数控系统伺服驱动优化方法

康世斌

摘 要：如何提高伺服驱动系统的动态特性和零件加工精度，是维修、调试人员必须掌握的一项工作。机床各轴的驱动、电机的数据，比如速度环、位置环的增益会直接影响轴的动态运行特性。如果这些参数设置不当，就可能出现机床振动、伺服电机啸叫等现象，使加工无法进行，甚至导致丝杆或导轨损坏。目前，数控机床配置的数控系统主要为日本的FANUC和德国的SIEMENS系统。以这2种系统为例，阐述了驱动参数的优化方法及其具有的实际意义。

关键词：伺服驱动；速度环；位置环；优化设计

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0012-03

1 优化的基本原理

伺服驱动优化的目的是使机电系统的匹配达到最佳选择，从而获得较高的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统间的不匹配通常会引起机床震动、加工零件表面过切或表面质量不合格等问题。尤其在磨具加工中，优化伺服驱动是必须的。

数控系统伺服驱动包括3个反馈回路，即位置回路、速度回路和电流回路，具体如图1所示。最内环回路的反应速度最快，但中间环节的反应速度必须高于最外环。如果没有遵守上述原则，则会造成震动或反应不良。

伺服优化的一般原则为“位置控制回路的速度不能高于速度控制回路的反应速度”。因此，如果要增加位置回路增益，则必须先增加速度回路的增益。如果仅增加了位置回路增益，机床则很容易振动，进而使速度指令和定位时间增加。在优化伺服时，必须了解机床的机械性能，这是因为系统优化是建立在机械装配的性能上的。因此，不仅要确保伺服驱动的反应，还必须确保机械系统具备高刚性。

2 FANUC 0iC系统的优化过程

以日本的FANUC 0iC系统为例，主要优化伺服的调整画面，其画面如图2所示。

将功能位参数P2003的位3设定为“1”，回路增益参数P1825设定为“3 000”，速度增益参数P2021从200增加，每增加100后，采用JOG移动坐标检测是否震动，或检测伺服波形（TCMD）是否平滑。值得注意的是，速度增益=[负载惯量比（参数P2021）+256]/256×100. 负载惯量比表示电机的惯量和负载的惯量比，其直接与具体的机床相关，一定要调整。

在伺服波形显示中，将参数P3112#0改为“1”（调整完成后，还原0），关机后重新开机。将采样时间设定为“5 000”后，如果要调整X轴，则设定数据为“51”，并检查实际速度，具体如图3所示。

启动时，如果波形不光滑，则表示伺服增益不足，需要再次提高；如果在中间的直线上有波动，则可能是因高增益引起的震动，可通过设定参数“2 066=-10”（增加伺服电流环250 um）解决该问题。具体如图4所示。

在N脉冲的抑制中，因提高了速度增益，导致机床在停止时出现了小范围的震荡（低频）。从伺服调整画面位置的误差中可看出，在没有下达指令时，误差在0左右变化。使用单脉冲抑制功能可消除此震荡，我们可按以下2步调整：①如果震荡在0～1的范围内变化，则设置参数2003#4为“1”；②设置参数2099为“400”。

在250 um加速反馈方面，电机与机床弹性连接，负载惯量比电机的惯量大。在调整负载惯量比时（>512），会产生50～150 Hz的振动。此时，不要降低负载惯量的比值，可设定此参数改善。此功能将加速度反馈增益乘以电机速度反馈信号的微分值，通过补偿转矩指令Tcmd，达到抑制速度环震荡的目的。

速度回路和位置回路的高增益可改善伺服系统的响应速度和刚性，进而减少机床的加工形状误差，提高定位速度，使伺服得以简化。HRV2控制可改善整个系统的伺服性能。伺服采用HRV2调整后，可用HRV3改善高速电流控制，从而可进行高精度的机械加工。标准HRV2高精度伺服设定控制设定参数如表1所示。

3 SIEMENS810/840D系统的自动优化

SIEMENS810/840D系统具有自动优化的功能。驱动系统在负载状态下的自动测试器和分析调节器具有的频率特性，可确保调节器的比例增益和积分时间常数。如果自动优化的结果不理想，达不到机床的最佳控制效果，则需要在此基础上手工优化。

下面对自动优化的具体步骤作一详细介绍。

在优化SIEMENS810/840D系统前，要使机床在JOG方式下运行，在如图5所示。调节画面中可选“Without PLC”，这样在优化过程中PLC不生效。

SIEMENS840D中PCU50轴优化的具体步骤有以下9步：①菜单→启动→驱动/伺服轴→扩展→自动控制设置。②自动控制窗口的设置。设置PLC不生效和上限、下限。③按右侧垂直菜单的启动键，显示“开始机械系统测量部分1”后点击“确认”。④按“程序启动”，电机正转，显示“开始机械系统测量部分2”后点击“确认”。⑤再次按“程序启动”，电机反转，显示“启动当前控制的测量”后点击“确认”。⑥再次按“程序启动”显示“控制器数据开始计算”后点击“确认”。⑦窗口显示。具体如图6所示。⑧按右侧垂直菜单的“保存”，显示“开始测量速度控制回路”后点击“确认”。⑨再次按“程序启动”，手动适当修改驱动参数1407.

4 SIEMENS810/840D系统的手动优化

由于自动优化的结果并不理想，所以，大部分情况下采取手工优化。手工优化利用自动优化的结果，在原调节器比例增益和积分时间常数的基础上，更好地确定调节器比例增益和积分时间常数。此外，还要根据测量结果设定各种滤波器控制数据，以消除驱动系统的共振点。

4.1 速度控制环的手动优化

速度控制环优化分为比例增益和积分时间常数两个方面，应先确定比例增益，再优化积分时间常数。如果将速度调节器的积分时间常数MD1409调整到500 ms，则积分环节会处于无效状态。此时PI速度调节器也会转化为P调节器。为了确定比例增益的初值，可从较小的值开始，逐渐增加比例增益，直到机床发生共振或伺服电机发出啸叫声为止。我们将此时的比例增益乘以0.5，作为首次测量的初值。

参考频率响应是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）优化最重要的方法之一。优化后显示的幅值（db）和相位如图7所示：速度实际值会随设定值的变化而变化；0 db表示实际速度与设定速度值的幅值相同；0相位表明实际速度随设定值具有最小延时。手动优化大量、反复、多次地调整Kp和Tn的数值，目的是使频率特性幅值在0 db处保持尽可能宽的范围，不出现不稳定的振荡情况。必要时，也需要不断调整滤波器的参数。

4.2 位置控制环的优化

位置环的优化主要是指位置调节器的优化。影响位置调节器的主要控制数据是伺服增益因子，这是因为系统的跟随误差与它密切关系。调整位置调节器伺服增益因子的前提条件是速度调节器具有较高的比例增益。因此，速度调节器的优化是位置调节器特性调整的基础。

调整伺服增益因子的目标是使系统的跟随误差降至最低。增加伺服增益因子可减少系统的跟随误差，但伺服增益因子不能调整得过大，否则会导致系统超调，甚至出现振荡现象。一般情况下，为了获得较高的轮廓加工精度，应尽可能地增大伺服增益因子。此外，伺服增益因子应在机床参数MD3220中设置。

优化位置调节器最简单的方法是观察它的跟随特性。当伺服增益系数改变时，在操作面板可看到Following error（跟随误差）的变化，进而可判断伺服增益因子是否达到最佳状态。具体如图8所示。

5 结束语

对FANUC和SIEMENS系统速度环、位置环调试后发现，机床参数调整是一项复杂、烦琐的工作，参数之间会相互影响，且需要反复调试确定。因此，优化系统参数可改善加工效果。

参考文献

[1]郭亮，梅雪松，张东升，等.840D数控系统的伺服参数优化[J].机电工程，2011（04）.

[2]杨诚.西门子611D驱动优化的工程应用研究[D].上海：同济大学，2007.

〔编辑：张思楠〕

摘 要：如何提高伺服驱动系统的动态特性和零件加工精度，是维修、调试人员必须掌握的一项工作。机床各轴的驱动、电机的数据，比如速度环、位置环的增益会直接影响轴的动态运行特性。如果这些参数设置不当，就可能出现机床振动、伺服电机啸叫等现象，使加工无法进行，甚至导致丝杆或导轨损坏。目前，数控机床配置的数控系统主要为日本的FANUC和德国的SIEMENS系统。以这2种系统为例，阐述了驱动参数的优化方法及其具有的实际意义。

关键词：伺服驱动；速度环；位置环；优化设计

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0012-03

1 优化的基本原理

伺服驱动优化的目的是使机电系统的匹配达到最佳选择，从而获得较高的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统间的不匹配通常会引起机床震动、加工零件表面过切或表面质量不合格等问题。尤其在磨具加工中，优化伺服驱动是必须的。

数控系统伺服驱动包括3个反馈回路，即位置回路、速度回路和电流回路，具体如图1所示。最内环回路的反应速度最快，但中间环节的反应速度必须高于最外环。如果没有遵守上述原则，则会造成震动或反应不良。

伺服优化的一般原则为“位置控制回路的速度不能高于速度控制回路的反应速度”。因此，如果要增加位置回路增益，则必须先增加速度回路的增益。如果仅增加了位置回路增益，机床则很容易振动，进而使速度指令和定位时间增加。在优化伺服时，必须了解机床的机械性能，这是因为系统优化是建立在机械装配的性能上的。因此，不仅要确保伺服驱动的反应，还必须确保机械系统具备高刚性。

2 FANUC 0iC系统的优化过程

以日本的FANUC 0iC系统为例，主要优化伺服的调整画面，其画面如图2所示。

将功能位参数P2003的位3设定为“1”，回路增益参数P1825设定为“3 000”，速度增益参数P2021从200增加，每增加100后，采用JOG移动坐标检测是否震动，或检测伺服波形（TCMD）是否平滑。值得注意的是，速度增益=[负载惯量比（参数P2021）+256]/256×100. 负载惯量比表示电机的惯量和负载的惯量比，其直接与具体的机床相关，一定要调整。

在伺服波形显示中，将参数P3112#0改为“1”（调整完成后，还原0），关机后重新开机。将采样时间设定为“5 000”后，如果要调整X轴，则设定数据为“51”，并检查实际速度，具体如图3所示。

启动时，如果波形不光滑，则表示伺服增益不足，需要再次提高；如果在中间的直线上有波动，则可能是因高增益引起的震动，可通过设定参数“2 066=-10”（增加伺服电流环250 um）解决该问题。具体如图4所示。

在N脉冲的抑制中，因提高了速度增益，导致机床在停止时出现了小范围的震荡（低频）。从伺服调整画面位置的误差中可看出，在没有下达指令时，误差在0左右变化。使用单脉冲抑制功能可消除此震荡，我们可按以下2步调整：①如果震荡在0～1的范围内变化，则设置参数2003#4为“1”；②设置参数2099为“400”。

在250 um加速反馈方面，电机与机床弹性连接，负载惯量比电机的惯量大。在调整负载惯量比时（>512），会产生50～150 Hz的振动。此时，不要降低负载惯量的比值，可设定此参数改善。此功能将加速度反馈增益乘以电机速度反馈信号的微分值，通过补偿转矩指令Tcmd，达到抑制速度环震荡的目的。

速度回路和位置回路的高增益可改善伺服系统的响应速度和刚性，进而减少机床的加工形状误差，提高定位速度，使伺服得以简化。HRV2控制可改善整个系统的伺服性能。伺服采用HRV2调整后，可用HRV3改善高速电流控制，从而可进行高精度的机械加工。标准HRV2高精度伺服设定控制设定参数如表1所示。

3 SIEMENS810/840D系统的自动优化

SIEMENS810/840D系统具有自动优化的功能。驱动系统在负载状态下的自动测试器和分析调节器具有的频率特性，可确保调节器的比例增益和积分时间常数。如果自动优化的结果不理想，达不到机床的最佳控制效果，则需要在此基础上手工优化。

下面对自动优化的具体步骤作一详细介绍。

在优化SIEMENS810/840D系统前，要使机床在JOG方式下运行，在如图5所示。调节画面中可选“Without PLC”，这样在优化过程中PLC不生效。

SIEMENS840D中PCU50轴优化的具体步骤有以下9步：①菜单→启动→驱动/伺服轴→扩展→自动控制设置。②自动控制窗口的设置。设置PLC不生效和上限、下限。③按右侧垂直菜单的启动键，显示“开始机械系统测量部分1”后点击“确认”。④按“程序启动”，电机正转，显示“开始机械系统测量部分2”后点击“确认”。⑤再次按“程序启动”，电机反转，显示“启动当前控制的测量”后点击“确认”。⑥再次按“程序启动”显示“控制器数据开始计算”后点击“确认”。⑦窗口显示。具体如图6所示。⑧按右侧垂直菜单的“保存”，显示“开始测量速度控制回路”后点击“确认”。⑨再次按“程序启动”，手动适当修改驱动参数1407.

4 SIEMENS810/840D系统的手动优化

由于自动优化的结果并不理想，所以，大部分情况下采取手工优化。手工优化利用自动优化的结果，在原调节器比例增益和积分时间常数的基础上，更好地确定调节器比例增益和积分时间常数。此外，还要根据测量结果设定各种滤波器控制数据，以消除驱动系统的共振点。

4.1 速度控制环的手动优化

速度控制环优化分为比例增益和积分时间常数两个方面，应先确定比例增益，再优化积分时间常数。如果将速度调节器的积分时间常数MD1409调整到500 ms，则积分环节会处于无效状态。此时PI速度调节器也会转化为P调节器。为了确定比例增益的初值，可从较小的值开始，逐渐增加比例增益，直到机床发生共振或伺服电机发出啸叫声为止。我们将此时的比例增益乘以0.5，作为首次测量的初值。

参考频率响应是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）优化最重要的方法之一。优化后显示的幅值（db）和相位如图7所示：速度实际值会随设定值的变化而变化；0 db表示实际速度与设定速度值的幅值相同；0相位表明实际速度随设定值具有最小延时。手动优化大量、反复、多次地调整Kp和Tn的数值，目的是使频率特性幅值在0 db处保持尽可能宽的范围，不出现不稳定的振荡情况。必要时，也需要不断调整滤波器的参数。

4.2 位置控制环的优化

位置环的优化主要是指位置调节器的优化。影响位置调节器的主要控制数据是伺服增益因子，这是因为系统的跟随误差与它密切关系。调整位置调节器伺服增益因子的前提条件是速度调节器具有较高的比例增益。因此，速度调节器的优化是位置调节器特性调整的基础。

调整伺服增益因子的目标是使系统的跟随误差降至最低。增加伺服增益因子可减少系统的跟随误差，但伺服增益因子不能调整得过大，否则会导致系统超调，甚至出现振荡现象。一般情况下，为了获得较高的轮廓加工精度，应尽可能地增大伺服增益因子。此外，伺服增益因子应在机床参数MD3220中设置。

优化位置调节器最简单的方法是观察它的跟随特性。当伺服增益系数改变时，在操作面板可看到Following error（跟随误差）的变化，进而可判断伺服增益因子是否达到最佳状态。具体如图8所示。

5 结束语

对FANUC和SIEMENS系统速度环、位置环调试后发现，机床参数调整是一项复杂、烦琐的工作，参数之间会相互影响，且需要反复调试确定。因此，优化系统参数可改善加工效果。

参考文献

[1]郭亮，梅雪松，张东升，等.840D数控系统的伺服参数优化[J].机电工程，2011（04）.

[2]杨诚.西门子611D驱动优化的工程应用研究[D].上海：同济大学，2007.

〔编辑：张思楠〕

摘 要：如何提高伺服驱动系统的动态特性和零件加工精度，是维修、调试人员必须掌握的一项工作。机床各轴的驱动、电机的数据，比如速度环、位置环的增益会直接影响轴的动态运行特性。如果这些参数设置不当，就可能出现机床振动、伺服电机啸叫等现象，使加工无法进行，甚至导致丝杆或导轨损坏。目前，数控机床配置的数控系统主要为日本的FANUC和德国的SIEMENS系统。以这2种系统为例，阐述了驱动参数的优化方法及其具有的实际意义。

关键词：伺服驱动；速度环；位置环；优化设计

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0012-03

1 优化的基本原理

伺服驱动优化的目的是使机电系统的匹配达到最佳选择，从而获得较高的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统间的不匹配通常会引起机床震动、加工零件表面过切或表面质量不合格等问题。尤其在磨具加工中，优化伺服驱动是必须的。

数控系统伺服驱动包括3个反馈回路，即位置回路、速度回路和电流回路，具体如图1所示。最内环回路的反应速度最快，但中间环节的反应速度必须高于最外环。如果没有遵守上述原则，则会造成震动或反应不良。

伺服优化的一般原则为“位置控制回路的速度不能高于速度控制回路的反应速度”。因此，如果要增加位置回路增益，则必须先增加速度回路的增益。如果仅增加了位置回路增益，机床则很容易振动，进而使速度指令和定位时间增加。在优化伺服时，必须了解机床的机械性能，这是因为系统优化是建立在机械装配的性能上的。因此，不仅要确保伺服驱动的反应，还必须确保机械系统具备高刚性。

2 FANUC 0iC系统的优化过程

以日本的FANUC 0iC系统为例，主要优化伺服的调整画面，其画面如图2所示。

将功能位参数P2003的位3设定为“1”，回路增益参数P1825设定为“3 000”，速度增益参数P2021从200增加，每增加100后，采用JOG移动坐标检测是否震动，或检测伺服波形（TCMD）是否平滑。值得注意的是，速度增益=[负载惯量比（参数P2021）+256]/256×100. 负载惯量比表示电机的惯量和负载的惯量比，其直接与具体的机床相关，一定要调整。

在伺服波形显示中，将参数P3112#0改为“1”（调整完成后，还原0），关机后重新开机。将采样时间设定为“5 000”后，如果要调整X轴，则设定数据为“51”，并检查实际速度，具体如图3所示。

启动时，如果波形不光滑，则表示伺服增益不足，需要再次提高；如果在中间的直线上有波动，则可能是因高增益引起的震动，可通过设定参数“2 066=-10”（增加伺服电流环250 um）解决该问题。具体如图4所示。

在N脉冲的抑制中，因提高了速度增益，导致机床在停止时出现了小范围的震荡（低频）。从伺服调整画面位置的误差中可看出，在没有下达指令时，误差在0左右变化。使用单脉冲抑制功能可消除此震荡，我们可按以下2步调整：①如果震荡在0～1的范围内变化，则设置参数2003#4为“1”；②设置参数2099为“400”。

在250 um加速反馈方面，电机与机床弹性连接，负载惯量比电机的惯量大。在调整负载惯量比时（>512），会产生50～150 Hz的振动。此时，不要降低负载惯量的比值，可设定此参数改善。此功能将加速度反馈增益乘以电机速度反馈信号的微分值，通过补偿转矩指令Tcmd，达到抑制速度环震荡的目的。

速度回路和位置回路的高增益可改善伺服系统的响应速度和刚性，进而减少机床的加工形状误差，提高定位速度，使伺服得以简化。HRV2控制可改善整个系统的伺服性能。伺服采用HRV2调整后，可用HRV3改善高速电流控制，从而可进行高精度的机械加工。标准HRV2高精度伺服设定控制设定参数如表1所示。

3 SIEMENS810/840D系统的自动优化

SIEMENS810/840D系统具有自动优化的功能。驱动系统在负载状态下的自动测试器和分析调节器具有的频率特性，可确保调节器的比例增益和积分时间常数。如果自动优化的结果不理想，达不到机床的最佳控制效果，则需要在此基础上手工优化。

下面对自动优化的具体步骤作一详细介绍。

在优化SIEMENS810/840D系统前，要使机床在JOG方式下运行，在如图5所示。调节画面中可选“Without PLC”，这样在优化过程中PLC不生效。

SIEMENS840D中PCU50轴优化的具体步骤有以下9步：①菜单→启动→驱动/伺服轴→扩展→自动控制设置。②自动控制窗口的设置。设置PLC不生效和上限、下限。③按右侧垂直菜单的启动键，显示“开始机械系统测量部分1”后点击“确认”。④按“程序启动”，电机正转，显示“开始机械系统测量部分2”后点击“确认”。⑤再次按“程序启动”，电机反转，显示“启动当前控制的测量”后点击“确认”。⑥再次按“程序启动”显示“控制器数据开始计算”后点击“确认”。⑦窗口显示。具体如图6所示。⑧按右侧垂直菜单的“保存”，显示“开始测量速度控制回路”后点击“确认”。⑨再次按“程序启动”，手动适当修改驱动参数1407.

4 SIEMENS810/840D系统的手动优化

由于自动优化的结果并不理想，所以，大部分情况下采取手工优化。手工优化利用自动优化的结果，在原调节器比例增益和积分时间常数的基础上，更好地确定调节器比例增益和积分时间常数。此外，还要根据测量结果设定各种滤波器控制数据，以消除驱动系统的共振点。

4.1 速度控制环的手动优化

速度控制环优化分为比例增益和积分时间常数两个方面，应先确定比例增益，再优化积分时间常数。如果将速度调节器的积分时间常数MD1409调整到500 ms，则积分环节会处于无效状态。此时PI速度调节器也会转化为P调节器。为了确定比例增益的初值，可从较小的值开始，逐渐增加比例增益，直到机床发生共振或伺服电机发出啸叫声为止。我们将此时的比例增益乘以0.5，作为首次测量的初值。

参考频率响应是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）优化最重要的方法之一。优化后显示的幅值（db）和相位如图7所示：速度实际值会随设定值的变化而变化；0 db表示实际速度与设定速度值的幅值相同；0相位表明实际速度随设定值具有最小延时。手动优化大量、反复、多次地调整Kp和Tn的数值，目的是使频率特性幅值在0 db处保持尽可能宽的范围，不出现不稳定的振荡情况。必要时，也需要不断调整滤波器的参数。

4.2 位置控制环的优化

位置环的优化主要是指位置调节器的优化。影响位置调节器的主要控制数据是伺服增益因子，这是因为系统的跟随误差与它密切关系。调整位置调节器伺服增益因子的前提条件是速度调节器具有较高的比例增益。因此，速度调节器的优化是位置调节器特性调整的基础。

调整伺服增益因子的目标是使系统的跟随误差降至最低。增加伺服增益因子可减少系统的跟随误差，但伺服增益因子不能调整得过大，否则会导致系统超调，甚至出现振荡现象。一般情况下，为了获得较高的轮廓加工精度，应尽可能地增大伺服增益因子。此外，伺服增益因子应在机床参数MD3220中设置。

优化位置调节器最简单的方法是观察它的跟随特性。当伺服增益系数改变时，在操作面板可看到Following error（跟随误差）的变化，进而可判断伺服增益因子是否达到最佳状态。具体如图8所示。

5 结束语

对FANUC和SIEMENS系统速度环、位置环调试后发现，机床参数调整是一项复杂、烦琐的工作，参数之间会相互影响，且需要反复调试确定。因此，优化系统参数可改善加工效果。

参考文献

[1]郭亮，梅雪松，张东升，等.840D数控系统的伺服参数优化[J].机电工程，2011（04）.

[2]杨诚.西门子611D驱动优化的工程应用研究[D].上海：同济大学，2007.

〔编辑：张思楠〕