伺服電機的噪音解決方案參考

伺服電機噪音

每個從事運動控制的人都有一些自己的故事，電機神秘地停轉，電動機不停的振動等等。我們有個系列著重討論您可能會遇到的運動控制問題，圍繞伺服電動機噪聲的深入探討是該系列的一部分。同時我們提供了一些參考的方法給到設計者，可以在設計和開發項中借鑒！

作者：Chick Lewin

PMD (www.pmdcorp.com)公司創始人兼首席執行官

文章轉載自PMD官網（https://www.pmdcorp.com/resources/type/articles/servo-motor-noise-and-how-to-fix)

翻譯： 天仁合公司（由于翻譯水平有限，建議大家閱讀原文）

伺服電機的噪音解決方案參考

噪聲可能是工程師在設計構造直流有刷或無刷直流電機的設備時遇到的最常見的運動問題。這不僅令人討厭，而且會導致電動機和執行機構的磨損增加。盡管在每種情況下聲音特性可能都不同，但當伺服電機處于保持位置和移動時都可能出現問題。事實證明，這個常見的運動問題可能來自多個領域，因此可以有許多解決方案，我們一起探討一下。

PID 調整

使用伺服回路控制電機位置主要由調整參數設置決定。廣受歡迎方法是PID（比例，積分，微分）循環來控制系統。 關于如何調整PID的文章很多，包括Performance Motion Devices（PMD）的一些文章。下圖顯示了典型位置PID回路的控制流程。

Figure 1: PID position loop control flow

工程師越來越多地使用自動調整軟件來確定其PID參數。 可以使用自動調諧器來生成最終參數，也可以使用更好的方式來生成一組初始值，然后進一步進行調整和優化。

有關伺服環路調整的完整論述不在本文討論范圍之內，但是您可以確認有兩個快速調整特性，以確保您的系統至少處于正常運行狀態。 首先是檢查系統輸出是否臨界阻尼， 而不是過度阻尼或欠阻尼。

這些術語有精確的數學定義，但最主要目的是獲得所需響應的一般形式（臨界阻尼）。如果輸出的響應不是系統需要的，則可以調整設置。 既可以調整成欠阻尼， 也可以是過阻尼。

Figure 2: Underdamped, critically damped, and overdamped response curves

注意，以上曲線是使用階躍函數生成的。要求電機軸瞬時向前或向后跳一小段距離，然后繪制實際電動機位置的結果響應。幾乎所有運動系統供應商都提供步進功能調諧控制功能。

如果您能在系統上生成Bode圖，那么還可以看到控制系統穩定性的另外兩種重要參數：相位裕量和增益裕量。大多數系統希望40度或更高的相位裕量，以及10 dB或更高的增益裕量。控制回路穩定性越接近邊界，則系統在運動或保持位置時，往往會發生振蕩并產生更多的噪聲。因此，具有良好穩定性特征的系統是安靜運行的堅實基礎。

降低微分參數

如果使用PID控制器，微分項的高數值會導致電機顫動，在極端情況下，聽起來像是一袋滾珠在運動。嘗試結合調整比例和微分參數以減少噪聲。

如果噪聲消失了，但性能有所降低，也許是因為系統現已變得欠阻尼，請考慮使用兩組伺服參數（一個有效參數組和一個保持參數組）來分別控制。許多應用程序在運動過程中會產生一點噪音，但在保持位置時需要保持安靜。使用溫和安靜的夾持裝置可能是一個很好的解決方案，因為伺服器通常不需要做很大的功作就可以將軸保持在同一位置。

嘗試不同的采樣時間

另一個與伺服相關的領域是環路速度。數字伺服系統傾向于以很高的伺服環路速率運行，在一般應用中卻不需要。更高的伺服環路速率可以在系統的頻率響應中激發更多的諧振。

因此，更改伺服環路時間或微分采樣時間（如果可以調整）是否有助噪聲的降低得到了很多人的關注和研究。降低伺服環路速度時，請確保重新調整PID參數。盡管P（比例）項可能會受影響，也可能不會受到影響，但I（整數）和D（微分）值肯定會受到影響，因為它們與時間有關。

使用Biquad濾波器改善系統

您可以嘗試使用幾種通用的濾波技術來更好地穩定控制回路，這將有助于降低零速運動時的噪聲。提供這種頻域濾波功能的大多數系統都使用雙二階濾波機制，因為它具有靈活性和可編程性。

可以對Biquads進行編程以構造各種濾波器類型，包括低通，陷波和帶通。根據您的設備狀況，這些濾波器可以幫助衰減特定的共振并使整個系統的響應線性化。

通常，這種特定的濾波器建立在系統分析的基礎上。這樣的分析設計涉及為系統中的一個或多個軸生成開環和閉環波特圖，從中可以識別出共振點或相位裕量處于邊際從而導致發生振蕩的區域。

隨著技術的不斷升級進步，運動控制供應商在其控制軟件產品中提供了成熟的調諧和分析工具， 近幾年使得機械/控制系統的分析(https://www.pmdcorp.com/resources/type/articles/get/mechanical-resonant-frequency-and-how-to-analyze-it-article)變得非常容易。

Figure 3: Biquad filter diagram

盡管Bode圖可以提供時間和空間方面的精確描述，但在離散采樣系統中解決噪聲問題時，不可避免地會手動對濾波器進行修補，以獲得最佳結果。

波特圖和其他傳統的伺服優化技術采用的是模擬系統，其中輸入和輸出值不斷變化。但是，數字系統會根據數字節拍器的節拍（采樣周期）調整其值，因此不能完美代表時域部分。因此，反復試驗將是減少或消除持續性噪聲的重要組成部分。

死區濾波器的未來

可以非常有效地減少噪聲的一種特殊類型的濾波器稱為死區濾波器。在電流回路中或位置回路中用于限制積分，該技術減少伺服回路中少量的位置誤差的調整，只需要進行較大的校正即可。這具有減少小的校正命令的數量的效果，從而減少了噪聲。

Figure 4: Deadband filter diagram

圖4顯示了死區濾波器的通用響應曲線，該曲線利用可編程的下限和上限來確定濾波器滯后的嚙合點和脫離點。如果最終在控制系統中使用了死區濾波器，請確保在系統在額定負載和可運行條件范圍內對其進行測試。要確保在您設計的機器的整個預期壽命和應用空間中，所設值都能達到預期的效果。

限制電流環

如果為了降低噪聲，已經完全剖析了位置伺服環路，但仍然有問題，那么應該考慮一下放大器及其電流環路。電流環路輸入所需的電動機電流，并在測量實際相電流時控制電機的電壓。電流回路的目標是使電機中的實際電流盡可能接近上一級位置回路（或是速度回路）的指令電流。

Figure 5: Example current loop and FOC (Field Oriented Control) commutation control flow

對于初學者來說，有時會因過大的電流環路而產生噪聲。電流環路如果電流突變，產生的電壓尖峰會導致電機像揚聲器一樣工作。線性電動機似乎對此特別敏感，這也許是因為其機械布局類似于一塊音板！

因此，如果您使用的是數字放大器，請嘗試降低電流環路增益，或者在控制級別可用的情況下，以較小的設置重新運行自動調諧器。

如果不確定，可以通過在電壓模式下運行放大器來關閉電流環路來快速確認電流環路診斷是否正確。并非所有放大器都允許使用此選項，并且如果這樣做，您可能必須重新調整位置環路以獲得可比較的結果，因為在啟用和未啟用電流環路的情況下，放大器的增益可能會有很大差異。

但是，如果聽到的聲音在關閉當前循環后安靜下來，則可以確認當前循環是一個問題。通過調整電流環路的PI（比例，積分）值，通常可以減少噪聲，同時保持良好的電機性能。

增加PWM頻率

有時電流環路調整很好，但是PWM（脈沖寬度調制）頻率對于被驅動電機的電感而言太低。電動機似乎正趨向于越來越低的電感。過去典型的小型電動機（例如NEMA 23）通常使用20 kHz的PWM頻率，但普遍存在著更小的電動機外形尺寸和超高加速度電動機，PWM頻率為40 kHz，80 kHz，甚至需要更高甚至更高才能正確控制電動機。

Figure 6: Current ripple

PWM頻率如何影響噪聲？答案是對于給定的電流命令，數字開關放大器以鋸齒形提供能量。增加PWM頻率可減小這種感應噪聲和發熱電流的幅度，并提高電流測量的精度。上圖顯示了20 kHz和40 kHz電流波形，鋸齒的確切形式將取決于電流指令和電機線圈電感。

當然，如果您是使用線性放大器而不是數字開關放大器的人，那么關于PWM的所有評論均不適用，因為這些放大器使用的是完全不同的方案，該方案不涉及指定頻率下的數字開/關切換。

請注意，由于數字放大器的開關頻率設置很高會增大“開關損耗”，效率會降低，因此頻率設定受到一定的限制。盡管如此，許多高性能電機驅動器可選開關速度為20 kHz至80 kHz，而專門用于驅動微型電機（小于NEMA 17）的放大器則更高。

另一個需要注意的領域是放大器使用哪種類型的電流檢測技術。用于三相無刷直流電動機和兩相步進電動機的放大器會不斷改變其相位，以測量電動機旋轉時的電流。這對于基于霍爾的換向或全步電動機驅動非常簡單，在步進電動機驅動中，流經每個支路的電流全部為正，零或全部為負。

但是對于諸如FOC（矢量控制）之類的正弦電流波形，會同時讀取多個電流數，然后通過算法將它們融合在一起，以確定通過每個電機線圈的瞬時電流。基本布線方案如圖7所示。

Figure 7: Brushless DC current control sensing diagram

這項技術的關鍵（稱為支路電流檢測）是通過驅動橋臂的下部開關直接測量電流，該開關直接接地。 一些測量電流的技術使用相位電流檢測，該技術還使用一個電阻來感測電流，但是該電流會隨電動機線圈的勵磁電壓而浮動，并使用附加電路僅隔離電流測量信號。 這是一種易于實施的技術，但在被測電流中往往會產生更多的噪聲。

因此，如果發現放大器電路不使用支路電流檢測，請考慮更改放大器類型而使用這種方法。 您應該會看到噪音和顫振會減少。

放大器檢查

如果以上電流和放大器相關建議均不能解決您的噪聲問題，那么可能是時候對放大器進行檢查了。

用電流探頭進行以下測試：

鎖定轉子并將正弦電流命令發送到放大器。使用電流探頭測量流過電動機各邊的實際電流。被測電流看起來是正弦波嗎？ 零電流交叉點處有奇怪的跳動嗎？ 電流波形在正弦波頂部是否變平（飽和）？ 所有這些都可能表明電流環路存在問題，或者放大器中的比例設置不正確。

如果所有其他方法都失敗了，但仍然懷疑當前回路有問題，請與電機供應商聯系，看看他們是否可以提供幫助。 他們可能會提供有關如何調整放大器或如何選擇產生較少噪聲的建議。

嘗試正弦換向或FOC（矢量控制）

除了位置伺服環和放大器，在應對伺服電機中的噪聲問題時，還有更多問題需要考慮。

采用傳統的“ 6步”控制換向的無刷直流電動機容易受到霍爾傳感器邊界處的噪聲的影響。 隨著電動機的旋轉，當進入每個新的霍爾狀態時，流經線圈的電流會突然變化，從而在電動機輸出轉矩中大約產生15％的不連續性。

Figure 8: Sinusoidal and trapezoidal commutation signals diagram

如果要求的最終位置恰好落在這樣的霍爾邊界上，則由于伺服控制器試圖在通過轉矩邊界上保持位置，這樣電動機可能變得不穩定。 伺服回路喜歡具有良好的比例響應曲線，而電機在這些邊界處的響應則無法達到。 通過位置編碼器使用正弦換向，該位置編碼器比霍爾傳感器具有更多的可分辨位置，可以通過以很小的增量推進換相相位角來解決此問題，從而消除了轉矩的大變化。

檢查機制

如果您已經徹底檢查了控制系統，則可能會發現機械系統設計的太死板而無法實現所需的性能水平。順應性及其二元非線性機械反沖是穩定運動控制的基礎。它們會導致機械軸過沖，振動并將高頻能量傳入機械裝置的其他部分，從而可能引起進一步的振蕩。

解決該問題的一種方法是用直接驅動馬達代替驅動齒輪和皮帶輪的旋轉馬達。通過簡化或消除機械聯動，系統變得更硬，從而使其更不易于振蕩。

但是，并非每種應用都能承受直接驅動電機的成本，因此，與其投入直接驅動電機，不如提高滾珠絲杠質量，更好的聯軸器和更堅固的框架，或做一些重量從新分配等。

希望本文為解決噪聲問題提供了一些有用的建議。