交流伺服系統(tǒng)的機械傳動部分本身存在一定彈性,加上位置環(huán)帶有少許滯后,易造成機械末端發(fā)生抖動,影響伺服系統(tǒng)的跟蹤性及機械的定位精度。在進行睿馳P100伺服系統(tǒng)在機械手的應(yīng)用研究時發(fā)現(xiàn)了這種抖動現(xiàn)象,如圖1:在指令定位命令結(jié)束后,即使馬達本身已經(jīng)接近靜止,機械傳動端仍會出現(xiàn)持續(xù)擺動。
圖1 機械手應(yīng)用研究平臺
如下圖,為示波器采集位置/速度/電流等信號抓取的擺振現(xiàn)象,可見,在指令命令結(jié)束后,各采集信號存在較大幅度的波動,但在系統(tǒng)阻尼作用下振幅逐漸減小。
圖2 未抑制前伺服系統(tǒng)輸出波形
通過抓取數(shù)據(jù),分析伸縮軸在指令命令結(jié)束時刻的頻譜,分析得知:位置/速度/電流均含有相同頻率的低頻分量,該頻率點大約在10Hz附近。
圖3 抑制后伺服系統(tǒng)輸出波形
睿馳P100伺服系統(tǒng)擺振抑制能針對機械末端晃動或機臺低頻共振現(xiàn)象,通過抑制運動振動的頻率點,降低振動。減振頻率有2個,可同時使用,使用頻率從1-200hz,具體請參考睿馳P100的產(chǎn)品手冊Pr2.14和Pr2.16參數(shù),具體如下:
具體操作步驟如下:
圖4 L5Z擺振抑制技術(shù)功能使用步驟
對比振動抑制前后的定位時間曲線,可以計算出整定時間的變化(以某一PUU為定位精度進行計算),對比結(jié)果如下表所示,可見,不帶振動抑制功能,其整定時間超過314ms,帶振動抑制功能,整定時間減小到150ms。
表1 減振前后整定時間對比
整定時間/ms | |
減振前 | 314 |
減振后 | 150 |
該伺服系統(tǒng)采用基于FFT檢測位置/速度/電流中出現(xiàn)的低頻振動,在獲得振動頻率信息,使用低頻抑制濾波器等獲取抑制補償值,并將此補償值添加到阻尼參數(shù)中進行振動抑制。
圖5 擺振抑制技術(shù)系統(tǒng)原理圖
伺服系統(tǒng)中的彈性連接裝置可近似為一個雙慣量機械傳動系統(tǒng),如下圖所示,
圖6 雙慣量機械傳動系統(tǒng)簡化原理圖
典型雙慣量機械傳動系統(tǒng)的微分方程如下:
通過建立該系統(tǒng)的微分方程、及電機/負載轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)關(guān)系,在一定假設(shè)條件下,可利用伺服系統(tǒng)的根軌跡圖來對比抑制前后的末端定位抖動頻率,抑制前后的根軌跡如下所示,文獻1指出抑制定位末端抖動的實質(zhì)是消除B極點處的輕阻尼振蕩。
圖7 抑制前伺服系統(tǒng)根軌跡圖
圖8 抑振后伺服系統(tǒng)根軌跡圖
激光測振儀,作為一個高精度外部激光傳感器,對振動特性的評價具有很大的參考意義,本實驗通過激光測振儀采集機械末端、電機軸端等測試點的振動數(shù)據(jù)進行振動分析。試驗測試曲線如下圖所示:
圖9機械末端振動抑制效果對比曲線
圖10機械末端振動頻譜分析
對比機械末端的振動數(shù)據(jù)可知,抑制前速度波動峰峰值最大為52mm/s,主要的振動頻率為10.11hz,伺服阻尼作用下,振幅逐漸減小;抑制后,速度波動峰峰值的最大值減小到7mm/s,但也含有較小的相對高頻振動。
圖11電機軸端振動抑制效果對比曲線
圖12電機軸端振動頻譜分析
對比電機軸端的振動數(shù)據(jù)可知,抑制后速度波動從7mm/s減小到1.4mm/s,但振動頻率同機械末端頻率相近,為10.69hz,分析可知,機械末端的振動為受迫振動,振動源來自電機軸端振動,通過伸縮軸,使得機械末端的振動幅度加大。
機械手在定位命令結(jié)束后,末端易存在抖動現(xiàn)象,影響定位效果;但通過采用睿馳P100自動低頻抑制功能,可有效減少機械末端振動對定位精度的影響,并且在使用抑制功能后,振動幅度大幅減小,且整定時間也大幅縮小,提高了伺服的響應(yīng)性能,試驗數(shù)據(jù)分析對此功能進行了很好驗證。此外,睿馳P100伺服系統(tǒng)的擺振抑制功能也成功應(yīng)用到機Scara機器人及電子設(shè)備等其他行業(yè)。
主要參考文獻:
1、永磁交流伺服系統(tǒng)定位末端抖動抑制,2015年,《電機與控制學(xué)報》
2、Vibration suppression in two-mass drive system using PI speed controller with different additional feedbacks.2006
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