现场调试伺服最烦遇到的就是电机一跑起来就“滋——”地高频共振機身肉眼可见地抖有时候连带着整台设备的机架都在响。这种问题在皮带传动、同步带、滚珠丝杠这类低刚性传动结构里特别常见尤其松下伺服在国内设备上用得太多了几乎每个做自动化调试的朋友都跟它打过交道。这篇文章我就以松下伺服为例把减小伺服电机共振的方法从原理到实操完整梳理一遍争取让看完的人能直接拿着这套思路去现场解决问题。1. 共振从哪儿来先分清机械侧和电气侧1.1 共振的本质伺服系统变成了“放大器”伺服系统本身是一个闭环控制系统电机、驱动器、负载通过位置环、速度环、电流环串在一起。共振说白了就是整个闭环系统在某个频率点上出现了正反馈能量在这个频率上不断叠加一开始只是轻微抖动很快就能发展成刺耳的噪音和明显震荡。打个比方小孩荡秋千推的节奏和秋千自身的摆动频率一致秋千就会越荡越高。伺服系统也一样如果驱动器的增益响应刚好在机械结构的固有频率附近就等于一直在“推”这个频率的振动共振自然就出来了。1.2 机械侧的低刚性是共振的“温床”绝大多数共振问题都能在机械侧找到根源电气参数只是把问题激化出来了而已。皮带传动皮带本身有弹性从动轮的惯量又往往比较大整个系统就是个典型的“低刚度大惯量”组合固有频率往往比较低很容易落在伺服速度环的响应带宽内。联轴器弹性体老化或锁紧不牢联轴器起着传递扭矩和补偿偏差的作用一旦弹性体老化、间隙变大等于给系统引入了额外的柔性环节共振概率直线上升。滚珠丝杠长度过长或支撑座刚性不足丝杠越长扭转刚度越低支撑座、螺母座的螺栓没锁紧等于整个轴的刚度都在“打折扣”。设备基座减震措施不当有些设备安放在木质工作台、临时支架上电机一跑整个架子跟着晃这已经不是电机共振了是整机共振。机械系统的固有频率粗略可以写成 f (1 / 2π) × √(K / J)K是系统刚度J是折算惯量。从这个公式就能看出来刚度越低、惯量越大固有频率越低。固有频率一旦掉进伺服增益的响应范围你想靠调参数绕开都难。1.3 电气侧参数失配是“导火索”机械固有频率在那儿摆着但为什么有的设备跑得好好的有的就共振这就要看电气侧怎么设的了。增益调得过高速度环增益、位置环增益调得太大系统响应带宽被推高一旦接近或超过机械固有频率共振立刻出现。负载惯量比设置不准松下驱动器里有“负载惯量比”这个参数它告诉驱动器负载到底有多重。实际惯量比设小了驱动器以为负载很轻增益给得保守响应慢设大了驱动器以为负载很重增益给得激进结果就是振荡、过冲。速度积分时间太短积分时间短积分作用强系统响应快但也更容易在中低频段激出共振。滤波参数没有配合驱动器里的速度检测滤波、指令平滑、低通滤波如果完全没启用高频噪声和微小机械振动就会被放大器直接放大出来。1.4 先用耳朵和手快速判断方向现场排查不需要一上来就拉一堆设备凭经验可以先做初步判断。电机静止时也有高频“滋滋”声大概率是电气侧问题比如增益过高、编码器反馈噪声、接线屏蔽不良。运行中高频啸叫频率稳定不随转速变多为机械结构固有频率被激出来比如皮带轮、联轴器、丝杠端的共振。某个特定转速下振动明显其他速度正常一般是旋转部件不平衡或机械间隙在某个频率对上了。加减速瞬间抖动、停车后还在“弹”多半是增益过高导致的系统过冲或者惯量比设置不准。低频“咕咚咕咚”整个机架都在晃这是低刚性大惯量系统的典型表现需要从响应带宽和滤波器入手。2. 松下伺服上能用来压共振的几样工具2.1 负载惯量比和增益调整最基础也最关键很多人一上来就找滤波器参数其实第一步应该把负载惯量比设准。松下伺服驱动器一般都有自动调谐功能运行一次自动调谐驱动器会估算负载惯量并给出合适的增益。但自动调谐不是万能的尤其是皮带传动这种低刚性系统自动调谐经常会把增益给得偏高。现场最稳妥的做法是先按机械结构的实际情况手动估算惯量比填入或者用自动调谐的结果作为初值然后看运行波形再手动微调增益。在松下驱动器的PANATERM软件里可以直接在“自动调整”界面选择刚性等级数值越高响应越快但越容易共振。如果共振不严重先降一档刚性等级试试往往比动滤波器更有效、副作用更小。2.2 自适应滤波器让驱动器自己找共振点松下的A5、A6系列驱动器都带自适应滤波器功能原理是驱动器在运行中自动检测共振频率然后自动生成一个陷波滤波器去压制这个频率。对于大多数单点共振这个功能非常好用。使用的时候注意模式选择。有些版本的自适应滤波器只在启动时学习一次有些会持续监测更新学习完毕后建议把自适应滤波器的模式改为保持/固定避免它反复调来调去。自适应滤波器找到共振点后其实已经把频率、Q值、深度这些数据算好了这时候进入手动陷波滤波器参数组往往能看到这些值已经自动填进去了。2.3 陷波滤波器手动精确“狙击”共振峰陷波滤波器的原理是在某个特定频率上输出一个深的衰减让这个频率的增益大幅降低共振自然就被压住了。松下驱动器一般提供多组陷波滤波器可以对多个共振频率分别处理。陷波滤波器的三个关键参数频率就是你要压制的共振频率单位是Hz。这个值越准确效果越好。深度衰减量范围大概在0到-99dB之间现场一般从-20dB开始试不够再加深。Q值决定“陷波”的宽度Q值越小陷波带宽越宽影响的频率范围越大Q值越大陷波越尖只压住目标频率附近极窄的一段。这里的策略非常重要能用小深度、宽带的陷波压住就不上大深度、窄带的。因为陷波滤波器本质上会引入相位滞后压得太深、设得太窄虽然共振没了但系统动态响应会变迟钝甚至可能在旁边激出新的问题。2.4 低通滤波器和速度检测滤波牺牲一点响应换平稳低通滤波器的思路和陷波滤波器不一样陷波是精确打击低通是把高频成分整体截断。对于高频噪声、微小机械振动带来的颤振低通滤波非常有效代价是速度环响应会慢下来加减速跟上会有一点迟滞。松下驱动器里一般有几个层面的滤波速度指令输入滤波、速度检测滤波、转矩指令滤波。实际调试里如果共振频率在1kHz以上而且伴随刺耳噪音速度检测滤波常开一点就很管用。比如默认0.1ms改成0.5ms左右很多高频噪音立竿见影消失。但注意别调太大否则整个系统会变得“肉”跟不上指令。2.5 PANATERM频率分析把共振峰从“听”变成“看”松下驱动器配套的PANATERM软件里有一个频率特性测量功能可以扫频测量当前机械系统的频率响应曲线。测完之后共振峰在哪个频率、峰有多高一目了然。这个功能强烈建议用尤其是每次现场碰见难缠的共振问题别靠耳朵猜。设备允许空载的情况下让电机在安全状态下做一次频率响应测量你就能精确知道该在哪设陷波滤波器深度该给多少。整个过程可能只要几分钟比自己反复试错省时间多了。松下伺服几个关键功能在A5系列里的常见参数对应关系大致如下不同固件版本会有差异以面板和软件显示的参数名为准功能常见参数/位置作用负载惯量比Pr0.04A5系列告诉驱动器负载实际惯量自动调整/刚性等级PANATERM自动调整界面让驱动器匹配响应带宽自适应滤波器滤波器参数组自动检测并压制共振频率陷波滤波器第一至第四陷波组手动设置频率、深度、Q值速度检测滤波速度环参数组滤除高频反馈噪声频率分析PANATERM测量功能扫描得到机械频响曲线3. 一套可以直接照抄的调试流程3.1 第一步机械侧排查永远排在前面参数调得再花哨机械松了也白搭。我到现场处理共振第一步永远是让人把电机断电然后拿扳手把联轴器、皮带轮、电机安装螺栓、负载连接螺栓逐颗拧一遍。尤其联轴器很多共振就是因为联轴器顶丝松动或者弹性体磨损。如果皮带传动顺手检查皮带张力压一压看看是不是太松。别嫌麻烦。机械排查花20分钟能解决的问题用伺服参数硬调可能花两天都调不好。等你真调好了一个参数组合机械间隙变大一点共振又回来了永无宁日。3.2 第二步恢复参数初值跑一次自动调谐如果伺服参数被之前的人改得乱七八糟先别急着在原基础上修修补补。把相关参数恢复出厂默认值至少把速度环、位置环的增益和滤波器参数复位。然后在负载正常连接的状态下跑一次自动调谐让驱动器重新估算负载惯量并给出基础增益。自动调谐跑完后记录下当前惯量比然后做一个最简单的JOG动作也就是低速正反转各几下观察运行状态。如果这时候已经平稳那问题可能已经被自动调谐解决了大半如果还在振继续往下走。3.3 第三步先试降刚性再开自适应滤波器自动调谐给出的增益往往偏快对于低刚性机械并不合适。这时不要急着去动陷波先把刚性等级降一档或者两档再跑一下看看。很多时候降到某个等级之后共振声音已经明显变小系统也能稳定运行。如果降刚性自动调谐还不够就开启自适应滤波器。在松下驱动器上把自适应滤波器模式设为有效然后让电机在正常工作速度段跑一段时间最好是连续往复跑或按照设备实际运行的加减速方式跑。驱动器会在运行过程中不断学习共振频率并自动设置陷波参数。等自适应滤波器学习得差不多了再用PANATERM看一下它自动生成的陷波参数记下共振频率。然后根据实际运行情况决定是保持自适应模式还是把滤波器模式切换为固定手动值。我的习惯是学习完了就切到手动固定防止它下次启动时又自己变掉。3.4 第四步用频率分析定位共振峰手动设陷波如果自适应滤波器也没压干净说明可能是多个共振点或者共振比较剧烈这时候就得动用PANATERM的频率分析功能了。操作路径大体是这样连接好驱动器和电脑进入PANATERM找到“频率特性测量”或类似功能的入口。进入之后按照软件提示设置测量次数和速度指令范围驱动器会按预设的信号激励电机同时测量速度反馈和转矩指令的响应最后画出一条幅频特性曲线。你要做的就是在曲线上找到那个明显凸出来的尖峰记录下它的频率。举个例子。之前处理过一台皮带传动的设备电机一跑高速就发出尖锐的“嗡嗡”声频率分析扫出来在1.8kHz左右有一个很明显的共振峰。我就在第一陷波滤波器组里把频率设为1800Hz深度先设-20dBQ值设3左右保存后跑了一下声音小了很多但还没完全消。然后把深度加到-30dB再把Q值稍微调到8共振就彻底压住了设备加减速也没有迟滞。这就是一个很典型的手动陷波过程。起始参数频率设为共振峰频率深度从-20dB起步Q值先用一个中等偏大的数然后边跑边微调深度不够就加深响应变肉就回调Q值。3.5 第五步增益微调和实际工况验证陷波滤波设置完之后还要看整体增益是否匹配。如果系统响应还是偏慢或者过冲就在自动调谐给出的增益基础上做微调。速度环增益和位置环增益的调整原则要记住先调速度环再调位置环增益从小往大加每加一点就试一下实际运行不要一次加太多。速度环积分时间也是默认值如果导致加速有超调就把积分时间适当放长如果感觉响应不够快再缩短。最后一步必须是带实际工况验证。空载试好不等于带载没问题特别是皮带、丝杠这类负载变化大的系统。让设备按真实节拍的加减速跑至少几十个循环观察温度、噪音、振动有没有反弹。有条件就接个波形监控看速度和转矩波形是否平滑。我用松下伺服调试时一个比较常用的验证顺序就是低速连续跑、中速往复跑、高速满载跑、急停再启动跑四关都过了这个参数组合才算站得住脚。4. 日常调试中踩过的坑和排查技巧4.1 现象与排查对策速查表现场现象优先排查方向常见处理手段电机没转就高频“吱吱”响编码器反馈噪声、增益过大检查编码器线屏蔽和接地降低速度环增益运行中尖锐高频啸叫机械固有频率被激励频率分析定位设置陷波滤波器只在某个固定转速振动旋转件不平衡或机械间隙检查皮带、连轴器、动平衡避开该转速加减速瞬间抖动/超调增益过高、积分时间过短降刚性、加大积分时间、延长加减速斜坡停车后还来回弹几下位置环增益高、系统欠阻尼降低位置环增益或增加速度反馈滤波低转速电机正反转时有顿挫感惯量比不准、摩擦补偿不足修正惯量比检查机械有无卡滞整台机架低频抖动基座刚性不足、机械固定松动紧固地脚螺栓增加连接刚度降低响应带宽4.2 几个容易被忽略的细节第一编码器线和动力线不能走同一个线槽。伺服电机运行的时候动力线缆有很强的电磁干扰一旦和编码器反馈线绑在一起编码器信号上全是噪声驱动器把噪声当成速度波动去补偿电机就会高频抖动。实际处理过好几回怎么调参数都没用最后把编码器线单独布了一路问题立刻消失。第二陷波滤波器不是越多越好也不是越深越好。有人一看到共振峰就上一个很深很窄的陷波共振确实没了但速度环在这个频率附近会出现明显的相位滞后导致系统变“钝”。用手摸一下轴或者看加减速的跟随性就能感觉到区别。正确的做法是深度从-20dB开始能用-20dB压住就不用-30dBQ值也尽量别设得太极端。第三改了滤波参数之后一定要做加减速和急停测试。共振抑制的最终目的是让系统正常运行而不是让设备在一个匀速工况下听起来安静。很多参数在匀速运行下很漂亮一到加减速就原形毕露。所以每改一次参数都按实际工艺跑一遍加减速。第四松下驱动器的面板操作和PANATERM软件操作各有利弊。面板改参数快但不直观软件改参数能看波形、能扫频效率更高。我的习惯是现场快速排查用面板改两三组参数系统性调整就接电脑用PANATERM尤其频率分析功能是解决麻烦事的大杀器。4.3 一句话总结调试经验如果非要用一句话概括“减小伺服共振”的精髓那就是先查机械再降增益然后滤波最后验证。机械松了就锁紧增益高了就降低滤波器该开就开参数改完必须在真实工况下跑够循环。整个过程里最忌讳的是心浮气躁地乱调参数那不叫调试叫碰运气。我这几年调松下伺服的体会是共振不是敌人它只是系统在向你喊“参数和机械不匹配”。你用频率分析能把它看清楚用陷波滤波器能把它压住用合理的增益能让系统平稳。把这套组合拳练熟以后再遇到“电机一跑到某个速度就响”这种电话你都能在电话里先让客户去检查联轴器和皮带自己在心里已经排好了下一步的调试顺序。
