振”,因为它们会反射回电机并由编码器捕获。这意味着可以通过调整控制环路增益和应用滤波器来减少或消除它们。
 
另一类型的共振称为“负载侧共振”。当负载或末端执行器由于与传动系统和电机的连接顺应性而振动时,会引起这些共振。负载侧共振通常不会被编码器捕获,因此不会受到伺服环路调整或滤波的影响。负载侧共振在机器人、起重机和其他具有高悬臂负载的设计中特别常见。

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