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Servosysteme können aufgrund von Flexibilität oder Spiel in mechanischen Komponenten mitschwingen. Resonanz kann die Systemleistung beeinträchtigen, hörbare Geräusche verursachen und im Extremfall sogar die Hardware beschädigen.
Beim Servo-Tuning wird die Verstärkung des Reglers eingestellt, um die Leistung des Servos zu optimieren. Mit zunehmender Verstärkung nehmen jedoch normalerweise auch die Anzahl und Schwere der Resonanzen zu.
Mechanische Resonanz entsteht, wenn die Eigenfrequenz des Systems angeregt wird. Wenn das Servo-Feedback eine Komponente der Eigenfrequenz des Systems enthält, wird der der Eigenfrequenz innewohnende Verstärkungsfaktor zur Reglerverstärkung addiert, was zu starken Vibrationen und Instabilität des Servokreises führen kann.
Zu den Optionen zur Reduzierung der Resonanz gehören mechanische Lösungen wie die Verwendung steiferer Kupplungen, Wellen und Antriebskomponenten (Schrauben, Riemen, Getriebe). Dies ist jedoch bei gleichbleibender Leistung und Kosten nur schwer zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Verhältnis von Last zu Motorträgheit zu verringern, indem die Lastparameter geändert, ein Motor mit höherer Trägheit oder ein Getriebe mit höherer Untersetzung verwendet wird. Aber Lastparameter lassen sich nur schwer ändern, Servomotoren mit höherer Trägheit (normalerweise größere) erfordern zusätzliches Drehmoment und andere Faktoren spielen bei der Auswahl der Übersetzungsverhältnisse eine Rolle – wodurch diese Auswahl nicht ideal oder einfach nicht durchführbar ist.
Aus Sicht der Servoabstimmung kann die Resonanz durch Reduzierung der Regelverstärkung reduziert oder eliminiert werden. Dies beeinträchtigt jedoch die Leistung des Servos, da seine Bandbreite und damit seine Reaktionsfähigkeit verringert werden. Der einfachste Weg, Resonanzen zu reduzieren und gleichzeitig die höchstmögliche Regelverstärkung beizubehalten, besteht darin, dem Regelkreis einen Filter hinzuzufügen.
Resonanzen können in hohe, mittlere oder niedrige Frequenzen eingeteilt werden, je nachdem, wie nahe sie an der Bandbreite des Regelkreises liegen (oberhalb, nahe bzw. darunter). Bei den meisten Servos kommt es zu hochfrequenten Resonanzen, die sich in einem hohen Quietschen bemerkbar machen. Zwei Arten von Filtern, die üblicherweise für Hochfrequenzresonanzen verwendet werden, sind Kerbfilter und Niederfrequenzfilter.
Notch-Filter
Ein Notch-Filter dämpft oder reduziert einen bestimmten engen Frequenzbereich in der Nähe der Mittenfrequenz (der Trap). Frequenzen oberhalb oder unterhalb des festgelegten Bereichs werden unverändert durchgelassen - ein anderer Begriff für ein Sperrfilter ist daher "Bandstoppfilter". Signale in der Nähe der Trap-Frequenz (Mittenfrequenz) werden stark gedämpft, aber die Dämpfung fällt an beiden Enden des angegebenen Bereichs ab.
Ein Nachteil von Notch-Filtern besteht darin, dass sie unwirksam werden, wenn sich die Resonanzfrequenz erheblich ändert. Änderungen der Resonanzfrequenz können durch Änderungen der Lastträgheit verursacht werden. Beispielsweise ändert sich bei Verteilungsanwendungen die Last, wenn das Produkt verteilt wird. Sie können sich auch mit der Nachgiebigkeit und dem zunehmenden Spiel ändern, wenn mechanische Teile „abgenutzt“ werden und Verbindungen locker werden oder das Spiel zunimmt.
Niederfrequenzfilter
Ein Niederfrequenzfilter dämpft Hochfrequenzsignale, die seine Bandbreite überschreiten, während Niederfrequenzsignale unverändert bleiben. Da sie jedoch auf die Hochfrequenzreaktion des Systems einwirken, können sie die Leistung des Servosystems beeinträchtigen. Und wenn die Problemfrequenz niedrig ist, kann die Verwendung eines Niederfrequenzfilters mit einer Bandbreite nahe der Servoreaktion dazu führen, dass das Servosystem instabil wird. Die meisten Lösungen für Resonanzprobleme verwenden einen oder mehrere Kerbfilter zusammen mit einem Niederfrequenzfilter.
Einige Servoantriebe konfigurieren die Filterparameter in ihrer "Auto Tune"-Funktion. Wenn der Filter nur geringe Auswirkungen auf die Resonanz hat (in der Regel bei Frequenzen unter 500 Hz), können andere Antriebsfunktionen (z. B. die Schwingungsunterdrückung) ihre umständlichen Parametereinstellungen reduzieren.
Die hier beschriebenen Resonanzarten werden „motorseitige Resonanzen“ genannt, da sie zum Motor zurückreflektiert und vom Encoder erfasst werden. Dies bedeutet, dass sie durch Anpassung der Regelkreisverstärkung und Anwendung von Filtern reduziert oder eliminiert werden können.
Eine andere Art von Resonanz wird als "lastseitige Resonanz" bezeichnet. Diese Resonanzen entstehen, wenn die Last oder der Endeffektor aufgrund der Nachgiebigkeit der Verbindung zum Antriebsstrang und Motor schwingt. Lastseitige Resonanzen werden in der Regel nicht vom Geber erfasst und daher auch nicht von der Abstimmung oder Filterung der Servoschleife beeinflusst. Lastseitige Resonanzen treten besonders häufig bei Robotern, Kränen und anderen Konstruktionen mit hohen Auslegerlasten auf.

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