频率响应振动抑制增益调整

频率响应原理

1．简介：

在伺服调试过程中，会经常用到频率响应曲线，特别是振动抑制，电流环HRV，HRV 过滤器等，甚至评价机械刚性的高低都是采用该曲线进行分析，在所有的介绍[SERVO GUIDE]的资料中，几乎每个调试步骤中都可能用到频率响应曲线（波形）。可以说，不会使用频率响应曲线就不能正确的进行伺服参数的调整（当然不包括基本参数的设定），以及在一些介绍有关高速高精度参数的调整中也会有应用。分析好了该曲线，进行伺服调试就会得心应手。所以，在进行伺服系统调试时应该了解一下伺服控制中频率响应的基本原理。

2．信号采集：

`从下面的控制框图中获得

上述框图中,将输入信号和输入信号取出如下。

幅度变化

相位变化

由于增益的大小不同，输出信号幅度和相位随着频率的增高，发生相应的变化，产生衰减或迟后，或者由于共振产生突然变大。

3． 幅频和相频特性曲线

１．根据上述的曲线，将输入信号和输出信号的幅度比较，按下面公式计算：

输出信号幅度

幅度频率响应＝２0Log 10 （dB)

输入信号幅度

如果输出信号幅度＝输入信号幅度，则，GAIN=0dB 。

将频率作为横坐标，幅度作为纵坐标，画出幅－频响应曲线如下：

(dB)

２．同样，将输入信号和输出信号的相位进行比较。

计算公式如下：

输出信号相位

相位频率响应＝２0Log 10 （deg ）

输入信号相位

如果输出信号幅度＝输入信号幅度，则，GAIN=0deg 。画出幅－频响应曲线如下：

4． 实际机床的幅频和相频特性

在伺服控制中，伺服增益（V-GAIN ）一般为PK1V 和PK2V ，对应的参数如下： PK1V=NO.2043 * ((256+NO2021)/256)

PK2V= NO.2044* ((256+NO2021)/256)

VG= ((256+NO.2021)/256)*100%

PK1V=NO.2043* VG

PK2V=NO.2044*VG

在调整时，只要改变VG(NO.2021 对应，在伺服调整画面的V GAIN数值)的数就可以了，在后面的说明中，如果没有特别说明，所提到的伺服增益都是指这个VG。

在实际机床频率响应特性测试中，所得的结果一般如下所示：

(dB)

(dB)

从上述图中，可看到，增益提高后，使曲线往上移动，在实际调试中，也是尽量使增益提高，但提高增益后，会产生振动，如上述的黑色曲线，发生振动有两个条件：１．GAIN>0

２．Phase<-180

即同时满足两个条件，幅频超过０，相频低于－180。

5．调整要点

对于０iB系列如果没有选择伺服软件90B0，调试只能通过手动进行，即在［伺服调试指南］中的［工具］中选择［频率响应特性］，自动测量得到各轴的幅频，相频曲线（如３中图形），手动调整，然后再测量获得曲线，再调整，直到满意为止。

对于０iB选择了90B0软件，或者０iC系列，可以采用和上述同样的方法调整，还可以使用频率响应自动导航器自动调整。但自动调整后，最好再手动调整一次，以便得到最佳结果。

在调整时，重点要注意两点：

第一，尽量提高落点频率（要大于200Hz）。落点频率增加，就扩大了响应带宽，主要是通过提高VG(后面介绍几种提高的方法)来达到。

第二，消除共振点。（使用HRV过滤器，如果没有该功能，使用TCMD过滤器）。

调整的最终结果要保证频率响应曲线符合以下四点：

１．响应带宽内，增益水平不要超过10dB。

２．共振点处的增益水平要在-10dB以下。

３．在1000Hz附近的增益水平要在-20dB以下。如下图所示：

４．响应带宽接近200Hz。

在［伺服调整指南］软件中，实际的图形如下所示：

图１：通过提高速度增益来提高响应带宽

图二：通过增加HRV滤波器来抑制共振。

6．附录1：有关机床固有响应频率

以上所介绍的都是假定在半闭环的情况下进行的，频率响应曲线是通过速度环取得的，但是基本上能反映负载侧的机械特性的好坏。如果机床使用全闭环控制系统，如下图所示：

由于位置反馈使用的是线性刻度尺，在位置闭环的内部还包括了机械传动机构，所以，必须考虑整个闭环回路的固有频率响应。

由以下公式计算固有频率：

W=

其中，W ： 固有频率（Hz ）

JL ：折算到电机轴的负载惯量

KM ：机械系统的刚性

KM=在机床工作台完全夹紧的情况下，在电机轴端，使弹性变形量为1（rad ）

所需要的转矩。

上述公式中可以看出，机械刚性越高，固有频率会越高，负载惯量越小，固有频率会越高，也就是响应带宽会越高，而在前面的部分（5）提到，尽量提高响应频率带宽，所以，必须提高机械系统的刚性，并尽量减小负载的惯量。

一般位置增益的设定必须满足下面的条件：

PG(s -1) < W(Hz)

否则，机床就会产生震动，解决的办法就是后面介绍的机械速度反馈和双位置反馈，采用这些机能的本质就是将位置环分成半闭环和全闭环综合考虑，是不得以而为之的办法，等于降低了位置增益。我们知道，提高增益是为了减小跟随误差，而使用机械速度反馈和双位置反馈会增大了跟随误差，结果一样，都是符合上述公式。所以在使用全闭环控制时，一定要提高机械系统的刚性。

7． 附录2：有关频率响应曲线原理

在[伺服向导]的图形窗口中，选择工具（TOOL ）中的[频率响应]，选择要测量的轴，然后按启动，系统就会自动输入外乱TCMD 只指令，频率从10HZ-1000HZ,具体参数在打开[详细]菜单，里面能看到，其对应的关系如下：

１．N2326：输入TCMD 放大倍数，标准设定为1000。

２．N2327：输入的外乱波形最小频率，标准设定为10（HZ ）。

３．N2328：输入的外乱波形最大频率，标准设定为1000（HZ ）。

４．N2329：同一频率的波形输入的次数，标准设定为0（3次）。

５．2270#7：启动频率响应测试程序。由0 -〉1 -〉0变化。

[伺服向导]采集完数据（TCMD,FRTCMD,FREQ ）后，自动变成[BODE PLOT]方式显示出频率响应曲线。