在伺服系统中防止共振和抑制振动

为了修正机器产生的振荡，通常对机械设计予以改进，并采用电子滤波器。然而，这些解决方案的成功率往往是有限的。工程师应该考虑增设反共振控制器，并采用抑制其振动和颤动的解决方案，从而通过伺服控制器和放大器系统振荡修正此类问题。

低通和陷波滤波器的局限性

由于振动往往是在高频率下发生的，因此传统的振动过滤方法采用低通和陷波滤波器。低通滤波器可使伺服控制系统的高频响应发生衰减，从而限制伺服系统的带宽。虽然有必要采用低通滤波器，但如果它们能尽量不消除上部的带宽，最终效果会变得更好。该滤波器的截止频率范围为1—5 kHz。现代伺服电机可自动对低通滤波器进行设置，从而在执行自动调序时，尽量不消除高频响应。

陷波滤波器和带阻滤波器控制可将振荡控制在500-1000赫兹之间——由于该范围包含可听噪声、调节时间长且振动级别高，因此是存在问题的。该频率范围还存在于机器的可用带宽部分。与低通滤波器相比，陷波滤波器的一项优势在于其能保留伺服系统的高频响应，这意味着工程师们能安全地获得调谐增益。将一或两个陷波滤波器与低通滤波器一起使用，能使伺服系统获得稳定的响应，这是因为该滤波器能消除500—1000Hz范围内存在问题的频率。但在陷波滤波器的频率和带宽时会产生一个难题。工程师必须在检测到机器的自然共振时才能根据稳定的比例设置调谐增益，但不会造成极剧烈的振动。通过具有快速傅立叶变换(FFT)分析能力的软件工具，更容易确定机器的共振频率。

如今，伺服控制系统通过包含陷波滤波器频率，而使这一过程（即放大器的测定过程）向前迈进了一步。就像数字示波器可测量输入信号的频率那样，放大器电路能测量共振频率，并相应设置陷波滤波器的频率带宽。陷波滤波器的自动设置可作为减少振动的一种附加手段。虽然陷波滤波器可与采用伺服技术的低通滤波器一起使用，但所有控制器或伺服放大器均未采用这一新功能。

虽然低通滤波器和陷波滤波器足以用于许多伺服控制系统，但当机器在10~500 Hz的频率产生振动时，发挥的作用却很小。为了解决这一问题，工程师们必须使用共振控制和抑制振动等先进技术。

以安川电机的Sigma -5伺服放大器为例，“共振控制”图形说明了放大器的共振控制是如何和减少具有可听性和可视性（如图所示）的噪音。抑制振动功能可在一个定位动作结束时减少振荡，从而缩短位置的调节时间（在“抑制振动”注明）。

共振控制使用速度和转矩信号，在电机旋转时识别共振频率。然后控制电路对速度反馈信号进行修正、测量共振频率，并自动将该信息用于放大器。操作员也可将此测量参数覆盖，并手动设置频率。如果需要，用户还可以手动调整参数，如增益补偿、阻尼增益和滤波时间常数，以进一步提高伺服控制性能。

抑制振动功能可参考位置进行过滤，并根据频率参数反馈对位置主动进行补偿。该功能可对正确的补偿指令进行计算，并可适时地根据频率参数和专有算法使用这一指令。伺服放大器的算法可自动检测四个参数，并在自动调整时对其进行设置，或者由工程师手动设置。该功能可在动作结束时发出被补偿位置的参考命令，从而对先前检测到的振动进行补偿，并中断负载。

通过在动作结束时减少振动，可使许多机器的调节时间缩短。而这种好处，对于复杂的非刚性负荷的系统非常有用。有悬垂负荷的龙门架便是此类系统的一个很好的范例。

经证明，这些技术尤其能在另外三种用途中发挥作用——改造、处理机器意外出现的力学性能问题和优化OEM设计。