4. Sigma伺服驱动器频率响应分析工具

当机械系统出现啸叫、爬行、定位抖动或电流波形周期性波动时，仅凭示波器观察波形往往只能看到"结果"，却难以判断振动究竟来自机械共振、增益过高，还是外部扰动。SigmaWin+ 提供的频率响应分析工具，正是把时域现象转换到频域去观察的关键手段。它通过给速度或转矩指令叠加扫频激励，测量系统在不同频率下的增益与相位，从而把"哪里振、振多强、相位怎么变"变成可读的曲线。

一、频率响应分析与FFT分析的区别

在 SigmaWin+ 中，与振动相关的分析主要有两类，理解它们的差异是正确使用工具的前提。

FFT 分析是对已有波形做频谱分解。它采集速度指令、速度反馈、转矩指令等信号的时间序列，通过快速傅里叶变换得到各频率成分的幅值。它回答的是"当前振动里有哪些频率成分、哪个最强"，属于被动观测，不需要额外注入激励。典型用途是：设备正常运行时出现异响，用 FFT 找出主振频率，再与机械固有频率对照。

频率响应测量则是主动注入激励。驱动器在速度指令上叠加一段扫频信号（如 10 Hz 到 2000 Hz 的正弦扫频），同时测量指令与反馈的幅值比和相位差，绘制伯德图。它回答的是"系统对各频率的响应特性如何、增益裕度和相位裕度是多少、哪里出现谐振峰"，属于主动辨识，是整定增益和设计陷波器的依据。

二、使用SigmaWin+进行频率响应测量的操作流程

以下流程以 SigmaWin+ 的"频率响应分析"功能为例，适用于带该功能的 Σ-7、Σ-5 系列驱动器。操作前应确认：伺服已使能但机械处于安全状态，负载已连接，行程内无干涉，且已备份原始参数。

1. 连接与进入：通过 USB 或以太网连接驱动器，在 SigmaWin+ 主界面选择"调谐"→"频率响应分析"。软件会读取当前增益参数作为初始状态。
2. 设置激励参数：设定扫频起始频率、终止频率、幅值和注入点。注入点通常选速度指令，幅值需足够激励出谐振又不至于让电机剧烈动作。示例设置：起始 10 Hz，终止 2000 Hz，幅值 5%，扫频时间 10 s。
3. 执行测量：点击开始后，驱动器按扫频输出激励，软件同步采集指令与反馈，生成幅频特性和相频特性曲线。
4. 读取结果：在伯德图上观察谐振峰位置、峰值增益、相位穿越频率，以及增益裕度和相位裕度。
5. 保存与对比：保存曲线文件，调整参数后重复测量，叠加对比，验证改善效果。

需要强调的是，扫频幅值不宜过大。幅值过大会使系统进入非线性区（如电流限幅、机械间隙碰撞），测得的曲线失真；幅值过小则信噪比不足，谐振峰被噪声淹没。一般从 3%～5% 开始试，观察反馈速度是否平滑跟随。

三、共振点定位与结果判读

频率响应曲线中最需要关注的是谐振峰。在幅频曲线上，它表现为某个频率处增益突然抬升，形成一个尖峰；在相频曲线上，该频率附近相位快速下降。谐振峰的峰值增益越高，说明该频率处系统越"敏感"，越容易在扰动下起振。

定位共振点后，需要判断它属于哪一类：

• 机械共振：频率通常较低（几十到几百赫兹），与负载惯量、联轴器刚度、丝杠或皮带刚性相关。改变机械结构或增加惯量比会使其移动。
• 控制谐振：频率较高，常与速度环增益、电流环带宽相关。降低增益后峰值下降或消失。
• 电气/编码器噪声：表现为高频段整体抬升，而非单一尖峰，需检查接地、屏蔽和编码器线缆。

判读时还应关注增益裕度和相位裕度。工程上一般希望相位裕度大于 45°、增益裕度大于 10 dB。若裕度不足，即使当前不振荡，负载变化或磨损后也可能失稳。

四、从曲线到参数：陷波器与增益调整

定位到谐振频率后，最直接的治理手段是启用陷波滤波器。以测得谐振频率 320 Hz、峰值增益 +8 dB 为例，可在 SigmaWin+ 的"振动抑制"页面设置陷波器：中心频率设为 320 Hz，宽度（Q 值）根据峰宽选择，深度设为能压平峰值即可，一般先设 30%～50%，再逐步加深。设置后重新扫频，观察该频率处峰值是否被削平，同时确认相频曲线在目标带宽内没有引入过大相位滞后。

若谐振峰不尖锐而是宽缓抬升，说明系统整体阻尼不足，此时应优先降低速度环增益或提高惯量比辨识精度，而非单纯依赖陷波器。陷波器只针对特定频率，滥用会削弱系统刚度。

五、结果记录与对比

建议每次调整后保存曲线并记录关键数据，形成可追溯的整定记录。下表为示例记录格式，数值为教学假设，实际应以测量结果为准。

通过这样的对比，可以清楚看到陷波器对谐振峰的压制效果，以及增益提升后裕度的变化。频率响应分析的价值，正在于把"调参靠感觉"变成"看曲线做决策"：先测出系统怕什么频率，再决定是压增益、加陷波，还是改机械。掌握这一工具，后续的振动抑制与共振治理才有可靠的量化依据。