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　　伺服的減振控制是一種用于降低機械系統振動的技術，它通過在伺服系統中引入控制策略和裝置，來減少振動的幅度和頻率，從而提高系統的穩定性、精度和效率。本文將深入探討伺服減振控制的原理、方法和應用，并介紹富士電機ALPHA7S伺服系統在該領域的應用。

　　文/富士電機(中國)有限公司 仲儒青

　　1 引言

　　1.1 研究背景和意義

　　伺服系統在工業生產和自動化控制中扮演著至關重要的角色，然而，由于機械系統的慣性、剛度和質量分布等因素，振動問題往往會影響到系統的性能和穩定性。因此，開發有效的伺服減振控制技術對于提高系統的運行效率和質量具有重要意義。

　　1.2 伺服系統產生機械振動的原因

　　伺服系統產生機械振動的原因可以歸結為以下幾個方面：

　　l 慣性效應：機械系統中的部件由于具有一定的質量和慣性，當受到外部力或控制信號的作用時，會產生慣性反應而引起振動。例如，當伺服電機突然啟動或停止時，其慣性會導致系統振動;

　　l 剛性不足：機械系統中的零部件在運動過程中可能存在剛度不足的情況，即受力后無法立即保持穩定的結構形態，從而導致振動。例如，機械結構中的材料強度不足或連接件松動等情況;

　　l 外部擾動：外部環境的振動、沖擊或風載荷等擾動會影響到機械系統的運動穩定性，進而引起振動。例如，工廠地面的震動、設備的不平衡等;

　　l 控制系統失效：控制系統中的參數設置不當、控制算法設計不合理或控制器故障等原因，都可能導致伺服系統無法有效地抑制振動，反而加劇振動的產生;

　　l 共振現象：當機械系統的固有頻率與外部激勵頻率接近時，就會發生共振現象，進而導致振幅急劇增大，嚴重影響系統的穩定性和性能。

　　綜上所述，伺服系統產生機械振動的原因涉及慣性效應、剛度不足、外部擾動、控制系統失效和共振現象等多個方面，需要通過合適的控制策略和裝置來抑制振動，提高系統的穩定性和精度。

　　本文將首先介紹伺服減振控制的基本原理和技術手段，然后詳細討論幾種常見的伺服減振控制方法，并探討其在不同領域的應用情況和未來發展方向。

　　圖1富士電機ALPHA7S伺服系統

　　2 伺服系統減振控制方法

　　2.1伺服系統消除抑制振動的控制及方法

　　(1)通過對系統進行頻率響應分析，識別可能引起諧振的頻率，并設定陷波濾波器來抑制振動。

　　陷波濾波器是一種常用于抑制特定頻率振動的濾波器。在機械系統中，如果存在共振頻率，陷波濾波器可以被用來衰減這些頻率上的振動。其原理是通過引入一個帶阻帶通濾波器，將共振頻率附近的信號衰減掉，從而減少振動。

　　在使用陷波濾波器抑制機械共振時，需要對系統進行頻率分析，確定共振頻率。然后設計一個陷波濾波器，將共振頻率置于其帶阻帶通范圍內。這樣，當共振頻率的信號傳遞到陷波濾波器時，它會被濾波器抑制掉，從而減少振動效應。

　　需要注意的是，陷波濾波器的設計和調試需要一定的專業知識和經驗，以確保其在系統中的有效性和穩定性。

　　(2)設定反諧振頻率是振動控制中采取的一種特定方法，通常用于諧振頻率附近的振動抑制。這種方法實際上是一種振動補償控制的變體，其核心思想是通過在系統中引入一個與振動頻率相反的控制信號來抵消振動。

　　具體來說，設定反諧振頻率通常包括以下幾個步驟：

　　l 振動檢測：使用振動傳感器或其他傳感器實時檢測系統的振動信號;

　　l 信號處理: 對檢測到的振動信號進行處理，提取出系統中存在的諧振頻率及其相位信息;

　　l 控制策略設計：設計一個控制策略，產生一個與振動信號相反的控制信號，且頻率與諧振頻率相同，但相位相反;

　　l 控制輸入調整: 將生成的反諧振控制信號應用于系統中，以實現對振動的抑制。通常通過調節伺服電機的電流或位置來實現;

　　l 實時調整: 根據系統的實時響應和振動信號的變化，實時調整反諧振控制信號，以保持系統的穩定性和抑制振動效果。

　　設定反諧振頻率方法的目標是通過引入相位相反的控制信號來抵消系統中的振動，從而有效地抑制振動。

　　(3)通過增益、帶寬和響應時間來優化控制參數是常用的方法之一。這些參數通常用于調節PID控制器或其他控制算法中的相關參數，例如：

　　l 增益(Gain): 增益參數決定了控制器輸出與系統誤差之間的線性關系，增益越大，控制器對系統的響應越敏感，但如果增益過大，可能會引起系統的振蕩或不穩定，因此，通過逐步增大或減小增益參數，并觀察系統響應，來確定最佳的增益值;

　　l 帶寬(Bandwidth): 帶寬是指控制器的頻率響應范圍，即控制器對輸入信號的快速變化能力，增加帶寬可以加快控制器對系統變化的響應速度，但如果帶寬過大，可能會導致系統的不穩定，因此，需要根據系統動態特性和性能要求來調整帶寬參數;

　　l 響應時間(Response Time): 響應時間是指控制系統從接收到指令到實際響應完成所需的時間，縮短響應時間可以提高系統的動態響應性能，但可能會增加系統的振蕩傾向或不穩定性，因此，在優化參數時需要平衡系統的動態響應和穩定性。

　　通過調整增益、帶寬和響應時間等參數，可以優化控制器的性能，實現對振動的有效抑制，通常需要結合實驗和仿真來進行參數調節，并根據系統的實際情況進行優化。

　　3 富士ALPHA7S系列伺服抑制振動的方法

　　3.1 基于伺服運行波形的FFT分析，自動識別機械諧振頻率

　　FFT代表快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform)。它是一種算法，用于將信號從時域(時間域)轉換到頻域(頻率域)。簡而言之，FFT將一個時間序列(或信號)分解成一組頻率成分，顯示出信號中各個頻率的振幅和相位信息。

　　通過FFT，可以分析信號的頻譜結構，找出信號中的特定頻率成分，這對于許多領域都是非常有用的，包括信號處理、通信、音頻處理、振動分析等。

　　富士ALPHA7S伺服的調試軟件自帶FFT分析，可以對伺服運行的波形曲線進行FFT(快速傅里葉變換)實現以下功能：

　　l 頻譜分析: 使用FFT可以將機械振動信號從時域轉換到頻域，從而分析振動信號中的頻率成分，通過觀察頻譜圖，可以識別系統中存在的主要振動頻率，并了解振動的特性和模式;

　　l 諧振頻率識別: FFT可以幫助識別機械系統的諧振頻率，即系統在特定頻率下產生的共振現象，識別諧振頻率有助于進行有效的振動控制和減振設計;

　　l 故障診斷: 通過監測機械系統的振動信號，并進行FFT分析，可以檢測系統中的異常振動，并診斷可能的故障或問題。例如，軸承故障通常會在頻譜圖中顯示出特定的頻率組件;

　　l 振動模態分析: 通過對機械系統進行振動激勵，并采集振動信號進行FFT分析，可以識別系統的振動模態，即系統在不同頻率下的振動模式和振幅分布;

　　l 振動控制: 基于FFT分析得到的頻譜信息，可以設計和優化振動控制策略，以抑制系統中的不良振動，并改善系統的性能和穩定性。

　　圖2 富士調試軟件FFT分析

　　3.2 自動設定多段陷波濾波器頻率點來抑制機械諧振

　　前文中也有講到陷波濾波器調試需要專業的知識，完全靠人手動調試，對工程師的技術要求非常高。但是富士ALPHA7S伺服可以通過完全自動識別的方式，在機械運行過程中自動設定2段陷波濾波器，同時開放3段手動調試的陷波濾波器頻率方便客戶對應復雜機械系統(上一段落中介紹的FFT變換找出多個諧振頻率后進行手動設定)，可以大幅節約客戶調試時間，對客戶工程師的技術要求也大幅降低，使用非常方便。

　　富士的自動陷波濾波器功能的特點如下：

　　l 實時性：自動陷波濾波器能夠實時監測振動信號，并快速響應系統振動的變化;

　　l 自適應性：能夠根據實時振動信號的變化自動調整濾波器的參數。這使得它能夠適應不同工況下的振動情況，提高了振動抑制的效果;

　　l 準確性：有準確的頻率識別能力，能夠精確地識別目標振動頻率，并調整濾波器參數以實現有效的振動抑制;

　　l 穩定性：能保持系統的穩定性，在振動抑制過程中不引入不穩定性或振蕩。

　　綜上所述，ALPHA7S伺服自動陷波濾波器在振動抑制中具有很高的優先級，其實時性、自適應性、準確性和穩定性，這些因素能確保其能夠有效地抑制振動并提高機械系統的整體性能和穩定性。

　　3.3 基于多行業應用實例的新富士抑振算法，通過設定反諧振頻率來實現抑制機械振動

　　第一種方法可以通過設定反諧振頻率，使得機械系統的固有頻率與外部激勵頻率相匹配。當外部激勵頻率與系統的反諧振頻率相匹配時，振動系統的振幅會減小到最小值，從而抑制機械振動。另一種方法是通過設定阻尼系數，使得反諧振頻率附近的振動響應受到阻尼的影響，減小振幅。富士ALPHA7S伺服可以使用自學習及手動設定2種方式去設定該系列參數，從而使大多數工程師都能通過簡單調試乎達到機械的抑振效果。

　　ALPHA7S伺服使用反諧振頻率和阻尼系數來抑制振動有幾個好處：

　　l 精確控制：通過調整反諧振頻率和阻尼系數，可以使伺服系統對外部擾動的響應更加精確和可控，這有助于提高系統的穩定性和性能;

　　l 減小振動影響：振動可能會影響伺服系統的精度和穩定性，通過抑制振動，可以減小振動對系統的影響，提高系統的工作效率和精度;

　　l 延長設備壽命：振動會導致設備磨損加劇和疲勞損傷，從而降低設備的使用壽命，通過減小振動，可以延長設備的壽命，減少維護和更換成本;

　　l 提高工作環境：減小振動不僅可以提高設備的性能，還可以改善工作環境，降低振動水平可以減少噪音和震動，提高工作人員的舒適度和安全性。

　　4 富士ALPHA7S系列伺服減振控制的行業應用

　　4.1 半導體制造業

　　固晶機是半導體制造中的一種設備，也稱為封裝機或晶圓封裝機。它用于將芯片(也稱為晶圓)封裝到塑料封裝體或其他封裝材料中，以保護芯片并提供連接引腳的功能。半導體行業通常包括晶圓定位、接觸點焊接、填充封膠、硬化封膠、切割等工藝步驟，以完成芯片封裝過程。這些封裝后的芯片通常用于制造集成電路和其他電子設備。

　　固晶機在半導體制造中通常是高精度、高速度的設備，因此振動控制對其性能至關重要，尤其是在進行精密定位、焊接和封膠等步驟時，振動可能會影響工藝的穩定性和產品的質量。因此，使用富士ALPHA7S伺服的減振功能，可以減小振動對設備和產品的影響，提高工藝的穩定性和產品的質量。

　　4.2 鋰電池工業

　　電池封裝搬運設備用于將組裝好的電池模塊或電池組進行搬運、定位和包裝。這些設備可能包括輸送系統、機械臂、機械手、傳送帶等。它們通常會使用伺服電機或其他類型的電機來控制搬運機構，以確保精確的定位和穩定的搬運。此外，一些設備可能還配備有視覺系統或傳感器，用于實時監測和調整搬運過程，以確保電池的安全和品質。

　　ALPHA7S伺服在電池封裝搬運設備中提供的減振功能非常重要，它可以通過減少機械震動和振動來保護電池模塊或電池組，確保其結構和性能不受損壞。

　　4.3 工業機械手

　　在工業機械手中，富士ALPHA7S伺服的減振功能可以提高機械手的性能和穩定性，減少振動對工作效率和質量的影響。以下是減振功能在工業機械手中的一些常見應用：

　　l 振動抑制：工業機械手在運動過程中會產生振動，減振功能可以通過控制伺服電機和其他執行器來抑制這些振動，使機械手的運動更加平穩和穩定;

　　l 精確定位：減振功能可以減少機械手在定位過程中的震動和抖動，從而提高定位的精度和準確性，確保機械手能夠準確地將工件放置到目標位置;

　　l 保護工件：減振功能可以減少機械手對工件的沖擊和振動，降低工件損壞的風險，特別是對于易碎或精密的工件來說尤為重要;

　　l 提高工作效率：減振功能可以減少機械手在運動過程中的能量損耗和振動耗散，提高機械手的工作效率和能源利用率;

　　l 延長設備壽命：減振功能可以減少機械手在長時間運行過程中的磨損和損壞，延長設備的使用壽命，減少維護和更換成本。

　　綜上所述，富士ALPHA7S伺服減振功能在工業機械手中的使用可以提高其性能、穩定性和可靠性，為工業生產提供更加高效和穩定的自動化解決方案。

　　5 未來展望

　　5.1 技術發展趨勢

　　伺服系統減振控制的發展趨勢包括以下幾個方面：

　　l 智能化減振算法：未來伺服系統的減振控制算法將更加智能化，能夠根據實時反饋數據和工作環境的變化自動調整參數，以實現更精確的減振效果;

　　l 多模式振動控制：伺服系統將發展出更多的振動控制模式，可以根據不同工況和振動特性選擇合適的控制模式，實現更加全面和靈活的減振效果;

　　l 集成傳感器技術：未來伺服系統可能會集成更多的傳感器技術，如慣性測量單元(IMU)、振動傳感器等，以實時監測機械系統的振動狀態，提供更準確的反饋數據，從而實現更有效的減振控制;

　　l 高性能驅動器和電機：隨著驅動器和電機技術的不斷發展，未來的伺服系統將具備更高的性能和響應速度，能夠更精確地控制機械系統的運動，進一步提高減振效果;

　　l 結構優化設計： 未來的伺服系統將更加注重機械結構的優化設計，通過減少結構共振點和提高結構剛度等方式來降低機械系統的振動響應，從而進一步提高減振效果。

　　總的來說，未來伺服系統減振控制將朝著智能化、多模式、集成化、高性能和結構優化等方向發展，以實現更加精確、穩定和高效的減振效果，滿足不同應用領域的需求。

　　5.2 應用領域拓展

　　伺服系統減振控制的應用領域拓展可以包括以下幾個方面：

　　l 航空航天領域：在航空航天領域，伺服系統減振控制可以用于控制飛機、火箭和衛星等載具的振動，提高飛行穩定性和飛行精度;

　　l 醫療設備領域：在醫療設備領域，伺服系統減振控制可以用于控制醫療機器人和手術機器人的振動，提高手術精度和安全性;

　　l 海洋工程領域：在海洋工程領域，伺服系統減振控制可以用于控制海洋平臺、海洋船舶和海洋探測設備的振動，提高設備的穩定性和工作效率;

　　l 娛樂體驗領域：在娛樂體驗領域，伺服系統減振控制可以用于模擬飛行器、游樂設備和虛擬現實設備的振動，提高娛樂體驗的真實感和舒適度。

　　總的來說，伺服系統減振控制可以在各個領域中發揮重要作用，提高設備的性能和穩定性，滿足不同應用領域的需求，促進技術和產業的發展。

　　5.3富士電機新時代伺服產品設計研發及推廣

　　l 技術創新：富士電機在伺服系統領域持續進行技術創新，不斷推出具有高性能和高精度的伺服產品，致力于研發新的驅動技術、控制算法和傳感器技術，以滿足不同行業和應用領域的需求;

　　l 產品多樣化：富士電機提供了豐富多樣的伺服產品系列，涵蓋了各種功率、轉速和規格的產品，能夠滿足不同用戶的需求，產品涵蓋了伺服電機、伺服驅動器、控制器和配套組件等;

　　l 應用支持：富士電機為客戶提供全面的應用支持和技術服務，包括技術咨詢、產品培訓、解決方案設計等，與客戶緊密合作，為客戶提供定制化的解決方案，幫助客戶提高生產效率和產品質量;

　　l 環保可持續發展：富士電機注重環境保護和可持續發展，在產品設計和制造過程中采用了環保材料和節能技術，致力于減少能源消耗和減少對環境的影響。

　　富士電機在伺服產品開發方面取得了顯著的成就，通過持續的技術創新、產品多樣化、應用支持和環保可持續發展，為客戶提供高性能、高可靠性的伺服產品和解決方案，推動伺服系統技術的新發展和新應用。