伺服系统机械谐振测试装置的设计和研究徐艳松

伺服系统机械谐振测试装置的设计和研究徐艳松

徐艳松1杨淦1张萌1黄超1王盈盈2

（1.天津电气科学研究院有限公司天津300000；2.天津佛罗林生物科技有限公司天津300000）

摘要：本文主要研究了一种测试伺服系统机械谐振消除能力强弱的试验装置，详细论述了设备的研发、设计过程。本文首先论述了伺服系统产生机械谐振的原理，基于谐振产生机制，设计了测试装置的整体结构构架以及各部分的功能。然后着重介绍了重点部件惯量盘、加载盘、传动轴的设计研发过程和详细参数，通过计算惯量确定各部件的结构尺寸和质量，对轴的选择和校核做了充分计算。最后，通过试验验证结果，数据表明，测试平台能够满足测试驱动装置是否具备自动检测机械谐振的功能要求，通过更换不同弹性系数的传动轴以及增减惯量盘，能够实现提供多种测试谐振频率的能力，为测试伺服系统消除机械谐振能力强弱提供可靠的数据信息。

关键词：交流伺服；谐振抑制；测试平台；惯量盘；轴设计

0引言

近年来，伺服系统已广泛应用于工业生产和科学研究等各领域之中，常用的伺服系统主要包括伺服机构和控制元件，在实际生产中伺服机构的伺服电机和负载之间均为弹性连接，机械系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率相接近时，系统振幅会有显著增大的现象，也称为机械谐振（mechanicalresonance），也称作机械共振。

系统在某一给定的速度出现机械谐振时，电机轴和负载均会产生强烈抖动，严重影响负载工作和伺服电机寿命，同时也会对伺服驱动器的增益和速度环带宽产生严重限制[1]。目前，机械谐振的抑制方法多种多样，国外大品牌厂商都推出自己的高性能、高精度伺服驱动器，如欧洲的西门子、BOSCH、ABB，美国的施耐德、科尔摩根，日本的三菱、松下、安川等，通过基于DSP和矢量控制的算法设计，能很好的对机械谐振进行抑制。国内一些企业和科研院所也对相关技术进行了广泛的研究，如汇川、华中数控、台达、沈阳自动化研究所、天津电气院等，都取得很好的成果，在国内逐渐占领部分市场份额，但在高精度、全功率产品方面还与国外企业存在一定差距。

本文为了对伺服驱动器的抑振性能检测，研究和设计了一种测试平台和方法，能够对伺服驱动器的负载转矩和惯量的自动识别性能、自动/手动消除机械谐振性能进行测试，通过预置测试平台的机械谐振频率，测试驱动装置是否具备自动检测机械谐振的能力，并判别其辨识的准确度；根据被测驱动装置所规定的运行模式，在测试平台明显产生机械谐振的条件下，验证驱动装置是否具备自动抑制机械谐振的能力。通过试验，验证本测试平台具备以上测试条件，能够满足伺服驱动器抑制机械谐振测试的要求。

1伺服系统机械谐振产生原理分析

伺服驱动系统再做理论分析时，通常把机械传动装置看成刚体，等效为传动摩擦、传动间隙为零的理想系统。但实际情况并非如此，任何的传动轴都是柔性的[2]，在传递扭矩时都会发生不同程度的弹性形变，具有固定的谐振频率[3]。

其谐振频率与系统转动惯量和刚度的关系为：

有频率，由公式1-1可以看出伺服系统的机械谐振频率和系统的刚度以及转动惯量相关，系统刚度强弱主要是因为转动轴的弹性变形的大小，主要和轴的材料、质量和直径等参数相关[4]。系统刚度越小，谐振频率越低；系统转动惯量越大，谐振频率越低[5]。

2测试原理及结构设计

测试平台的整体结构设计如图2-1所示，主要部件包括被测伺服电机、负载电机、不同弹性系数的传动轴、调整系统惯量的惯量盘和平台支架。惯量盘及加载装置靠近负载电机一侧，传动轴和两侧的电机主轴采用刚性联轴节，平台支架采用双直线导轨滑块结构，能够方便的更换不同弹性系数的传动轴。

伺服驱动器采用英威腾DA200系列，带有FFT分析和抑振功能，被测电机和负载电机均采用英威腾SV-MM18-3R0B-4-4A2伺服电机，额定功率3KW，额定转速1500rpm，带有多摩川码盘和自锁抱闸功能。

测试平台的被测电机、负载电机通过刚性联轴节与传动轴同心连接。通过在惯量安装盘上加载不同数量的惯量盘，改变负载的转动惯量，可以改变机械谐振频率以及振幅，通过负载电机可以加载被测电机的力矩，从而使交流伺服系统在一个较大的频率范围内预置机械谐振频率并进行测试。

传动轴由多根弹性系数不同的轴组成，通过替换传动轴，即可达到改变传动系统谐振频率的目的。

因为被测电机和负载电机内部都安装了高精度的光电码盘，所以可实现实时准确测量监控被测电机端和加载电机端的位置、转速以及两端转速差，通过负载电机控制器或上位机软件对信号进行分析计算，获得精确的谐振频率以及转速、转角信息，从而获得准确的机械谐振信息。通过测试对伺服驱动系统机械谐振抑制功能的效果，来评价各种谐振抑制算法的优劣。

通过更换不同弹性系数的传动轴并加载不同数量的惯量盘，可实现预置机械谐振频率；通过高精度光电码盘的信号测量，可以精确分析出系统中实际机械谐振频率；通过对比实际机械谐振频率，可验证被测伺服系统在线辨识谐振频率的准确性。加入谐振抑制功能后，实现定量分析谐振峰值衰减情况。

其中，J总=1.5×38×10-4Kgm2，密度ρ=7.866×10-3Kg/m3。H1=56mm，H2=90mm，分别为传动轴和电机主轴的配合尺寸。

可以求出惯量加载盘各部分结构尺寸如下表3-1

单倍惯量盘和双倍惯量盘均为法兰结构，由公式3-1到3-4可计算出结构参数，见表3-2和表3-3

试验数据表明，测试平台能够满足测试驱动装置是否具备自动检测机械谐振的功能要求，通过更换不同弹性系数的传动轴以及增减惯量盘，能够实现提供多种测试谐振频率的能力，为测试伺服系统消除机械谐振能力强弱提供可靠的数据信息。

参考文献

[1]王冰.伺服系统频率解析及谐振抑制方法研究[D].西安：西北工业大学.2012.

[2]邓刚桥.精密伺服传动结构谐振频率的测量[D].西安：西安电子科技大学.2014.

[3]SingiresuS.Rao（著），李欣业，张明路（译）.机械振动[M].清华大学出版社.2009.

[4]吴凤高.天线座结构设计[M].国防工业出版社.1980.

[5]苗少帅.视线稳定平台伺服机构的谐振频率影响因素研究[J].机械设计2009.26:40-43.

[6]闻邦椿.机械设计手册第5版轴及其连接件[M].机械工业出版社.2015.