基于陷波器參數自調整的伺服系統諧振抑制

摘 要：針對永磁交流伺服系統中的柔性傳動環節，建立了電機——負載二質量模型，通過對模型的Simulink仿真分析闡述了系統機械諧振發生的機理。為了抑制伺服系統的機械諧振，根據對伺服系統諧振的定量分析，結合對電機速度誤差信號的快速傅里葉變換（FFT）分析，設計了自動調整參數的陷波濾波器，并進行了仿真實驗與實際實驗。實驗結果證實了理論分析的正確性和所設計陷波器的有效性，在傳動環節的剛度、阻尼和負載慣量不盡準確的情況下，相關仿真結果驗證了所設計陷波器依舊有效。

關鍵詞：交流伺服系統；諧振抑制；陷波濾波器；參數自調整

中圖分類號：TP23

1.前言

伺服系統中的柔性傳動環節常常導致機械諧振，諧振時電機電流處于正負交替飽和狀態，電機在速度給定處出現強烈抖動，這無論對機械負載還是對伺服驅動器都極具威脅，負載端的抖動會導致負載的速度失準甚至損壞，電機速度抖動削弱了伺服的控制效果，并且將伺服控制器的速度環帶寬限制在諧振頻率以下[1]。

為了抑制伺服系統的諧振現象，目前已有很多文獻提供了解決方法。傳統的方法是通過調節系統的機械結構，諸如添加避震環節或者機械加固等措施解決系統的諧振現象，但此類解決方案在增加了系統成本的同時也帶來了系統的復雜性。相對于被動抑制，當前常用的主動抑制方法可以分為3類：1）基于電機側與負載側的位置與速度，進行諧振抑制[2]，但此類方案在實際應用中受限于負載測速度檢測的檢測器成本與安裝成本。2）基于電機側的位置與速度，借助觀測器對負載速度進行估計，進行諧振抑制[3-5]，但此類方案受限于觀測器的準確性與實時性。3）只在控制環節加入濾波器，或者相位補償，進行諧振抑制[6-9] ，此類方案由于易于實現且無需額外增加硬件，當前最為常用。本文采用第3類抑制方法，通過對系統諧振的定量分析，結合對電機速度誤差信號的快速傅里葉變換（FFT）分析，設計了參數自調整陷波濾波器，對伺服系統的諧振進行抑制，進行了仿真與實際電機試驗，驗證了所設計陷波濾波器的有效性。

2.伺服系統機械諧振分析

由反諧振點導致的幅值增益下降借可以由服系統的閉環調節得以解決。圖3中，受諧振峰值的影響，柔性系統在相位穿越處的幅值增益將被拉高至大于0dB， 導致速度出現震蕩，即伺服系統的諧振現象，且諧振頻率越靠近相位穿越頻率，諧振現象越明顯。

文獻[10] 應用受迫振動理論闡述了伺服電機軸端的諧振與負載端諧振之間的關系，論證了“只要電機軸端諧振得以抑制，則負載端諧振也會得以有效抑制”，基于此論證，本文以伺服電機軸端諧振為研究對象。

對圖2所示的仿真模型進行仿真，電機速度階躍響應仿真結果如下圖4，轉速階躍響應下的電機電磁轉矩波形如下圖5。由仿真結果可知電機轉速出現震蕩現象，電機電磁轉矩處于劇烈震蕩狀態。

3.參數自調整陷波器設計

試驗中，諧振頻率未知，所設計的參數自調整陷波器在0.4 s時刻開始工作，由波形可知，在使能約52ms后，陷波器成功抑制了系統的諧振。

為了抑制永磁交流伺服系統機械諧振，本文提出了一種陷波濾波器參數自調整的方法，并進行了仿真實驗與實際實驗。實驗結果表明，參數自調整陷波器能夠有效的抑制伺服系統的機械諧振，且其參數魯棒性較好，值得在實際應用中推廣。

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