智能伺服驅動(dòng)濾除機械共振
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產(chǎn)品切換更快更簡(jiǎn)單，僅僅按一下按鈕就能夠改變電機速度和更換凸輪類(lèi)型，無(wú)需對齒輪配比或者機械凸輪進(jìn)行物理更換。而且，復位和拉力的過(guò)程控制可以通過(guò)手動(dòng)方式直接更改伺服驅動(dòng)器的位置或者速度命令值，無(wú)需補償器或者其他輔助硬件來(lái)影響設備運動(dòng)。
但是和齒輪組不同，伺服電機通常需要調整才能獲得最優(yōu)的性能并克服機械共振問(wèn)題。在位置控制回路中，編程位置與實(shí)際位置進(jìn)行對比，差值乘以一個(gè)系數（增益）作為速度回路的命令，速度回路的輸出作為電流回路的命令，這個(gè)最終回路的輸出顯示了方向和電流的大小，而這些輸出同時(shí)由伺服驅動(dòng)器傳送給電機繞組。
所有三個(gè)控制回路都具有多種類(lèi)型的“增益”，調整就是對這些增益進(jìn)行調整以使實(shí)際的運動(dòng)盡可能接近于預期運動(dòng)的過(guò)程。在實(shí)際操作中，這種工作方式使顏色不會(huì )失真，打印照片清晰，或者在沖切過(guò)程中能夠保證進(jìn)紙速度精確匹配，不會(huì )發(fā)生撕紙和卡紙現象。更高的增益通常意味著(zhù)更高的帶寬（響應），但是過(guò)高的增益會(huì )導致超限和不穩定。
機械共振
理論上，理想的控制回路增益與負載特性（慣性負載、剛性負載）相關(guān)，因此也可以計算出預期響應。但是某些因素對這些增益值會(huì )產(chǎn)生影響，使應用無(wú)法獲得預期的帶寬。例如，如果控制回路的采樣頻率過(guò)低，那么輸出就永遠都無(wú)法穩定到一個(gè)恒定值。但是相比之下，更加具有挑戰的問(wèn)題是機械共振。
機械共振由機械系統的固有頻率激發(fā)產(chǎn)生。固有頻率指在最小的振動(dòng)或者鳴響發(fā)生時(shí)的頻率，它是機械系統的固有特性，耦合器、軸承、齒輪和機械框架都會(huì )影響這個(gè)頻率。共振能夠縮短機械驅動(dòng)（線(xiàn)性傳動(dòng)）設備的壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，而且在某一個(gè)特定設備速度下，這種效果尤為明顯，此速度與固有頻率相關(guān)。在分布式伺服驅動(dòng)設備中，如果控制回路根據反饋做出動(dòng)作，而反饋涉及到與固有頻率相關(guān)的多個(gè)重要部件時(shí)，這種效果會(huì )被進(jìn)一步激發(fā)。如果在這個(gè)頻率上已經(jīng)有了一個(gè)放大器，加上控制回路的增益，那么就很容易造成共振，其結果是過(guò)高的振動(dòng)和不穩定性。最輕微的結果就是產(chǎn)品質(zhì)量將受到考驗，設備部件磨損加劇，更快失效。最嚴重的結果就是即使沒(méi)有電機過(guò)熱或者頻率突變，設備也會(huì )停止工作。
固有頻率
如果共振確實(shí)帶來(lái)了問(wèn)題，那么可以使用加速度計來(lái)收集振動(dòng)數據，使用相關(guān)軟件分析這些數據并找到設備或者設備的子構件的固有頻率?？梢圆扇∫恍┬薷姆桨?，例如增加一些支撐梁以提升設備結構的剛度，或者使用更高等級的耦合器或者軸承，目的就是改變設備的固有頻率，使其不在設備的工作頻率區間之內。這些機械朝向的診斷方法和糾正方法需要特殊工具和專(zhuān)業(yè)技能，還會(huì )帶來(lái)額外的工程成本。而采用“邊試邊找”的方法來(lái)制定更改方案又頗為耗時(shí)，而且時(shí)常無(wú)功而返。
如果從控制端來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用降低伺服驅動(dòng)器速度回路增益的方法。仔細研究速度回路能夠發(fā)現共振在速度反饋中的明顯作用，它會(huì )被速度回路放大。在某些情況下，只需要將速度回路增益稍稍降低就能夠將共振削減至可以接收的程度，避免不穩定狀態(tài)的發(fā)生，同時(shí)還能夠為電機控制提供足夠的控制幅度，滿(mǎn)足應用的需求。
對于其他一些情況，只有將增益大幅下降才能夠有效控制問(wèn)題的產(chǎn)生，而此時(shí)伺服性能也明顯地大打折扣。這可能意味著(zhù)打印滾筒具有較高的位置偏差——導致對于不同的圖片，打印復位的容差可能超限（有些圖片效果尚可，有些就有點(diǎn)模糊）?；蛘咻佪S對速度控制不夠，導致快慢不一，圖像質(zhì)量下降，圖像被拉伸或者壓縮，甚至會(huì )對輥軸造成損傷。
有了智能伺服驅動(dòng)器，就能克服共振的影響，且不會(huì )對性能造成影響，也無(wú)需額外的資源?？梢杂米冾l驅動(dòng)來(lái)控制同步交流電機，在電機轉軸上連接一個(gè)慣性飛輪用來(lái)模擬負載，飛輪設置成輕微的不平衡，然后僅僅使用一個(gè)螺釘穿過(guò)飛輪，并使用一個(gè)螺孔固定在電機轉軸上，不使用耦合設備對振動(dòng)進(jìn)行抑制或者對失衡進(jìn)行補償。
電機開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，會(huì )發(fā)出“蜂鳴”般的振動(dòng)，說(shuō)明這種簡(jiǎn)單機械系統存在某種不穩定性，將速度回路增益的默認值升高，蜂鳴聲就會(huì )更大。蜂鳴聲不僅僅是令人討厭那么簡(jiǎn)單，它告訴我們電機正處在完全失控的邊緣——導致位置錯誤或者速度回路故障。降低增益能夠削減振動(dòng)，但是電機性能也隨之降低，對于一些柔性版印刷設備來(lái)說(shuō)，高標準的印刷作業(yè)復位容差不超過(guò)0.002英寸，所以這種結果是不能接受的。圖1所示為使用默認增益在500轉/分鐘的速度運轉時(shí)的位置偏移，此時(shí)能夠觀(guān)察到0.065度峰間值誤差，對于24英寸的圓形輥軸，其表面的誤差換算過(guò)來(lái)就是0.0043英寸。在克服振動(dòng)影響之后，提升增益能夠獲得更好的結果。
圖1 振蕩圖顯示了機械系統的不穩定性。
第一步就是通過(guò)進(jìn)行“白噪聲”測試來(lái)找到振動(dòng)頻率。使用Rexroth公司的集成驅動(dòng)指令值生成器（圖2），可以在電機的扭矩指令輸入信號中施加一個(gè)噪聲信號。使用預先指定的放大倍率，指令值生成器會(huì )以隨機的頻率輸出正向和反向扭矩，因此電機將會(huì )發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生類(lèi)似于TV或無(wú)線(xiàn)電的白噪聲。不使用錘子或者棍棒敲擊，電機就能在較寬的頻率區間上對機械結構產(chǎn)生“沖擊”，我們可以藉此來(lái)觀(guān)察在哪些頻率的沖擊下響應要高于其他沖擊頻率。
圖2 白噪聲測試能夠發(fā)現共振頻率。使用Rexroth公司的集成驅動(dòng)指令值生成器， 將噪聲信號施
加到電機的扭矩指令輸入上。圖像來(lái)源：BoschRexroth 公司。
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