【摘要】數控機床的進給軸控制，以伺服控制為主，高效、精準、良好的伺服控制對于提高機床的加工質量非常重要。針對國產數控系統(tǒng)的伺服特點，利用數字示波器，對國產數控系統(tǒng)配制的數字伺服驅動器和伺服電機的優(yōu)化，成為一種有益可行的探索，本文闡述了如何實現對國產數控系統(tǒng)配制的安川伺服驅動器進行伺服優(yōu)化。

【關鍵詞】伺服優(yōu)化；示波器；增益

1、數控系統(tǒng)的伺服優(yōu)化意義

數控機床的控制核心是數控系統(tǒng)，決定數控機床加工精度的直接執(zhí)行部件是伺服驅動器和伺服電機，伺服驅動的特性對于數控機床加工質量的高低至關重要。

很多進口數控系統(tǒng)，如FANUC、西門子都采用的是工業(yè)數據總線控制，一般是通過專用的伺服軟件連接到數控系統(tǒng)，或者在數控系統(tǒng)上直接對伺服進行優(yōu)化。而國產數控系統(tǒng)一般通過伺服控制電纜及伺服反饋電纜，完成數控系統(tǒng)與伺服驅動器之間的控制，要想對這類伺服進行優(yōu)化，就需要從伺服驅動器上下功夫，另辟蹊徑，研究伺服優(yōu)化方法。

這里介紹一種利用數字示波器，通過對伺服驅動器速度環(huán)、電流環(huán)波形的采樣分析，來完成對國產數控系統(tǒng)伺服進行優(yōu)化的方法。

2、安川伺服驅動器

本文主要的研究對象是在很多國產數控系統(tǒng)上配置的安川伺服驅動器。驅動器動態(tài)特性結構包括電流反饋環(huán)（電流環(huán)）、速度反饋環(huán)（速度環(huán)）、位置反饋環(huán)（位置環(huán)），良好的驅動調整可以使電機具有最佳的運行動態(tài)特性。

（1）電流環(huán)的調整

電流環(huán)參數的調整主要是調整電流環(huán)比例增益和積分增益。電流環(huán)比例增益值加大，伺服的響應變快。一般情況下，負載慣量越大，設定值越大。而電流環(huán)積分增益設定值也與負載的慣量大小有關，設定值取得合適可減小穩(wěn)態(tài)誤差，表現為速度波動率減小。在系統(tǒng)不產生振蕩的條件下，盡量設置的較大?？梢婋娏鳝h(huán)的調整與負載慣量有直接的關系，在安川伺服驅動器中，提供了Pn103慣性比參數，該參數可以通過專用伺服軟件進行測得。慣性比=[電機軸換算的負載慣性動量（JL）/伺服電機的旋轉慣性動量]×100%由于采用的是安川電機和安川驅動器，只要伺服知道了外部的轉動慣量比，那么驅動器自己就可以完成對電流環(huán)的最優(yōu)調整。

（2）位置環(huán)的調整

國產數控系統(tǒng)多是對伺服的位置環(huán)進行直接控制，在數控系統(tǒng)中設置了“跟隨誤差”、“積分微分增益”、“前饋系數”等與驅動位置環(huán)相關參數，系統(tǒng)通過輸出給驅動指令脈沖，同時實時監(jiān)控伺服電機反饋回的位置脈沖，通過系統(tǒng)底層平臺軟件的控制算法計算出結果，來實現插補控制，完成伺服驅動的位置環(huán)控制。因此位置環(huán)的調整主要更改的是數控系統(tǒng)的相關參數。

（3）速度環(huán)的調整

驅動器的速度環(huán)調節(jié)是整個伺服驅動優(yōu)化調整的重點，也是本文的研究重點。驅動器速度環(huán)的調節(jié)主要是速度環(huán)比例增益Pn100的調節(jié)和積分時間常數Pn101的調節(jié)。下面將對通過采集分析驅動器速度、電流波形來設定上述參數的方法進行介紹。

4、多通道數字示波器

為了便于觀察伺服波形和電機運行的動態(tài)特性，此種伺服優(yōu)化所使用的儀器設備：HIKO 8855多通道全數字式示波器。

CN5，該插頭可以通過使用專用的電纜來查看電機的轉速和扭矩指令值。制作了專門的CN5連接電纜，并將電纜連接到多路示波器的CH1通道和CH2通道上。

讓機床執(zhí)行G00 W300； G00 W-300；使機床滑鞍高速往復運行，觀察示波器監(jiān)控波形。如上圖所示，綠色曲線為驅動器動態(tài)電流波形，黃色曲線為驅動器動態(tài)速度波形，將波形采集保存后，進行分析。

速度環(huán)增益Pn100的調節(jié)和積分時間常數Pn101的調節(jié)：

速度環(huán)增益Pn100，值加大，使伺服的動作靈敏、速度加快；Pn100偏大，電機剛度偏硬而出現嘯叫，電機速度波動率大，太大電機會不穩(wěn)定。值太小，電機偏軟會出現爬行現象，且伺服調整動作緩慢，變速、變載時速度有超調，值越小超調量越大，超調過大便會產生低頻振蕩。加大Pn100在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下可減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。

實際加工中積分時間常數Pn101的設定值，與負載的慣量大小及速度環(huán)增益Pn100有關，設定值取得合適可減小穩(wěn)態(tài)誤差，速度波動率減小。值取的過大，會產生抖動，運行速度波動率大。實際中，通過反復試驗總結出如下經驗公式：

Pn101=4000/（2π×Pn100）

在其他參數沒改變的情況下，2軸起震時的伺服增益Pn100基本都在80-90之間，經過多次試驗，發(fā)現將 Pn100的值設定為起振時增益的80%左右很合適，結合示波器圖形，發(fā)現Pn100=60，Pn101=1061對于試驗機床比較合適。

經伺服優(yōu)化后，通過用圓光柵測試，發(fā)現機床兩軸運行有很大的改善，較優(yōu)化前更加接近理想曲線。

6、結語

（1）通過對電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的優(yōu)化調整，實現了對國產數控系統(tǒng)配制的伺服驅動的伺服優(yōu)化，提高了機床的控制特性和加工精度。

（2）利用數字示波器完成對速度曲線、電流曲線波形的采集，輔以自動控制理論、伺服控制理論，結合機床結構特點，對波形進行分析研究，很好的對伺服進行了優(yōu)化。此項嘗試探索，對于經濟型國產數控機床加工質量和裝配質量的提升，意義重大。

參考文獻

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