如何修复伺服电机噪音

在运动控制中工作的每个人都有战争故事;成为机器停止工作的机器或不会停止振动的电机。这种深度潜水围绕伺服电机噪声是一个系列的一部分，专注于动作控制问题，您可能遇到并提供一些弹药来打击良好的战斗，并将您的机器设计和开发项目恢复轨道！

我的伺服马达噪音很大

嘈杂或喋喋不休的伺服轴是工程师在构建直流刷或无刷直流电机的机器时遇到的最常见的运动问题之一。这不仅令人讨厌，而且可能导致电机和下游机制上的磨损增加。当伺服电机保持位置时，并且当它移动时，可能发生问题 - 尽管对于这些条件中的每一个来说，声音特性可能不同。

事实证明，这种常见的运动问题可以来自许多领域，因此可以有多种解决方案，所以让我们开始吧!

调整你的PID

使用伺服循环控制电机位置的系统的行为由调谐参数的设置主导。大多数工程师使用常流PID（比例，积分，衍生的）循环来控制其系统，并且写得很多关于如何调整PID的曲线，包括一些文章性能运动设备(PMD)。下图显示了典型位置PID环路的控制流程。

越来越多的工程师使用自动调整软件来确定他们的PID参数。您可以使用自动调优器生成最终参数，或者更好地生成一组初始值，然后对其进行进一步调整和优化。

关于伺服回路调优的完整论述超出了本文的范围，但是您可以确认两个快速调优特性，以确保您的系统至少在这个范围内。第一个是检查你的轴是严格阻尼的，而不是过阻尼或欠阻尼的。

虽然这些条款有精确的数学定义，但主要的是要熟悉所需的响应的一般形式（批判性地阻尼），并根据您所看到的清​​楚的形式之一，调整您的设置想要（被拒绝或过度调整）。

注意，使用步骤函数轨迹配置文件生成上述曲线。要求轴瞬间向前或向后跳距离，然后绘制实际电机位置的所得到的响应。几乎所有运动系统供应商都提供了逐步函数分析能力，作为调整控制软件的一部分。

如果您有能力在您的系统上生成波德图，那么您还应该关注控制系统稳定性的另外两个措施;相位裕度和增益裕度。大多数系统希望相位裕度为40度或更高，增益裕度为10分贝或更高。控制回路的稳定性越接近边界，系统在运动或仅仅保持位置时就越容易出现振荡和产生噪声。因此，具有良好稳定性的系统是实现运动系统平稳运行的坚实基础。

降低衍生项

如果使用PID控制器，则衍生术语的高值倾向于使电动机颤动，并且在极端情况下，声音就像一袋滚珠轴承。尝试将衍生术语与比例增益结合使用以降低噪音。

如果噪声消失了，但性能不再是你想要的，也许因为系统现在变得欠阻尼，考虑使用两组伺服参数，一个主动组和一个保持组。许多应用程序在运动中有一点噪音是没问题的，但需要保持安静的位置。使用一个较低的侵略性，安静的保持设置可能是一个很好的解决方案，因为伺服通常不需要做很多工作保持轴在相同的位置。

尝试不同的采样时间

另一种与之看的伺服相关区域是循环速度。数字伺服系统倾向于以非常高的伺服环速率运行，其中大部分在平均应用中不需要。较高的伺服环速率可以在系统的频率响应曲线中激发更多的共振。

因此，调查是否改变伺服循环时间，或者如果可以调整衍生采样时间，有助于听到可听噪声。降低伺服循环速率时，请确保重新调整PID参数。虽然p（比例）术语可以或可能不会受到影响，但是i（积分）和d（衍生）值肯定会依赖于时间。

用替代品保存你的系统

有一些通用的过滤技术，你可以尝试更好地稳定控制回路，这应该有助于降低噪声在零速度和同时移动。大多数系统提供这样的频域滤波能力使用双四路滤波器机制，因为它是灵活的和可编程的。

双四路可编程构造多种滤波器类型，包括低通、陷波和带通。根据所发生的机器的力学，这些滤波器可以帮助衰减特定的共振和线性化整个系统响应。

通常，这种特定于应用程序的过滤建立在系统分析会话的基础上。这样的过程包括为系统中的一个或多个轴生成开环和闭环波德图，从中您应该能够识别谐振点或相位裕度处于边缘的区域，从而导致振荡的趋势。

虽然不适合胆小的人，机械/控制系统分析例如，由于运动控制供应商包括具有他们的控制器的锻炼软件产品的复杂调谐和分析工具，因此在过去几年中变得更容易。

尽管波德图似乎可以提供对时间和空间的掌握，但当在离散时间采样系统中与噪声问题作斗争时，你将不可避免地对滤波器进行一些手工修改以获得最佳结果。

BODE PLOTE和其他传统伺服优化技术假设模拟系统，其中输入和输出值连续变化。然而，数字系统将其值调整为数字节拍器（样本期）的节拍，因此不是现实世界的完美代表。因此，更频繁的是，试验和错误将是减少或消除持续噪音挑战的重要组成部分。

未来有死亡带吗？

一种特殊类型的过滤器，可以在减少噪声时非常有效地称为死区滤波器。在电流回路中用于限制积分，或位置循环，该技术告诉伺服循环不担心少量的卷绕，或少量的位置误差，并仅启动更大的校正。这具有减少小型校正命令的数量的效果，从而降低了噪声。

如果您最终在控制系统中使用死带滤波器，请确保您在系统将经历的负载和操作条件范围内测试它。您需要确保应用值在您正在设计的机器的整个预计生命周期和应用空间内达到预期的效果。

抑制你当前的循环

如果，在你的追求更低的噪音，你已经完全解剖位置伺服回路，但仍然有问题，它可能是时候看看放大器和它的电流回路。电流回路输入所需的电机电流并控制电压到电机，同时测量电机支腿中的实际电流。电流回路的目标是使电机中的实际电流尽可能接近来自上游位置回路(或有时速度回路)的命令电流。

对于启动器，有时噪声是从过于激进的电流循环产生的。电流回路是电磁橡胶击中道路的位置，并且送到电机的电压中的大尖峰可以使电机充当扬声器。线性电机似乎对此特别敏感，也许是因为他们的机械布局类似于发声板！

因此，如果您使用的是数字放大器，请尝试降低当前循环增益，或者如果可用级别可用，则重新运行具有更少激进的设置的自动调谐器。

如果不确定，可以通过在电压模式下运行放大器来确认过度活跃的电流回路诊断的快速检查是关闭电流环路。并非所有放大器都允许此选项，如果他们这样做，您可能必须重新定位位置循环以获得可比的整体结果，因为放大器增益可能与启用的电流循环非常不同。

但是，如果您听到的喋喋不休，请在关闭当前循环时保持安静，您已确认当前循环是一个问题。通过调整电流循环的PI（比例，积分）值，您通常可以降低噪音，同时保持良好的电动机性能。

增加PWM频率

有时电流环路调谐很好，但PWM(脉宽调制)频率对被驱动的电机的电感来说太低。现代电机的电感似乎越来越低。过去,一个PWM 20 kHz的频率可能是常见的一个典型的小电机如NEMA 23,但是更小的运动形式的流行因素和超高加速电机PWM频率40 kHz, 80 kHz,甚至更高通常需要正确地控制电机。

PWM频率如何影响噪声?答案是数字开关放大器以给定电流命令的锯齿图案中的外来能量。增加PWM频率降低了该噪声诱导和发热电流的大小，并提高了电流测量的精度。上图显示了相当于20和40kHz电流波形，尽管锯齿的精确形式取决于电流指令和电动线圈电感。

当然，如果您是使用线性放大器而不是数字交换放大器的稀有人，则这些评论都没有应用，因为这些放大器使用完全不同的方案，该方案不涉及指定频率的数字开/关切换。

请注意，PWM频率可以设置多高是有实际限制的，因为由于“开关损耗”现象，开关速度设置得越高，数字放大器就会失去效率。然而，许多高性能的电机放大器提供可选择的开关速度从20 kHz到80 kHz，和放大器专门驱动微型电机(小于NEMA 17)甚至更高。

腿部秀

要注意的另一个区域是您的放大器使用类型的电流感知技术。三相无刷直流电动机的花式放大器和两相步骤电机连续地改变它们从电机旋转时测量电流的相位。对于霍尔的换向，或者对于全步电机驱动，这非常简单，或者电流流过每条腿的电流是均为正，零或所有负面的。

但对于具有技术的窦电流波形，如FOC（现场导向控制），多个电流读数在同一时间，然后通过算法缝合在一起，以确定通过每个电机线圈的瞬时电流。

这种技术称为腿电流检测的关键是通过直接连接到地的桥接底部开关来测量电流。用于测量电流使用相位的电流检测的一些技术，该电流检测器还使用滴电阻来感测电流，但是用电机线圈激励电压漂浮，并使用附加电路仅隔离电流测量信号。这是一种技术，虽然易于实现，但在测量的电流中倾向于具有更多噪声。

因此，如果您发现放大器电路不使用腿电流检测，请考虑更改放大器供应商或放大器类型以升级到这种方法。你应该看到噪音和喋喋不休的形式的好处。

检查你的放大器的健康状况

如果以上电流和放大器相关的建议都不能解决您的噪声问题，那么可能是时候对您的放大器做一个健康检查了。

抓取电流探头并尝试此测试：锁定转子并向放大器发送正弦电流命令。使用电流探头测量电机的每个腿的实际电流。测量的电流看起来是正弦的吗?在零电流交叉点有奇怪的跳跃吗?电流波形在正弦波的顶部变平(饱和)了吗?所有这些都可能表明电流循环的问题，或放大器中的缩放设置不当。

如果所有这些都失败了，但你仍然怀疑当前的循环，与你的电机供应商谈谈，看看他们是否可以帮助。他们可能会提供关于如何调整放大器的建议，或者如何选择产生更少噪音的替代模型。

尝试正弦整流或FOC(场定向控制)

移动超过位置伺服环路和放大器，在伺服电机中对抗噪声问题时仍有更多问题。

用传统的“6步”控制换向的无刷直流电动机在霍尔传感器边界处易受噪声的影响。当电动机旋转时，在进入每个新的霍尔状态时，流过线圈的电流突然变化，在电动机输出扭矩中注入大约15％的不连续性。

如果您要求的最终位置恰好落在这样的霍尔边界，电机可能变得不稳定，因为伺服控制器试图保持位置跨越这个突变转矩边界。伺服回路喜欢有漂亮的，比例响应曲线，而电机的响应在这些边界是什么都不是。利用带有位置编码器的正弦换相，该编码器比霍尔传感器具有更多的可分辨位置，通过以很小的增量推进换相相角来解决这个问题，消除了转矩的大变化。

看看机械师

如果你已经彻底检查了控制系统，你可能会发现机械系统太顺从了，不能在你想要的性能水平上操作。柔度和它的二元非线性近亲机械间隙是稳定运动控制的诅咒。它们导致机械轴超调和振荡，并将高频能量注入力学的其他部分，从而导致进一步的振荡。

这个问题的一个解决方案是更换驱动齿轮和皮带轮的旋转电机，直接驱动电动机。通过简化或消除机械连接，系统变得更加致电，这使得振荡不太容易。

但并非每个应用都可以支持直接驱动电机的成本，而不是潜水一路进入直接驱动电机，可能是您的机器只需要下一液位的滚珠丝杠质量，更好的耦合，更加严格的框架或一些重量再分布。

概括

我们可以类比一句老话:如果你真的想成为某一学科的专家，那就去教授它。同样，如果你真的想了解你的机器，修理它。希望本文为您提供了一些有用的建议。

故事的寓意是，最终，没有什么比诊断和解决现实世界的问题，以扩大你的知识，并让您在道路上成为使用运动控制的机器设计的专家。

作者:Chuck Lewin, Performance Motion Devices, Inc.的CEO和创始人。