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玖诺技术局 · 第09期 抑制机械谐振的3种方法
2026-08-06
玖诺技术局 · 第09期
JUNO TECH BUREAU
抑制机械谐振的3种方法
陷波滤波器、低通滤波器、自适应振动抑制——
三种武器各有专攻，用错等于白调
第04期我们讲了"共振异响怎么解决"。
但很多工程师反馈：
知道要用滤波器，可到底用哪种？参数怎么设？三种方法能不能混着用？
这篇文章不讲概念复习，直接给你
三种方法的原理对比、参数计算公式、设置步骤、组合策略和实战案例
。
01 先搞清楚：谐振从哪来？
伺服系统连接机械负载时，联轴器、丝杠、皮带这些传动件都不是绝对刚性的——它们会"弹"。
把电机和负载简化成
两质量模型
：电机端一个惯量，负载端一个惯量，中间用一根"弹簧"（传动件刚性）连着。这个弹簧-质量系统就有一个固有谐振频率。
📐 机械谐振频率公式
f
r
= (1/2π) × √(K / J
L
)
f
r
= 谐振频率（Hz）｜ K = 传动件等效扭转刚度（N·m/rad）｜ J
L
= 负载惯量（kg·m²）
例：
丝杠系统 K=5000 N·m/rad，J
L
=0.002 kg·m²
f
r
= (1/6.28) × √(5000/0.002) = (1/6.28) × √2500000 ≈
252 Hz
关键结论：负载越重→谐振频率越低；传动越软→谐振频率越低。低频谐振最难处理。
当速度环增益提高、带宽接近谐振频率时，控制环路会在谐振频率处发生正反馈放大——
振幅雪崩式增长，电机尖叫、抖动甚至报警
。
这就是为什么你调增益到某个值，突然就"炸"了——你的速度环带宽撞上了机械谐振频率。
谐振频率分区与典型表现
低频谐振
10-100 Hz
嗡嗡声·结构晃动
中频谐振
100-500 Hz
中音啸叫·精度下降
高频谐振
500-3000 Hz
尖锐尖叫·电机过热
低频→振动抑制控制 ｜ 中频→陷波+低通组合 ｜ 高频→陷波滤波器
方法一：陷波滤波器 —— "手术刀"式精准切除
原理：
在控制回路中设置一个带阻滤波器，只对特定频率（谐振频率）及其附近的信号进行大幅衰减，其他频率基本不受影响。
打个比方：谐振频率是350Hz，陷波滤波器就像在350Hz处"挖一个坑"，把这个频率的增益压下去，让控制环路在350Hz处不再正反馈放大。
适用场景：谐振频率固定且明确（>100Hz的高频谐振）
🔧 陷波滤波器三要素
① 中心频率
填实测谐振频率值
获取方式：
• FFT频谱分析找峰值
• 驱动器自动探测功能
• 逐步降低频率法（从高频往低扫）
② 陷波深度
衰减强度，单位dB
初始值：
-20dB（中等）
振动还在→加深到-30~-40dB
定位变迟钝→减浅到-10~-15dB
越深→相位滞后越大
③ 陷波宽度
衰减频率范围
估算公式：
W = f
res
× 10%
350Hz共振→宽度35Hz
共振峰尖→设窄
频率有漂移→加宽到20%
1
FFT频谱分析找共振峰
用调试软件监控电机转速或位置误差，做FFT分析，找到幅值突然升高的尖峰频率。
2
设中心频率 = 实测共振频率
比如FFT测得350Hz，中心频率直接填350。
3
深度初始设-20dB，宽度按f×10%
从"轻抑制"开始，不要一上来拉满。
4
运行测试，逐步加深/收窄
振动没消除→加深5dB；响应变慢→减浅5dB。宽度从窄到宽逐步调整，找到刚好覆盖共振峰的最小宽度。
5
有多个共振峰？开第二个陷波通道
大部分驱动器支持2-4个独立陷波通道。但总量不超过3个，否则相位滞后过大。
✅ 优点
• 精准打击，只压目标频率
• 对系统响应影响最小
• 可叠加多个，逐个压制
• 所有主流品牌都支持
⚠ 局限
• 频率漂移就失效（带载/温度变化）
• 低频（<100Hz）效果差
• 深度过大会引入相位滞后
• 需要"知道"共振频率才能设
方法二：低通滤波器 —— "广谱抗菌"式压制
原理：
在转矩指令输出端加一个低通滤波器，把高于截止频率的所有信号成分统统衰减。不挑频率，高频信号一刀切。
打个比方：陷波滤波器是"定点爆破"，低通滤波器是"地毯式轰炸"——管你什么频率，高于截止频率的全压。
适用场景：共振频率不明确、高频噪声多、或者作为陷波滤波器的补充
📐 截止频率选择公式
f
cutoff
= f
resonance
× (0.5 ~ 0.8)
f
cutoff
= 低通滤波器截止频率｜ f
resonance
= 估算的谐振频率
例：
谐振频率约1000Hz → 截止频率设500-800Hz
谐振频率约500Hz → 截止频率设250-400Hz
注意：截止频率不能设太低！低于速度环带宽时，会严重拖慢系统响应。
低通滤波器通常作用在
转矩指令输出端
（Torque Command Low-Pass Filter），也有品牌把它放在速度反馈路径上。
部分驱动器（如三菱J4/J5）的低通滤波器截止频率会
自动跟随速度环增益调整
：滤波频率 = π × 速度环带宽，确保不会成为瓶颈。
🔧 低通滤波器设置4步
Step 1：
估算或测量谐振频率范围（比如FFT看到800-1200Hz有噪声）
Step 2：
截止频率 = 估算频率 × 0.6（取中间值），设为500Hz
Step 3：
运行测试：振动减轻→OK；响应太慢→提高截止频率到700Hz
Step 4：
如果配合陷波使用：先设陷波压制主共振峰，再用低通"兜底"残留高频噪声
✅ 优点
• 不需要知道精确共振频率
• 对宽带高频噪声效果好
• 设置简单，只需一个参数
• 适合"兜底"补充使用
⚠ 局限
• 会引入相位滞后，拖慢响应
• 对低频谐振（<200Hz）效果差
• 截止频率设低了影响定位精度
• 不能替代陷波，只能补充
方法三：自适应振动抑制 —— "智能追踪"式自动围剿
原理：
驱动器内置算法
实时监测
电机电流/速度反馈中的振荡成分，自动识别共振频率，并动态生成/调整陷波滤波器参数。不需要人工找频率、设参数——驱动器自己干。
这其实是方法一的"自动化升级版"，核心突破在于：
共振频率会变，滤波器跟着变
。
路线A：自适应陷波滤波器
通过FFT实时分析转矩电流，在线辨识共振频率，自动更新陷波中心频率和深度。
适用：
100Hz-2.25kHz的高频谐振
代表品牌：
松下自适应整定、安川自适应滤波器、三菱自适应滤波器Ⅱ
路线B：振动抑制控制
建立两质量模型，通过状态观测器估算负载端振动，主动施加阻尼力矩来消除振动。
适用：
1-100Hz的低频谐振
代表品牌：
三菱高级制振控制Ⅱ、安川振动抑制功能
关键区别：
自适应陷波对付"电机端共振"（编码器能看到的高频振动）；振动抑制控制对付"负载端共振"（编码器看不到的低频晃动，如机械臂末端抖动）。
🔧 自适应整定操作流程（以松下为例）
Step 1：
先手动调好基本增益（惯量比+速度环+位置环），让系统基本稳定
Step 2：
在调试软件中开启"自适应整定"模式
Step 3：
驱动器自动施加激励信号（持续数秒，会有轻微振动声，正常现象）
Step 4：
驱动器自动分析频响，生成陷波滤波器参数（通常10秒内完成）
Step 5：
切换回手动模式，在自适应生成的参数基础上微调增益
Step 6：
提高增益后如果再次出现振动→重新执行自适应整定
✅ 优点
• 不需要手动找共振频率
• 自动追踪频率漂移（带载/温变）
• 可处理多个共振点
• 对操作者技术门槛要求低
⚠ 局限
• 整定过程需注入激励信号
• 复杂共振特性可能识别不准
• 低频振动抑制需要额外功能
• 不同品牌算法水平差异大
三种方法横向对比：什么时候用哪个？
三种方法不是非此即彼的关系，而是
各有专攻、可组合使用
。
对比维度
陷波滤波器
低通滤波器
自适应振动抑制
工作方式
定点窄带压制
宽带高频压制
自动识别+追踪
适用频率
100Hz-3kHz
500Hz以上
1Hz-2.25kHz
需要知道频率？
是（必须FFT测量）
否（估算范围即可）
否（自动识别）
频率漂移适应性
差（需手动重设）
中（宽带覆盖）
优（实时追踪）
对响应影响
小（只压目标频率）
大（相位滞后明显）
小-中（视算法而定）
设置难度
中（需FFT+调三参数）
低（只设截止频率）
低（一键自动）
可叠加数量
2-4个（建议≤3）
1个
1-2个通道
组合使用策略：1+1>2
实际工程中，三种方法
经常组合使用
。以下是三种经典组合策略：
策略A：自适应整定 + 手动陷波微调
适用：
新设备首次调试，共振频率未知
流程：
先跑自适应整定自动生成滤波器→在生成参数基础上手动微调深度和宽度→提升增益到目标值
优势：
省去FFT测量步骤，效率最高
策略B：陷波滤波器 + 低通滤波器
适用：
无自适应功能的老款驱动器，或自适应识别不准时
流程：
FFT找到主共振峰→设陷波压制主峰→开低通滤波器（截止频率设主共振频率的0.5倍）兜底残留高频噪声
优势：
覆盖面广，不漏网
策略C：振动抑制控制 + 自适应陷波
适用：
同时存在低频晃动（负载端）和高频啸叫（电机端）
流程：
先开振动抑制控制处理低频（1-100Hz）→再开自适应陷波处理高频（100Hz+）
优势：
全频段覆盖，处理最复杂的谐振问题
实战案例：JUNO伺服在SCARA机器人上的谐振抑制
📋 设备：JUNO 400W交流伺服 + SCARA机器人第2轴，谐波减速器，惯量比G=8
问题描述：
速度环增益调到180Hz时，第2轴开始发出800Hz左右的尖锐啸叫。降增益到120Hz就不叫了，但定位时间从60ms拖到120ms，无法接受。
Step 1：FFT频谱分析
用调试软件监控电机转速做FFT，在820Hz处出现明显峰值，幅值是其他频率的5倍以上。
结论：主共振频率820Hz，属于高频谐振。
Step 2：设陷波滤波器
• 中心频率：820Hz
• 深度：初始-20dB
• 宽度：820 × 10% = 82Hz
开启后啸叫消失，但增益只能提到150Hz就又开始轻微振动。
Step 3：开低通滤波器兜底
• 截止频率：820 × 0.5 = 410Hz → 设400Hz
开启后残余高频噪声消失，增益可提到180Hz无振动。
Step 4：继续提增益到目标值
陷波+低通组合后，速度环增益稳定提到200Hz（目标值）。
再检查定位时间：58ms ✓
Step 5：带载验证
抓取2kg负载后，FFT发现共振频率从820Hz漂移到780Hz。
处理：陷波宽度从82Hz加宽到120Hz（覆盖760-880Hz范围），重新验证OK。
最终参数：
陷波1（820Hz / -25dB / 宽120Hz）+ 低通（400Hz）+ 速度环增益200Hz + 位置环增益55
效果：
啸叫消除，定位时间58ms（目标60ms），带载2kg稳定运行，跟随误差0.3mm→0.18mm（降40%）
6个常见误区
❌ 误区1：陷波越多越好
每个陷波都会引入相位滞后。超过3个陷波，系统相位裕度急剧下降，反而引入新的低频振荡。正确做法：只针对幅值最大的1-2个共振峰设陷波，其余用低通兜底。
❌ 误区2：不测频率就凭感觉设陷波
不经过FFT分析就猜频率设陷波，可能误压正常控制信号，导致电机转矩波动。必须用调试软件做FFT分析，找到真实共振峰再设。
❌ 误区3：用滤波器掩盖机械问题
如果是螺丝松动、导轨卡死、联轴器磨损导致的振动，加再多滤波器也没用。滤波器只能处理"弹性谐振"，不能处理"间隙松动"。先查机械，再调电气。
❌ 误区4：低通截止频率设太低
截止频率低于速度环带宽时，低通滤波器变成系统瓶颈，电机响应迟钝、定位超调。一般原则：截止频率 ≥ 速度环带宽 × 2。
❌ 误区5：自适应整定完就不管了
自适应整定是基于当前增益和负载生成的。如果你后续提高增益或更换负载，原来的自适应参数可能不再适用。每次大幅调整后都应重新执行自适应整定。
❌ 误区6：低频谐振也用陷波
100Hz以下的低频谐振，陷波滤波器效果很差——因为陷波中心频率太低，宽度难以设窄，容易吃掉正常控制信号。低频谐振应该用振动抑制控制或降低增益+调积分时间。
速记口诀
谐振频率先算清，弹簧质量定死生
陷波像刀精准切，三要素是频深宽
低通广谱压高频，截止别低带宽半
自适应能自动追，一键整定省心烦
高频陷波低频控，组合使用效果翻
陷波别超三个点，机械先查后调参
谐振处理速查表
现象特征
频率范围
首选方法
备选方法
低沉嗡嗡声
10-50Hz
振动抑制控制
降增益+调积分
中频啸叫
100-500Hz
陷波+低通组合
自适应整定
尖锐尖叫
500-3kHz
陷波滤波器
低通兜底
带载后新振
变化
自适应整定
重测频率+陷波
多频段同时振
多个峰
自适应+手动陷波
多陷波+低通
末端臂抖动
1-20Hz
振动抑制控制
降加速度+前馈
需要谐振抑制技术支持？
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💬 评论区互动
你遇到最棘手的谐振问题是什么频率？
是低频嗡嗡、中频啸叫还是高频尖叫？最后用什么方法解决的？
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玖诺技术局 · 第09期 ｜ 深圳玖诺智控科技有限公司
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