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曹博士专栏 | 雷赛伺服系统摆振抑制技术应用研究

  • 关键词:雷赛,伺服系统摆振抑制技术
  • 作者:曹通
  • 摘要:交流伺服系统的机械传动部分本身存在一定弹性,加上位置环带有少许滞后,易造成机械末端发生抖动,影响伺服系统的跟踪性及机械的定位精度。

一、现象描述

交流伺服系统的机械传动部分本身存在一定弹性,加上位置环带有少许滞后,易造成机械末端发生抖动,影响伺服系统的跟踪性及机械的定位精度。在进行雷赛L5Z伺服系统在机械手的应用研究时发现了这种抖动现象,如图1:在指令定位命令结束后,即使马达本身已经接近静止,机械传动端仍会出现持续摆动。



图1 机械手应用研究平台


二、应用问题分析

如下图,为示波器采集位置/速度/电流等信号抓取的摆振现象,可见,在指令命令结束后,各采集信号存在较大幅度的波动,但在系统阻尼作用下振幅逐渐减小。



图2 未抑制前伺服系统输出波形


通过抓取数据,分析伸缩轴在指令命令结束时刻的频谱,分析得知:位置/速度/电流均含有相同频率的低频分量,该频率点大约在10Hz附近。


图3 抑制后伺服系统输出波形


雷赛L5Z伺服系统摆振抑制能针对机械末端晃动或机台低频共振现象,通过抑制运动振动的频率点,降低振动。减振频率有2个,可同时使用,使用频率从1-200hz,具体请参考雷赛L5Z的产品手册Pr2.14和Pr2.16参数,具体如下:


   具体操作步骤如下:


图4  L5Z摆振抑制技术功能使用步骤


对比振动抑制前后的定位时间曲线,可以计算出整定时间的变化(以某一PUU为定位精度进行计算),对比结果如下表所示,可见,不带振动抑制功能,其整定时间超过314ms,带振动抑制功能,整定时间减小到150ms。

表1 减振前后整定时间对比


该伺服系统采用基于FFT检测位置/速度/电流中出现的低频振动,在获得振动频率信息,使用低频抑制滤波器等获取抑制补偿值,并将此补偿值添加到阻尼参数中进行振动抑制。

     


图5 摆振抑制技术系统原理图


三、原理探讨及试验分析

  伺服系统中的弹性连接装置可近似为一个双惯量机械传动系统,如下图所示,


图6 双惯量机械传动系统简化原理图


典型双惯量机械传动系统的微分方程如下:


通过建立该系统的微分方程、及电机/负载转速和电磁转矩之间的传递函数关系,在一定假设条件下,可利用伺服系统的根轨迹图来对比抑制前后的末端定位抖动频率,抑制前后的根轨迹如下所示,文献1指出抑制定位末端抖动的实质是消除B极点处的轻阻尼振荡。


图7 抑制前伺服系统根轨迹图



图8 抑振后伺服系统根轨迹图


激光测振仪,作为一个高精度外部激光传感器,对振动特性的评价具有很大的参考意义,本实验通过激光测振仪采集机械末端、电机轴端等测试点的振动数据进行振动分析。试验测试曲线如下图所示:


图9机械末端振动抑制效果对比曲线



图10机械末端振动频谱分析


对比机械末端的振动数据可知,抑制前速度波动峰峰值最大为52mm/s,主要的振动频率为10.11hz,伺服阻尼作用下,振幅逐渐减小;抑制后,速度波动峰峰值的最大值减小到7mm/s,但也含有较小的相对高频振动。


图11电机轴端振动抑制效果对比曲线


图12电机轴端振动频谱分析


对比电机轴端的振动数据可知,抑制后速度波动从7mm/s减小到1.4mm/s,但振动频率同机械末端频率相近,为10.69hz,分析可知,机械末端的振动为受迫振动,振动源来自电机轴端振动,通过伸缩轴,使得机械末端的振动幅度加大。


四、结论

机械手在定位命令结束后,末端易存在抖动现象,影响定位效果;但通过采用雷赛L5Z自动低频抑制功能,可有效减少机械末端振动对定位精度的影响,并且在使用抑制功能后,振动幅度大幅减小,且整定时间也大幅缩小,提高了伺服的响应性能,试验数据分析对此功能进行了很好验证。此外,雷赛L5Z伺服系统的摆振抑制功能也成功应用到机Scara机器人及电子设备等其他行业。


作者简介:

曹通

哈尔滨工程大学精密仪器及机械专业博士

中级工程师

深圳市重点支持实验室主任

创办国内运动控制行业首个应用研究型实验室

在国内外重要刊物发表多篇论文及专利


主要参考文献:

1、永磁交流伺服系统定位末端抖动抑制,2015年,《电机与控制学报》

2、Vibration suppression intwo-mass drive system using PI speed controller with different additionalfeedbacks.2006


如想获得更多资讯,敬请关注“雷赛智能”官方公众号





发布时间:2017年3月28日 13:43  人气:   审核编辑(王静)
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