伺服電機(jī)噪音

每個(gè)從事運(yùn)動(dòng)控制的人都有一些自己的故事，電機(jī)神秘地停轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)不停的振動(dòng)等等。我們有個(gè)系列著重討論您可能會遇到的運(yùn)動(dòng)控制問題，圍繞伺服電動(dòng)機(jī)噪聲的深入探討是該系列的一部分。同時(shí)我們提供了一些參考的方法給到設(shè)計(jì)者，可以在設(shè)計(jì)和開發(fā)項(xiàng)中借鑒！

作者：Chick Lewin

PMD (www.pmdcorp.com)公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官

文章轉(zhuǎn)載自PMD官網(wǎng)（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(jī)的噪音解決方案參考

噪聲可能是工程師在設(shè)計(jì)構(gòu)造直流有刷或無刷直流電機(jī)的設(shè)備時(shí)遇到的最常見的運(yùn)動(dòng)問題。這不僅令人討厭，而且會導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損增加。盡管在每種情況下聲音特性可能都不同，但當(dāng)伺服電機(jī)處于保持位置和移動(dòng)時(shí)都可能出現(xiàn)問題。事實(shí)證明，這個(gè)常見的運(yùn)動(dòng)問題可能來自多個(gè)領(lǐng)域，因此可以有許多解決方案，我們一起探討一下。

PID 調(diào)整

使用伺服回路控制電機(jī)位置主要由調(diào)整參數(shù)設(shè)置決定。廣受歡迎方法是PID（比例，積分，微分）循環(huán)來控制系統(tǒng)。 關(guān)于如何調(diào)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(dòng)調(diào)整軟件來確定其PID參數(shù)。 可以使用自動(dòng)調(diào)諧器來生成最終參數(shù)，也可以使用更好的方式來生成一組初始值，然后進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

有關(guān)伺服環(huán)路調(diào)整的完整論述不在本文討論范圍之內(nèi)，但是您可以確認(rèn)有兩個(gè)快速調(diào)整特性，以確保您的系統(tǒng)至少處于正常運(yùn)行狀態(tài)。 首先是檢查系統(tǒng)輸出是否臨界阻尼， 而不是過度阻尼或欠阻尼。

這些術(shù)語有精確的數(shù)學(xué)定義，但最主要目的是獲得所需響應(yīng)的一般形式（臨界阻尼）。如果輸出的響應(yīng)不是系統(tǒng)需要的，則可以調(diào)整設(shè)置。 既可以調(diào)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(shù)生成的。要求電機(jī)軸瞬時(shí)向前或向后跳一小段距離，然后繪制實(shí)際電動(dòng)機(jī)位置的結(jié)果響應(yīng)。幾乎所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商都提供步進(jìn)功能調(diào)諧控制功能。

如果您能在系統(tǒng)上生成Bode圖，那么還可以看到控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的另外兩種重要參數(shù)：相位裕量和增益裕量。大多數(shù)系統(tǒng)希望40度或更高的相位裕量，以及10 dB或更高的增益裕量?？刂苹芈贩€(wěn)定性越接近邊界，則系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)或保持位置時(shí)，往往會發(fā)生振蕩并產(chǎn)生更多的噪聲。因此，具有良好穩(wěn)定性特征的系統(tǒng)是安靜運(yùn)行的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

降低微分參數(shù)

如果使用PID控制器，微分項(xiàng)的高數(shù)值會導(dǎo)致電機(jī)顫動(dòng)，在極端情況下，聽起來像是一袋滾珠在運(yùn)動(dòng)。嘗試結(jié)合調(diào)整比例和微分參數(shù)以減少噪聲。

如果噪聲消失了，但性能有所降低，也許是因?yàn)橄到y(tǒng)現(xiàn)已變得欠阻尼，請考慮使用兩組伺服參數(shù)（一個(gè)有效參數(shù)組和一個(gè)保持參數(shù)組）來分別控制。許多應(yīng)用程序在運(yùn)動(dòng)過程中會產(chǎn)生一點(diǎn)噪音，但在保持位置時(shí)需要保持安靜。使用溫和安靜的夾持裝置可能是一個(gè)很好的解決方案，因?yàn)樗欧魍ǔ２恍枰龊艽蟮墓ψ骶涂梢詫⑤S保持在同一位置。

嘗試不同的采樣時(shí)間

另一個(gè)與伺服相關(guān)的領(lǐng)域是環(huán)路速度。數(shù)字伺服系統(tǒng)傾向于以很高的伺服環(huán)路速率運(yùn)行，在一般應(yīng)用中卻不需要。更高的伺服環(huán)路速率可以在系統(tǒng)的頻率響應(yīng)中激發(fā)更多的諧振。

因此，更改伺服環(huán)路時(shí)間或微分采樣時(shí)間（如果可以調(diào)整）是否有助噪聲的降低得到了很多人的關(guān)注和研究。降低伺服環(huán)路速度時(shí)，請確保重新調(diào)整PID參數(shù)。盡管P（比例）項(xiàng)可能會受影響，也可能不會受到影響，但I（整數(shù)）和D（微分）值肯定會受到影響，因?yàn)樗鼈兣c時(shí)間有關(guān)。

使用Biquad濾波器改善系統(tǒng)

您可以嘗試使用幾種通用的濾波技術(shù)來更好地穩(wěn)定控制回路，這將有助于降低零速運(yùn)動(dòng)時(shí)的噪聲。提供這種頻域?yàn)V波功能的大多數(shù)系統(tǒng)都使用雙二階濾波機(jī)制，因?yàn)樗哂徐`活性和可編程性。

可以對Biquads進(jìn)行編程以構(gòu)造各種濾波器類型，包括低通，陷波和帶通。根據(jù)您的設(shè)備狀況，這些濾波器可以幫助衰減特定的共振并使整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)線性化。

通常，這種特定的濾波器建立在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上。這樣的分析設(shè)計(jì)涉及為系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)軸生成開環(huán)和閉環(huán)波特圖，從中可以識別出共振點(diǎn)或相位裕量處于邊際從而導(dǎo)致發(fā)生振蕩的區(qū)域。

隨著技術(shù)的不斷升級進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)控制供應(yīng)商在其控制軟件產(chǎn)品中提供了成熟的調(diào)諧和分析工具， 近幾年使得機(jī)械/控制系統(tǒng)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(shí)間和空間方面的精確描述，但在離散采樣系統(tǒng)中解決噪聲問題時(shí)，不可避免地會手動(dòng)對濾波器進(jìn)行修補(bǔ)，以獲得最佳結(jié)果。

波特圖和其他傳統(tǒng)的伺服優(yōu)化技術(shù)采用的是模擬系統(tǒng)，其中輸入和輸出值不斷變化。但是，數(shù)字系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)字節(jié)拍器的節(jié)拍（采樣周期）調(diào)整其值，因此不能完美代表時(shí)域部分。因此，反復(fù)試驗(yàn)將是減少或消除持續(xù)性噪聲的重要組成部分。

死區(qū)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(qū)濾波器。在電流回路中或位置回路中用于限制積分，該技術(shù)減少伺服回路中少量的位置誤差的調(diào)整，只需要進(jìn)行較大的校正即可。這具有減少小的校正命令的數(shù)量的效果，從而減少了噪聲。

Figure 4: Deadband filter diagram

圖4顯示了死區(qū)濾波器的通用響應(yīng)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(diǎn)和脫離點(diǎn)。如果最終在控制系統(tǒng)中使用了死區(qū)濾波器，請確保在系統(tǒng)在額定負(fù)載和可運(yùn)行條件范圍內(nèi)對其進(jìn)行測試。要確保在您設(shè)計(jì)的機(jī)器的整個(gè)預(yù)期壽命和應(yīng)用空間中，所設(shè)值都能達(dá)到預(yù)期的效果。

限制電流環(huán)

如果為了降低噪聲，已經(jīng)完全剖析了位置伺服環(huán)路，但仍然有問題，那么應(yīng)該考慮一下放大器及其電流環(huán)路。電流環(huán)路輸入所需的電動(dòng)機(jī)電流，并在測量實(shí)際相電流時(shí)控制電機(jī)的電壓。電流回路的目標(biāo)是使電機(jī)中的實(shí)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(xué)者來說，有時(shí)會因過大的電流環(huán)路而產(chǎn)生噪聲。電流環(huán)路如果電流突變，產(chǎn)生的電壓尖峰會導(dǎo)致電機(jī)像揚(yáng)聲器一樣工作。線性電動(dòng)機(jī)似乎對此特別敏感，這也許是因?yàn)槠錂C(jī)械布局類似于一塊音板！

因此，如果您使用的是數(shù)字放大器，請嘗試降低電流環(huán)路增益，或者在控制級別可用的情況下，以較小的設(shè)置重新運(yùn)行自動(dòng)調(diào)諧器。

如果不確定，可以通過在電壓模式下運(yùn)行放大器來關(guān)閉電流環(huán)路來快速確認(rèn)電流環(huán)路診斷是否正確。并非所有放大器都允許使用此選項(xiàng)，并且如果這樣做，您可能必須重新調(diào)整位置環(huán)路以獲得可比較的結(jié)果，因?yàn)樵趩⒂煤臀磫⒂秒娏鳝h(huán)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(guān)閉當(dāng)前循環(huán)后安靜下來，則可以確認(rèn)當(dāng)前循環(huán)是一個(gè)問題。通過調(diào)整電流環(huán)路的PI（比例，積分）值，通?？梢詼p少噪聲，同時(shí)保持良好的電機(jī)性能。

增加PWM頻率

有時(shí)電流環(huán)路調(diào)整很好，但是PWM（脈沖寬度調(diào)制）頻率對于被驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電感而言太低。電動(dòng)機(jī)似乎正趨向于越來越低的電感。過去典型的小型電動(dòng)機(jī)（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(dòng)機(jī)外形尺寸和超高加速度電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)。

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(shù)字開關(guān)放大器以鋸齒形提供能量。增加PWM頻率可減小這種感應(yīng)噪聲和發(fā)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(jī)線圈電感。

當(dāng)然，如果您是使用線性放大器而不是數(shù)字開關(guān)放大器的人，那么關(guān)于PWM的所有評論均不適用，因?yàn)檫@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(shù)字開/關(guān)切換。

請注意，由于數(shù)字放大器的開關(guān)頻率設(shè)置很高會增大“開關(guān)損耗”，效率會降低，因此頻率設(shè)定受到一定的限制。盡管如此，許多高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可選開關(guān)速度為20 kHz至80 kHz，而專門用于驅(qū)動(dòng)微型電機(jī)（小于NEMA 17）的放大器則更高。

另一個(gè)需要注意的領(lǐng)域是放大器使用哪種類型的電流檢測技術(shù)。用于三相無刷直流電動(dòng)機(jī)和兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的放大器會不斷改變其相位，以測量電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的電流。這對于基于霍爾的換向或全步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)非常簡單，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，流經(jīng)每個(gè)支路的電流全部為正，零或全部為負(fù)。

但是對于諸如FOC（矢量控制）之類的正弦電流波形，會同時(shí)讀取多個(gè)電流數(shù)，然后通過算法將它們?nèi)诤显谝黄?，以確定通過每個(gè)電機(jī)線圈的瞬時(shí)電流?；静季€方案如圖7所示。

Figure 7: Brushless DC current control sensing diagram

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵（稱為支路電流檢測）是通過驅(qū)動(dòng)橋臂的下部開關(guān)直接測量電流，該開關(guān)直接接地。 一些測量電流的技術(shù)使用相位電流檢測，該技術(shù)還使用一個(gè)電阻來感測電流，但是該電流會隨電動(dòng)機(jī)線圈的勵(lì)磁電壓而浮動(dòng)，并使用附加電路僅隔離電流測量信號。 這是一種易于實(shí)施的技術(shù)，但在被測電流中往往會產(chǎn)生更多的噪聲。

因此，如果發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(guān)建議均不能解決您的噪聲問題，那么可能是時(shí)候?qū)Ψ糯笃鬟M(jìn)行檢查了。

用電流探頭進(jìn)行以下測試：

鎖定轉(zhuǎn)子并將正弦電流命令發(fā)送到放大器。使用電流探頭測量流過電動(dòng)機(jī)各邊的實(shí)際電流。被測電流看起來是正弦波嗎？ 零電流交叉點(diǎn)處有奇怪的跳動(dòng)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(huán)路存在問題，或者放大器中的比例設(shè)置不正確。

如果所有其他方法都失敗了，但仍然懷疑當(dāng)前回路有問題，請與電機(jī)供應(yīng)商聯(lián)系，看看他們是否可以提供幫助。 他們可能會提供有關(guān)如何調(diào)整放大器或如何選擇產(chǎn)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(huán)和放大器，在應(yīng)對伺服電機(jī)中的噪聲問題時(shí)，還有更多問題需要考慮。

采用傳統(tǒng)的“ 6步”控制換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)容易受到霍爾傳感器邊界處的噪聲的影響。 隨著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)進(jìn)入每個(gè)新的霍爾狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)線圈的電流會突然變化，從而在電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中大約產(chǎn)生15％的不連續(xù)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(zhuǎn)矩邊界上保持位置，這樣電動(dòng)機(jī)可能變得不穩(wěn)定。 伺服回路喜歡具有良好的比例響應(yīng)曲線，而電機(jī)在這些邊界處的響應(yīng)則無法達(dá)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(jìn)換相相位角來解決此問題，從而消除了轉(zhuǎn)矩的大變化。

檢查機(jī)制

如果您已經(jīng)徹底檢查了控制系統(tǒng)，則可能會發(fā)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太死板而無法實(shí)現(xiàn)所需的性能水平。順應(yīng)性及其二元非線性機(jī)械反沖是穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。它們會導(dǎo)致機(jī)械軸過沖，振動(dòng)并將高頻能量傳入機(jī)械裝置的其他部分，從而可能引起進(jìn)一步的振蕩。

解決該問題的一種方法是用直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)代替驅(qū)動(dòng)齒輪和皮帶輪的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。通過簡化或消除機(jī)械聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)變得更硬，從而使其更不易于振蕩。

但是，并非每種應(yīng)用都能承受直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的成本，因此，與其投入直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不如提高滾珠絲杠質(zhì)量，更好的聯(lián)軸器和更堅(jiān)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。