本機電一體化論文從電流環調試、速度環調試、位置環調試三方面重點闡述了基于頻率響應測試的伺服參數調試方法，為準確設定伺服控制參數奠定了基礎。值得注意的是，本文描述的內容并不是針對某一具體廠家的伺服產品，而具有通用性。《機電工程》(月刊)創刊于1971年，被中文核心期刊(1992)收錄及《物理學、電技術、計算機及控制信息數據庫》收錄;榮獲中國機械工程學會優秀期刊，《中國學術期刊(光盤版)檢索與評價數據規范》執行規范優秀期刊，浙江省優秀科技期刊獎。

　　摘要：基于頻率響應測試方法，對數控機床伺服參數優化策略進行了研究。根據機床伺服控制器結構，結合控制過程，提出電流環、速度環及位置環在不同參數下的調試方案。從頻率響應Bode圖考察伺服性能，表明優化策略具有通用性，能夠準確反應伺服系統的閉環帶寬及機械諧振頻率等信息，為準確設定伺服控制參數奠定基礎。

　　關鍵詞：數控機床;頻率響應;伺服性能;Bode圖

　　引言

　　在數控機床上，進給伺服控制性能是整個機床性能的基礎，尤其在高速、高精機床上，進給軸的動態性能更是至關重要。數控機床作為一個復雜的機電一體化系統，伺服系統的調試需要對其中的電氣及機械原理有所了解，才能最大化提升整體伺服性能，使機床高速度、高精度、高剛度、高穩定性運行。伺服驅動調試過程可以基于時域指標和頻域指標進行。時域指標通常是階躍響應，而頻域指標則是頻率響應[1]。時域指標有物理意義明確、便于理解的優點，但是頻率響應能夠更加詳細準確地反應伺服被控對象的模型信息[2]，尤其能夠準確反應伺服系統的閉環帶寬及機械諧振頻率等信息，從而準確設定伺服控制參數。本文重點闡述基于頻率響應測試的伺服參數調試方法。

　　1機床伺服控制器結構

　　交流伺服驅動控制通常采用如圖1所示的三環控制，三環分別為：電流環、速度環和位置環[3]。電流環與速度環通常都采用PI調節器，而位置環采用P調節器。伺服驅動控制系統性能優化就是優化三環的調節器參數及濾波器參數，從而使伺服系統具有更好的動態性能。系統往往還會使用速度前饋和轉矩前饋功能，它們都屬于前饋器，系開環控制，不會對系統的穩定性產生影響。前饋控制器參數同機床軸的負載轉動慣量及電機轉矩常數等系統參數相關，通常不需要特別調試，故不專門討論。

　　2電流環調試

　　電流環的控制對象是電機電流，即控制電機輸出轉矩。數控機床上的伺服驅動器與電機通常都是同一廠家的配套設備，相應電流環控制參數均已優化固定，無需手動優化。但若驅動第三方電機，則需調試優化。驅動第三方電機時，需要使用驅動廠家提供的調試工具，輸入電機的基本參數(額定電流、額定轉矩、相電阻、相電感等，不同驅動器廠家略有差異)，計算生成具體控制參數。爾后，要測試驗證電流環的控制效果。測試的方法是測試電流環的閉環頻率響應。如果測試結果不理想，可以在默認參數的基礎上微調電流環調節器的增益和積分時間，提高電流控制性能。電流環的閉環頻率響應Bode圖如圖2所示。電流環的幅頻特性不能有明顯的諧振峰值。電流環的相頻帶寬(-90°帶寬)通常較寬，如果帶寬很小(例如小于50Hz)，則考慮輸入電機的基本參數可能有錯誤，需要重新輸入。

　　3速度環調試

　　速度環的調試優化是機床伺服系統的調試重點，速度環的性能直接決定最終的軸控制性能。在高速、高精機床中，機械系統的柔性(有限傳動剛度)與負載慣量對速度環的穩定性及性能影響最大[2]。

　　3.1伺服進給軸結構

　　數控機床的進給軸結構如圖3所示。電機的轉矩通過連軸節轉遞到絲杠，絲杠又通過和工作臺連接在一起的螺母把旋轉的轉矩轉變成工作臺推動力。軸傳動系統中諸如聯軸器及其他接觸部分的柔性變形引起的機械諧振是影響伺服動態性能的關鍵因素。圖4為傳動機構的動力學模型示意圖，整個轉動機構是一個柔性高階系統。柔性部分會形成諧振頻率點[4]，如圖5中的Bode圖所示。機械諧振會影響速度環的穩定性，也是軸振動的主要原因。

　　3.2速度環優化

　　速度環主要調試參數有PI調節器的增益與積分時間、電流設定值濾波器(陷波濾波器與低通濾波器)參數[4]。參數優化通常由階躍響應和頻率響應兩種測試方法進行，一般的伺服驅動器(如西門子的S120)都提供這兩種功能。頻率響應(閉環頻率響應與開環頻率響應)能夠更加全面地反應系統信息，尤其是能夠準確地反映機械諧振頻率點，便于準確設定濾波器。調試目標是使幅頻帶寬(-3dB帶寬)和相頻帶寬(-90°帶寬)盡量寬[5]，同時要保證通帶頻率內諧振峰值不超過3dB[6]，而通帶以外不允許有超過0dB的點。調整方法是增大增益Kp，同時積分時間是在默認值附近微調(減小積分時間可以增加速度環帶寬)。例如，圖5中的幅頻特性在通帶以外的上翹點為機械諧振頻率點。當該點的幅頻特性超過0dB時，系統就會失去穩定性，軸就會發生振動。當增大增益Kp后，系統通帶以外的機械諧振頻率點的幅頻特性可能會超過0dB，這就需要使用陷波濾波器或者低通濾波器將該點過濾。

　　圖6是使用了陷波濾波后的速度環閉環頻率響應Bode圖，可以看到諧振頻率點處的幅頻特性低于0dB。使用陷波濾波或低通濾波器都會影響系統的相頻帶寬、抬高通帶頻率內的諧振峰值，所以設定電流指令濾波器后，要重新調整增益Kp。陷波濾波對相頻帶寬的影響要比低通濾波器小很多，所以調試時要盡量使用陷波濾波器。有時機械特性比較差，存在多個機械諧振頻率點，陷波濾波器不充足，這就要盡量在低頻的諧振點上使用陷波濾波[7]，高頻的諧振點上使用低通濾波，以保證速度環帶寬受到最小的影響.陷波濾波參數的各家驅動略有不同，基本有兩種：一是陷波中心頻率f、陷波寬度fBB和陷波深度K組成;另一種是分子固有頻率fZ、分子阻尼系數DZ、分母固有頻率fN、分母阻尼系數DN。陷波濾波幅頻特性圖如圖7所示。第一種參數組合設置較易，對應設定即可。

　　4位置環調試

　　位置環通常采用P調節器，即只有比例增益(Kv)一個參數。同速度環一樣，提高位置環比例增益會提高位置環帶寬。如圖8(a)和圖8(b)所示，通過提高Kv，位置環帶寬從8Hz提高到18Hz。位置環調試要求幅頻特性曲線不得超過0dB，否則意味著位置環的階躍響應會有超調[8]，而超調在位置環控制中是不允許的。對于多軸聯動的機床，還要求插補軸的閉環帶寬相同，保證加工的輪廓誤差最小。所以，位置環要多軸協調調試，在保證帶寬一致的情況下盡量提高位置環帶寬。