伺服电机间歇异常噪声问题研究

贾惠玲，钟成堡,2，文智明,2，张荣婷,2

(1.珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070；2.广东省高性能伺服系统企业重点实验室，珠海 519070)

0 引 言

随着工业产品在高速、高精度方向逐步发展，对产品的低噪声、低振动需求越来越高。伺服电机作为工业机器人、数控机床等工业产品的核心零部件，其产品开发过程对噪声、振动也应有更严格的要求[1]。伺服电机本体除了其声功率级要控制在合理的限值内，还应关注听感上声品质的更高要求[2]。

某款伺服电机应用于大负载工业机器人产品时，在机器人示教运转过程中出现了间歇性异常噪声，情况较严重，产生较大的振动，影响工业机器人的轨迹和定位精度，因此，对此异常噪声问题的诊断与研究具有重大意义。

本文通过对伺服电机噪声、振动、电流及光电编码器信号的详细测试与分析，识别出了异常噪声的产生机理，提出改进措施，有效地解决了该异常噪声问题。

1 异常噪声现象

某型号工业机器人在示教运转过程中，J1、J2关节产生了明显的间歇性异常噪声。通过单电机运转，确定该噪声是由J1、J2关节处的伺服电机产生，伺服电机壳体处振动异常明显。

我们对异常电机进行初步调试分析，并将异常噪声的音频数据进行时、频谱分析处理。异常电机在空载277 r/min运转时，其噪声时域图表现周期性间歇异常噪声，并有明显冲击信号现象；其噪声频谱图在2 232 Hz附近表现明显宽频峰值激励现象，如图1所示。

图1 异常电机空载277 r/min时噪声时频谱图

同步针对同系列伺服电机匹配某款驱动器进行摸底测试。测试样机均表现出了周期性间歇异常噪声，与研究异常噪声听感一致，确定该异常噪声问题为该系列伺服电机的共性问题。故需尽快对该异常噪声现象进行机理分析及定位，改善并降低该系列伺服电机的异常噪声。

2 异常噪声机理分析

2.1 异常噪声特性

虽然本文研究的异常噪声对电机噪声总值影响不大，但其间歇的周期性异声听感明显。分析测试电机的噪声、振动信号，异常噪声现象在噪声、振动时域分析中，主要表现为“一周两次”的周期性间歇激励特性，如图2所示；在频域谱分析中异常频率表现为异常宽频激励，如图3所示。

图2 测试电机噪声、振动时域图

图3 测试电机噪声、振动频谱对比

测试电机运转的噪声、振动所表现的异常频率随转速呈线性递增，其异常频率点与电机运行转频大致呈512倍，即与运行转速大致呈8.5倍关系，如图4所示。考虑测试电机设计结构与核心零部件特性，该测试电机所用型号A光电编码器的码盘硬件刻线为512位，故初步猜想光电编码器信号可能与该异常噪声相关。

图4 测试电机异常频率与运行转速的变化曲线

2.2 电磁噪声验证

电机的噪声和振动源主要分为三类：电磁振动噪声、机械振动噪声和空气动力噪声。伺服电机不涉及外部风扇部件，且运行转速相对不高，产生空气动力噪声很小，可忽略。对伺服电机噪声振动源的定位主要集中于电磁、机械激励方面[3]。

机械振动噪声包括转子不平衡、转子不对中、轴承故障、制动器摩擦等；电磁振动噪声则主要由驱动器输出电流至电机定子，而产生的电磁激励引起[4]。异常噪声的分析需先定位属于哪一类噪声，再进行深入研究。

测试电机进行对拖实验，运行时无异常听感，且测试振动信号在频谱分析中无异常频率特性表现。与电机正常驱动运转测试时振动频谱对比来看，电机对拖时无异常现象，如图5所示。同步采集测试电机输入的电流信号。对电流信号做时频谱分析，存在明显“一周两次”冲击信号，且与噪声频谱对比存在相同的异常频率特征，如图6所示。因此，该系列电机间歇异常噪声为电磁激励引起。

图5 测试电机正常驱动与对拖振动频谱对比

图6 测试电机电流信号、并与噪声频谱对比

2.3 光电编码器信号验证

伺服电机对于转速的控制，主要通过光电编码器监测输出相应的位置脉冲信号[5]。驱动器接收脉冲信号，通过控制环路对比输出相应的调试电流信号，电流信号作用于电机定、转子进行运转体现相应转速。

针对该异常噪声的异常频率表现为电机运行转频的512倍频关系，同时考虑到驱动器输入电机的电流信号有畸变现象，对该系列电机使用的光电编码器输出的位置脉冲信号进行监测分析，通过对拖测试电机监测光电编码器输出信号。同时为了排除电机本体运转时，自身抖动对光电编码器信号产生影响[6]，进一步采用直接对拖光电编码器，对其输出信号进行监测。两种测试光电编码器输出信号的实验平台示意图，如图7所示。

图7 测试光电编码器输出信号测试平台示意图

如图8所示，得到光电编码器位置脉冲信号经过后，处理转换为转速波动数值，其转速波动信号同样存在“一周两次”激励特性，且将光电编码器信号做时频谱后，表现出“一周两次”异常激励处的频率为运行转频的512倍。如图9所示，将对拖电机与直接对拖光电编码器测得的光电编码器脉冲信号做FFT处理后，对比两种工况下异常频率点的幅值，发现相差不大。因此，电机运行传递振动对光电编码器异常脉冲信号的影响不大，光电编码器异常信号的输出与其本体相关。

图8 光电编码器位置信号时频图

图9 对拖电机与直接对拖光电编码器信号对比

2.4 异常噪声机理分析

本文研究的伺服电机间歇异常噪声问题，其主要噪声激励源为光电编码器，目前该系列电机使用的某厂家光电编码器异常。

此异常噪声的主要作用机理，如图10所示。在电机旋转运行过程中，由光电编码器监测电机转速波动情况，输出位置脉冲信号，而由于光电编码器本身异常，则输出的位置信号中产生“一周两次”激励的异常脉冲信号，其异常冲击信号的频率为电机转频的512倍频。伺服驱动器接收光电编码器的位置信号后，通过控制环路计算，输出含有“一周两次”激励的畸变电流信号，随即作用于电机的定、转子部分，进而引起电机产生“一周两次”的间歇周期性异常噪声和振动，同时辐射噪声、振动的异常频率即为电机转频的512倍频。

图10 异声产生机理流程图

3 改进措施与验证

为了改进该系列伺服电机间歇异常噪声的问题，将现使用的某厂家型号A光电编码器更换为另一厂家的型号B光电编码器，该光电编码器在电机对拖测试时信号无异常冲击激励，如图11所示。型号B光电编码器匹配电机进行振动测试，电机整机无异常听感，且与型号A光电编码器的振动频谱对比，异常频率处无明显宽频激励，如图12所示。研究定位异常噪声产生机理，利用最有效的方法解决了伺服电机间歇异常噪声问题。

图11 更换光电编码器后信号监测对比

图12 更换光电编码器后振动频谱对比

4 结 语

本文针对某型工业机器人用伺服电机间歇异常噪声的共性问题，通过噪声、电流与编码器信号的频域及时频域测试分析，确定是该伺服电机使用的某型号光电编码器本身存在异常，导致噪声和振动产生。通过更换编码器进一步验证了该结论的有效性，并解决了异常问题，具有较大的工程应用价值。

编码器是提高伺服电机转速波动精度的核心精密部件，产品主要以日系、欧系的品牌占主导，特别在伺服电机应用于机床精加工领域中，国外产品垄断严重。本文通过实验定位了某外厂光电编码器本身存在异常，但是该问题还有待进一步细化探讨研究，目前研究结果已可供自主产品研发时提供参考。另外，也启示我们，在编码器的选型及生产检验时，需要对编码器的信号进行采集分析，以判断是否可用与合格，避免在后期工业应用中存在故障隐患。