伺服讲座 第7讲｜机械共振与抑制

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本讲将深入讲解伺服系统中的机械共振问题，分析共振的产生原因、影响因素，以及如何通过适当的设计与调节来抑制共振现象，提升系统的稳定性与精确度。

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一、机械共振概述

1. 机械共振的定义

机械共振是指当一个系统的自然频率与外部激励频率相匹配时，系统的振动幅度会大幅度增大，达到共振现象。在伺服系统中，机械共振会导致系统的不稳定、震动、噪音、精度下降，甚至损坏设备。

2. 共振产生的条件

机械共振发生的基本条件是系统的固有频率与外部激励频率一致。伺服电机在运行过程中，由于负载、传动系统和电机本身的机械特性，可能会产生共振现象。

• 系统固有频率：每个机械系统都有其固有频率，主要由系统的质量与刚度决定。
• 外部激励频率：伺服电机的转速、加速度变化，或负载振动等都可能成为激励源。
• 共振现象：当外部激励频率与系统固有频率接近时，振动幅度会显著增大，导致系统不稳定。

3. 共振的影响

机械共振对伺服系统的影响通常表现为：

• 振动增加，导致机械磨损和系统不稳定。
• 运动精度降低，影响定位精度和重复精度。
• 过度振动可能导致部件松动或损坏，缩短设备寿命。

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二、机械共振的影响因素

1. 负载惯量与电机惯量的匹配

伺服系统的负载惯量与电机惯量的匹配直接影响系统的动态响应。负载惯量过大或电机惯量过小，都会导致较大的振动和共振现象。

惯量匹配公式：

J_total = J_motor + J_load / (减速比)²

合理的惯量匹配能够减少共振的风险，避免系统出现过大的振动。

2. 传动系统的刚度

传动系统的刚度决定了系统的自然频率。刚性较差的传动系统会在工作过程中产生较大的弹性变形，从而导致共振。

• 刚度较低：传动系统容易发生弹性变形，容易进入共振区。
• 刚度较高：系统更稳定，避免共振发生。

3. 电机转速与频率

伺服电机的转速与控制频率密切相关。转速变化较大的系统容易进入共振区，尤其是在高速运行时。

转速与共振频率的关系：

转速变化会引起激励频率的变化，当激励频率与系统的固有频率接近时，共振现象将发生。

4. 环境因素与安装条件

环境因素（如温度、湿度、振动等）和安装条件（如设备支撑、地面平整度等）也会对伺服系统的共振产生影响。

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三、如何抑制机械共振

1. 减少共振频率的影响

为了避免共振频率与外部激励频率重合，可以通过以下方法调整系统的工作频率：

• 调整电机转速：调整电机的转速或加速度，避免工作频率与系统固有频率一致。
• 使用频率扫描：通过频率扫描技术避免共振频率的工作区。

2. 增强系统刚度

通过增加传动系统的刚度或优化机械设计，可以有效提高系统的固有频率，避免进入共振区域。常见的方法包括：

• 使用刚性更强的传动部件：如加强钢制齿轮、刚性较强的联轴器等。
• 改善支撑结构：通过增加支撑点或改进支撑方式，提高系统的整体刚度。

3. 使用减振系统

通过增加减振装置来消除或降低振动。例如：

• 安装减振垫：用于减少机械共振产生的振动。
• 增加阻尼装置：如减震器、阻尼垫等，吸收和消散振动能量。

4. 优化运动曲线

通过优化伺服电机的运动曲线，避免系统在加速和减速过程中产生较大的振动。常见的优化方法有：

• 使用S曲线：平滑加速和减速，减少瞬时振动。
• 调整加速度：避免过高的加速度和减速度，减少系统的震动。

5. 控制系统的调节

通过调整伺服系统的控制参数，减少过冲、振荡等问题：

• 调整PID参数：适当调节比例、积分和微分参数，减少系统响应中的过冲和震荡。
• 使用滤波器：通过控制系统引入滤波器，抑制频率响应中的噪音。

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四、共振案例分析与优化建议

1. 案例：伺服电机驱动的机械手臂

在某些高速应用中，机械手臂在进行快速定位时，容易产生共振，导致过大的震动和定位误差。通过增加减震器、优化加速/减速曲线和调节PID参数，系统的响应速度和定位精度得到了显著提高。

2. 案例：传送带系统

传送带系统的伺服电机容易因负载惯量较大而产生共振，导致传送带震动和物料位移误差。通过使用更高刚性的传动组件和调整电机转速，减少了共振的发生。

3. 优化建议

• 在设计时，确保传动系统和电机的惯量匹配合理。
• 避免高频加速，优化加速度曲线，避免共振发生。
• 使用减振和阻尼装置，增强系统的稳定性。
• 调节控制参数，确保系统响应平稳，避免过冲和震荡。

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五、总结

机械共振是伺服系统中常见的问题，但通过合理设计、优化运动曲线、增强系统刚度、使用减振装置和调节控制参数，可以有效抑制共振现象。

重点回顾：

• 共振的发生依赖于系统固有频率与外部激励频率的匹配。
• 合理匹配负载与电机的惯量、提高传动系统的刚度是抑制共振的关键。
• 优化加速度曲线、调整PID控制参数、使用减振装置等方法可有效减少共振。

下一讲预告：
我们将介绍伺服系统中的反馈控制技术，包括编码器和传感器的工作原理、调节反馈信号的策略等。

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