伺服電機(jī)間歇異常噪聲問題研究

賈惠玲，鐘成堡,2，文智明,2，張榮婷,2

(1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070；2.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點實驗室，珠海 519070)

0 引 言

隨著工業(yè)產(chǎn)品在高速、高精度方向逐步發(fā)展，對產(chǎn)品的低噪聲、低振動需求越來越高。伺服電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品的核心零部件，其產(chǎn)品開發(fā)過程對噪聲、振動也應(yīng)有更嚴(yán)格的要求[1]。伺服電機(jī)本體除了其聲功率級要控制在合理的限值內(nèi)，還應(yīng)關(guān)注聽感上聲品質(zhì)的更高要求[2]。

某款伺服電機(jī)應(yīng)用于大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品時，在機(jī)器人示教運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了間歇性異常噪聲，情況較嚴(yán)重，產(chǎn)生較大的振動，影響工業(yè)機(jī)器人的軌跡和定位精度，因此，對此異常噪聲問題的診斷與研究具有重大意義。

本文通過對伺服電機(jī)噪聲、振動、電流及光電編碼器信號的詳細(xì)測試與分析，識別出了異常噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，提出改進(jìn)措施，有效地解決了該異常噪聲問題。

1 異常噪聲現(xiàn)象

某型號工業(yè)機(jī)器人在示教運轉(zhuǎn)過程中，J1、J2關(guān)節(jié)產(chǎn)生了明顯的間歇性異常噪聲。通過單電機(jī)運轉(zhuǎn)，確定該噪聲是由J1、J2關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)產(chǎn)生，伺服電機(jī)殼體處振動異常明顯。

我們對異常電機(jī)進(jìn)行初步調(diào)試分析，并將異常噪聲的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行時、頻譜分析處理。異常電機(jī)在空載277 r/min運轉(zhuǎn)時，其噪聲時域圖表現(xiàn)周期性間歇異常噪聲，并有明顯沖擊信號現(xiàn)象；其噪聲頻譜圖在2 232 Hz附近表現(xiàn)明顯寬頻峰值激勵現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 異常電機(jī)空載277 r/min時噪聲時頻譜圖

同步針對同系列伺服電機(jī)匹配某款驅(qū)動器進(jìn)行摸底測試。測試樣機(jī)均表現(xiàn)出了周期性間歇異常噪聲，與研究異常噪聲聽感一致，確定該異常噪聲問題為該系列伺服電機(jī)的共性問題。故需盡快對該異常噪聲現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理分析及定位，改善并降低該系列伺服電機(jī)的異常噪聲。

2 異常噪聲機(jī)理分析

2.1 異常噪聲特性

雖然本文研究的異常噪聲對電機(jī)噪聲總值影響不大，但其間歇的周期性異聲聽感明顯。分析測試電機(jī)的噪聲、振動信號，異常噪聲現(xiàn)象在噪聲、振動時域分析中，主要表現(xiàn)為“一周兩次”的周期性間歇激勵特性，如圖2所示；在頻域譜分析中異常頻率表現(xiàn)為異常寬頻激勵，如圖3所示。

圖2 測試電機(jī)噪聲、振動時域圖

圖3 測試電機(jī)噪聲、振動頻譜對比

測試電機(jī)運轉(zhuǎn)的噪聲、振動所表現(xiàn)的異常頻率隨轉(zhuǎn)速呈線性遞增，其異常頻率點與電機(jī)運行轉(zhuǎn)頻大致呈512倍，即與運行轉(zhuǎn)速大致呈8.5倍關(guān)系，如圖4所示?？紤]測試電機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)與核心零部件特性，該測試電機(jī)所用型號A光電編碼器的碼盤硬件刻線為512位，故初步猜想光電編碼器信號可能與該異常噪聲相關(guān)。

圖4 測試電機(jī)異常頻率與運行轉(zhuǎn)速的變化曲線

2.2 電磁噪聲驗證

電機(jī)的噪聲和振動源主要分為三類：電磁振動噪聲、機(jī)械振動噪聲和空氣動力噪聲。伺服電機(jī)不涉及外部風(fēng)扇部件，且運行轉(zhuǎn)速相對不高，產(chǎn)生空氣動力噪聲很小，可忽略。對伺服電機(jī)噪聲振動源的定位主要集中于電磁、機(jī)械激勵方面[3]。

機(jī)械振動噪聲包括轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、軸承故障、制動器摩擦等；電磁振動噪聲則主要由驅(qū)動器輸出電流至電機(jī)定子，而產(chǎn)生的電磁激勵引起[4]。異常噪聲的分析需先定位屬于哪一類噪聲，再進(jìn)行深入研究。

測試電機(jī)進(jìn)行對拖實驗，運行時無異常聽感，且測試振動信號在頻譜分析中無異常頻率特性表現(xiàn)。與電機(jī)正常驅(qū)動運轉(zhuǎn)測試時振動頻譜對比來看，電機(jī)對拖時無異?，F(xiàn)象，如圖5所示。同步采集測試電機(jī)輸入的電流信號。對電流信號做時頻譜分析，存在明顯“一周兩次”沖擊信號，且與噪聲頻譜對比存在相同的異常頻率特征，如圖6所示。因此，該系列電機(jī)間歇異常噪聲為電磁激勵引起。

圖5 測試電機(jī)正常驅(qū)動與對拖振動頻譜對比

圖6 測試電機(jī)電流信號、并與噪聲頻譜對比

2.3 光電編碼器信號驗證

伺服電機(jī)對于轉(zhuǎn)速的控制，主要通過光電編碼器監(jiān)測輸出相應(yīng)的位置脈沖信號[5]。驅(qū)動器接收脈沖信號，通過控制環(huán)路對比輸出相應(yīng)的調(diào)試電流信號，電流信號作用于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行運轉(zhuǎn)體現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速。

針對該異常噪聲的異常頻率表現(xiàn)為電機(jī)運行轉(zhuǎn)頻的512倍頻關(guān)系，同時考慮到驅(qū)動器輸入電機(jī)的電流信號有畸變現(xiàn)象，對該系列電機(jī)使用的光電編碼器輸出的位置脈沖信號進(jìn)行監(jiān)測分析，通過對拖測試電機(jī)監(jiān)測光電編碼器輸出信號。同時為了排除電機(jī)本體運轉(zhuǎn)時，自身抖動對光電編碼器信號產(chǎn)生影響[6]，進(jìn)一步采用直接對拖光電編碼器，對其輸出信號進(jìn)行監(jiān)測。兩種測試光電編碼器輸出信號的實驗平臺示意圖，如圖7所示。

圖7 測試光電編碼器輸出信號測試平臺示意圖

如圖8所示，得到光電編碼器位置脈沖信號經(jīng)過后，處理轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速波動數(shù)值，其轉(zhuǎn)速波動信號同樣存在“一周兩次”激勵特性，且將光電編碼器信號做時頻譜后，表現(xiàn)出“一周兩次”異常激勵處的頻率為運行轉(zhuǎn)頻的512倍。如圖9所示，將對拖電機(jī)與直接對拖光電編碼器測得的光電編碼器脈沖信號做FFT處理后，對比兩種工況下異常頻率點的幅值，發(fā)現(xiàn)相差不大。因此，電機(jī)運行傳遞振動對光電編碼器異常脈沖信號的影響不大，光電編碼器異常信號的輸出與其本體相關(guān)。

圖8 光電編碼器位置信號時頻圖

圖9 對拖電機(jī)與直接對拖光電編碼器信號對比

2.4 異常噪聲機(jī)理分析

本文研究的伺服電機(jī)間歇異常噪聲問題，其主要噪聲激勵源為光電編碼器，目前該系列電機(jī)使用的某廠家光電編碼器異常。

此異常噪聲的主要作用機(jī)理，如圖10所示。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)運行過程中，由光電編碼器監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速波動情況，輸出位置脈沖信號，而由于光電編碼器本身異常，則輸出的位置信號中產(chǎn)生“一周兩次”激勵的異常脈沖信號，其異常沖擊信號的頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的512倍頻。伺服驅(qū)動器接收光電編碼器的位置信號后，通過控制環(huán)路計算，輸出含有“一周兩次”激勵的畸變電流信號，隨即作用于電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子部分，進(jìn)而引起電機(jī)產(chǎn)生“一周兩次”的間歇周期性異常噪聲和振動，同時輻射噪聲、振動的異常頻率即為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的512倍頻。

圖10 異聲產(chǎn)生機(jī)理流程圖

3 改進(jìn)措施與驗證

為了改進(jìn)該系列伺服電機(jī)間歇異常噪聲的問題，將現(xiàn)使用的某廠家型號A光電編碼器更換為另一廠家的型號B光電編碼器，該光電編碼器在電機(jī)對拖測試時信號無異常沖擊激勵，如圖11所示。型號B光電編碼器匹配電機(jī)進(jìn)行振動測試，電機(jī)整機(jī)無異常聽感，且與型號A光電編碼器的振動頻譜對比，異常頻率處無明顯寬頻激勵，如圖12所示。研究定位異常噪聲產(chǎn)生機(jī)理，利用最有效的方法解決了伺服電機(jī)間歇異常噪聲問題。

圖11 更換光電編碼器后信號監(jiān)測對比

圖12 更換光電編碼器后振動頻譜對比

4 結(jié) 語

本文針對某型工業(yè)機(jī)器人用伺服電機(jī)間歇異常噪聲的共性問題，通過噪聲、電流與編碼器信號的頻域及時頻域測試分析，確定是該伺服電機(jī)使用的某型號光電編碼器本身存在異常，導(dǎo)致噪聲和振動產(chǎn)生。通過更換編碼器進(jìn)一步驗證了該結(jié)論的有效性，并解決了異常問題，具有較大的工程應(yīng)用價值。

編碼器是提高伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速波動精度的核心精密部件，產(chǎn)品主要以日系、歐系的品牌占主導(dǎo)，特別在伺服電機(jī)應(yīng)用于機(jī)床精加工領(lǐng)域中，國外產(chǎn)品壟斷嚴(yán)重。本文通過實驗定位了某外廠光電編碼器本身存在異常，但是該問題還有待進(jìn)一步細(xì)化探討研究，目前研究結(jié)果已可供自主產(chǎn)品研發(fā)時提供參考。另外，也啟示我們，在編碼器的選型及生產(chǎn)檢驗時，需要對編碼器的信號進(jìn)行采集分析，以判斷是否可用與合格，避免在后期工業(yè)應(yīng)用中存在故障隱患。