伺服电机噪音

每个从事运动控制的人都有一些自己的故事，电机神秘地停转，电动机不停的振动等等。我们有个系列着重讨论您可能会遇到的运动控制问题，围绕伺服电动机噪声的深入探讨是该系列的一部分。同时我们提供了一些参考的方法给到设计者，可以在设计和开发项中借鉴！

作者：Chick Lewin

PMD (www.pmdcorp.com)公司创始人兼首席执行官

文章转载自PMD官网（https://www.pmdcorp.com/resources/type/articles/servo-motor-noise-and-how-to-fix)

翻译： 天仁合公司（由于翻译水平有限，建议大家阅读原文）

伺服电机的噪音解决方案参考

噪声可能是工程师在设计构造直流有刷或无刷直流电机的设备时遇到的最常见的运动问题。这不仅令人讨厌，而且会导致电动机和执行机构的磨损增加。尽管在每种情况下声音特性可能都不同，但当伺服电机处于保持位置和移动时都可能出现问题。事实证明，这个常见的运动问题可能来自多个领域，因此可以有许多解决方案，我们一起探讨一下。

PID 调整

使用伺服回路控制电机位置主要由调整参数设置决定。广受欢迎方法是PID（比例，积分，微分）循环来控制系统。 关于如何调整PID的文章很多，包括Performance Motion Devices（PMD）的一些文章。下图显示了典型位置PID回路的控制流程。

Figure 1: PID position loop control flow

工程师越来越多地使用自动调整软件来确定其PID参数。 可以使用自动调谐器来生成最终参数，也可以使用更好的方式来生成一组初始值，然后进一步进行调整和优化。

有关伺服环路调整的完整论述不在本文讨论范围之内，但是您可以确认有两个快速调整特性，以确保您的系统至少处于正常运行状态。 首先是检查系统输出是否临界阻尼， 而不是过度阻尼或欠阻尼。

这些术语有精确的数学定义，但最主要目的是获得所需响应的一般形式（临界阻尼）。如果输出的响应不是系统需要的，则可以调整设置。 既可以调整成欠阻尼， 也可以是过阻尼。

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

注意，以上曲线是使用阶跃函数生成的。要求电机轴瞬时向前或向后跳一小段距离，然后绘制实际电动机位置的结果响应。几乎所有运动系统供应商都提供步进功能调谐控制功能。

如果您能在系统上生成Bode图，那么还可以看到控制系统稳定性的另外两种重要参数：相位裕量和增益裕量。大多数系统希望40度或更高的相位裕量，以及10 dB或更高的增益裕量。控制回路稳定性越接近边界，则系统在运动或保持位置时，往往会发生振荡并产生更多的噪声。因此，具有良好稳定性特征的系统是安静运行的坚实基础。

降低微分参数

如果使用PID控制器，微分项的高数值会导致电机颤动，在极端情况下，听起来像是一袋滚珠在运动。尝试结合调整比例和微分参数以减少噪声。

如果噪声消失了，但性能有所降低，也许是因为系统现已变得欠阻尼，请考虑使用两组伺服参数（一个有效参数组和一个保持参数组）来分别控制。许多应用程序在运动过程中会产生一点噪音，但在保持位置时需要保持安静。使用温和安静的夹持装置可能是一个很好的解决方案，因为伺服器通常不需要做很大的功作就可以将轴保持在同一位置。

尝试不同的采样时间

另一个与伺服相关的领域是环路速度。数字伺服系统倾向于以很高的伺服环路速率运行，在一般应用中却不需要。更高的伺服环路速率可以在系统的频率响应中激发更多的谐振。

因此，更改伺服环路时间或微分采样时间（如果可以调整）是否有助噪声的降低得到了很多人的关注和研究。降低伺服环路速度时，请确保重新调整PID参数。尽管P（比例）项可能会受影响，也可能不会受到影响，但I（整数）和D（微分）值肯定会受到影响，因为它们与时间有关。

使用Biquad滤波器改善系统

您可以尝试使用几种通用的滤波技术来更好地稳定控制回路，这将有助于降低零速运动时的噪声。提供这种频域滤波功能的大多数系统都使用双二阶滤波机制，因为它具有灵活性和可编程性。

可以对Biquads进行编程以构造各种滤波器类型，包括低通，陷波和带通。根据您的设备状况，这些滤波器可以帮助衰减特定的共振并使整个系统的响应线性化。

通常，这种特定的滤波器建立在系统分析的基础上。这样的分析设计涉及为系统中的一个或多个轴生成开环和闭环波特图，从中可以识别出共振点或相位裕量处于边际从而导致发生振荡的区域。

随着技术的不断升级进步，运动控制供应商在其控制软件产品中提供了成熟的调谐和分析工具， 近几年使得机械/控制系统的分析(https://www.pmdcorp.com/resources/type/articles/get/mechanical-resonant-frequency-and-how-to-analyze-it-article)变得非常容易。

Figure 3: Biquad filter diagram

尽管Bode图可以提供时间和空间方面的精确描述，但在离散采样系统中解决噪声问题时，不可避免地会手动对滤波器进行修补，以获得最佳结果。

波特图和其他传统的伺服优化技术采用的是模拟系统，其中输入和输出值不断变化。但是，数字系统会根据数字节拍器的节拍（采样周期）调整其值，因此不能完美代表时域部分。因此，反复试验将是减少或消除持续性噪声的重要组成部分。

死区滤波器的未来

可以非常有效地减少噪声的一种特殊类型的滤波器称为死区滤波器。在电流回路中或位置回路中用于限制积分，该技术减少伺服回路中少量的位置误差的调整，只需要进行较大的校正即可。这具有减少小的校正命令的数量的效果，从而减少了噪声。

Figure 4: Deadband filter diagram

图4显示了死区滤波器的通用响应曲线，该曲线利用可编程的下限和上限来确定滤波器滞后的啮合点和脱离点。如果最终在控制系统中使用了死区滤波器，请确保在系统在额定负载和可运行条件范围内对其进行测试。要确保在您设计的机器的整个预期寿命和应用空间中，所设值都能达到预期的效果。

限制电流环

如果为了降低噪声，已经完全剖析了位置伺服环路，但仍然有问题，那么应该考虑一下放大器及其电流环路。电流环路输入所需的电动机电流，并在测量实际相电流时控制电机的电压。电流回路的目标是使电机中的实际电流尽可能接近上一级位置回路（或是速度回路）的指令电流。

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

对于初学者来说，有时会因过大的电流环路而产生噪声。电流环路如果电流突变，产生的电压尖峰会导致电机像扬声器一样工作。线性电动机似乎对此特别敏感，这也许是因为其机械布局类似于一块音板！

因此，如果您使用的是数字放大器，请尝试降低电流环路增益，或者在控制级别可用的情况下，以较小的设置重新运行自动调谐器。

如果不确定，可以通过在电压模式下运行放大器来关闭电流环路来快速确认电流环路诊断是否正确。并非所有放大器都允许使用此选项，并且如果这样做，您可能必须重新调整位置环路以获得可比较的结果，因为在启用和未启用电流环路的情况下，放大器的增益可能会有很大差异。

但是，如果听到的声音在关闭当前循环后安静下来，则可以确认当前循环是一个问题。通过调整电流环路的PI（比例，积分）值，通常可以减少噪声，同时保持良好的电机性能。

增加PWM频率

有时电流环路调整很好，但是PWM（脉冲宽度调制）频率对于被驱动电机的电感而言太低。电动机似乎正趋向于越来越低的电感。过去典型的小型电动机（例如NEMA 23）通常使用20 kHz的PWM频率，但普遍存在着更小的电动机外形尺寸和超高加速度电动机，PWM频率为40 kHz，80 kHz，甚至需要更高甚至更高才能正确控制电动机。

Figure 6: Current ripple

PWM频率如何影响噪声？答案是对于给定的电流命令，数字开关放大器以锯齿形提供能量。增加PWM频率可减小这种感应噪声和发热电流的幅度，并提高电流测量的精度。上图显示了20 kHz和40 kHz电流波形，锯齿的确切形式将取决于电流指令和电机线圈电感。

当然，如果您是使用线性放大器而不是数字开关放大器的人，那么关于PWM的所有评论均不适用，因为这些放大器使用的是完全不同的方案，该方案不涉及指定频率下的数字开/关切换。

请注意，由于数字放大器的开关频率设置很高会增大“开关损耗”，效率会降低，因此频率设定受到一定的限制。尽管如此，许多高性能电机驱动器可选开关速度为20 kHz至80 kHz，而专门用于驱动微型电机（小于NEMA 17）的放大器则更高。

另一个需要注意的领域是放大器使用哪种类型的电流检测技术。用于三相无刷直流电动机和两相步进电动机的放大器会不断改变其相位，以测量电动机旋转时的电流。这对于基于霍尔的换向或全步电动机驱动非常简单，在步进电动机驱动中，流经每个支路的电流全部为正，零或全部为负。

但是对于诸如FOC（矢量控制）之类的正弦电流波形，会同时读取多个电流数，然后通过算法将它们融合在一起，以确定通过每个电机线圈的瞬时电流。基本布线方案如图7所示。

Figure 7: Brushless DC current control sensing diagram

这项技术的关键（称为支路电流检测）是通过驱动桥臂的下部开关直接测量电流，该开关直接接地。 一些测量电流的技术使用相位电流检测，该技术还使用一个电阻来感测电流，但是该电流会随电动机线圈的励磁电压而浮动，并使用附加电路仅隔离电流测量信号。 这是一种易于实施的技术，但在被测电流中往往会产生更多的噪声。

因此，如果发现放大器电路不使用支路电流检测，请考虑更改放大器类型而使用这种方法。 您应该会看到噪音和颤振会减少。

放大器检查

如果以上电流和放大器相关建议均不能解决您的噪声问题，那么可能是时候对放大器进行检查了。

用电流探头进行以下测试：

锁定转子并将正弦电流命令发送到放大器。使用电流探头测量流过电动机各边的实际电流。被测电流看起来是正弦波吗？ 零电流交叉点处有奇怪的跳动吗？ 电流波形在正弦波顶部是否变平（饱和）？ 所有这些都可能表明电流环路存在问题，或者放大器中的比例设置不正确。

如果所有其他方法都失败了，但仍然怀疑当前回路有问题，请与电机供应商联系，看看他们是否可以提供帮助。 他们可能会提供有关如何调整放大器或如何选择产生较少噪声的建议。

尝试正弦换向或FOC（矢量控制）

除了位置伺服环和放大器，在应对伺服电机中的噪声问题时，还有更多问题需要考虑。

采用传统的“ 6步”控制换向的无刷直流电动机容易受到霍尔传感器边界处的噪声的影响。 随着电动机的旋转，当进入每个新的霍尔状态时，流经线圈的电流会突然变化，从而在电动机输出转矩中大约产生15％的不连续性。

Figure 8: Sinusoidal and trapezoidal commutation signals diagram

如果要求的最终位置恰好落在这样的霍尔边界上，则由于伺服控制器试图在通过转矩边界上保持位置，这样电动机可能变得不稳定。 伺服回路喜欢具有良好的比例响应曲线，而电机在这些边界处的响应则无法达到。 通过位置编码器使用正弦换向，该位置编码器比霍尔传感器具有更多的可分辨位置，可以通过以很小的增量推进换相相位角来解决此问题，从而消除了转矩的大变化。

检查机制

如果您已经彻底检查了控制系统，则可能会发现机械系统设计的太死板而无法实现所需的性能水平。顺应性及其二元非线性机械反冲是稳定运动控制的基础。它们会导致机械轴过冲，振动并将高频能量传入机械装置的其他部分，从而可能引起进一步的振荡。

解决该问题的一种方法是用直接驱动马达代替驱动齿轮和皮带轮的旋转马达。通过简化或消除机械联动，系统变得更硬，从而使其更不易于振荡。

但是，并非每种应用都能承受直接驱动电机的成本，因此，与其投入直接驱动电机，不如提高滚珠丝杠质量，更好的联轴器和更坚固的框架，或做一些重量从新分配等。

希望本文为解决噪声问题提供了一些有用的建议。

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