本机电一体化论文从电流环调试、速度环调试、位置环调试三方面重点阐述了基于频率响应测试的伺服参数调试方法，为准确设定伺服控制参数奠定了基础。值得注意的是，本文描述的内容并不是针对某一具体厂家的伺服产品，而具有通用性。《机电工程》(月刊)创刊于1971年，被中文核心期刊(1992)收录及《物理学、电技术、计算机及控制信息数据库》收录;荣获中国机械工程学会优秀期刊，《中国学术期刊(光盘版)检索与评价数据规范》执行规范优秀期刊，浙江省优秀科技期刊奖。

　　摘要：基于频率响应测试方法，对数控机床伺服参数优化策略进行了研究。根据机床伺服控制器结构，结合控制过程，提出电流环、速度环及位置环在不同参数下的调试方案。从频率响应Bode图考察伺服性能，表明优化策略具有通用性，能够准确反应伺服系统的闭环带宽及机械谐振频率等信息，为准确设定伺服控制参数奠定基础。

　　关键词：数控机床;频率响应;伺服性能;Bode图

　　引言

　　在数控机床上，进给伺服控制性能是整个机床性能的基础，尤其在高速、高精机床上，进给轴的动态性能更是至关重要。数控机床作为一个复杂的机电一体化系统，伺服系统的调试需要对其中的电气及机械原理有所了解，才能最大化提升整体伺服性能，使机床高速度、高精度、高刚度、高稳定性运行。伺服驱动调试过程可以基于时域指标和频域指标进行。时域指标通常是阶跃响应，而频域指标则是频率响应[1]。时域指标有物理意义明确、便于理解的优点，但是频率响应能够更加详细准确地反应伺服被控对象的模型信息[2]，尤其能够准确反应伺服系统的闭环带宽及机械谐振频率等信息，从而准确设定伺服控制参数。本文重点阐述基于频率响应测试的伺服参数调试方法。

　　1机床伺服控制器结构

　　交流伺服驱动控制通常采用如图1所示的三环控制，三环分别为：电流环、速度环和位置环[3]。电流环与速度环通常都采用PI调节器，而位置环采用P调节器。伺服驱动控制系统性能优化就是优化三环的调节器参数及滤波器参数，从而使伺服系统具有更好的动态性能。系统往往还会使用速度前馈和转矩前馈功能，它们都属于前馈器，系开环控制，不会对系统的稳定性产生影响。前馈控制器参数同机床轴的负载转动惯量及电机转矩常数等系统参数相关，通常不需要特别调试，故不专门讨论。

　　2电流环调试

　　电流环的控制对象是电机电流，即控制电机输出转矩。数控机床上的伺服驱动器与电机通常都是同一厂家的配套设备，相应电流环控制参数均已优化固定，无需手动优化。但若驱动第三方电机，则需调试优化。驱动第三方电机时，需要使用驱动厂家提供的调试工具，输入电机的基本参数(额定电流、额定转矩、相电阻、相电感等，不同驱动器厂家略有差异)，计算生成具体控制参数。尔后，要测试验证电流环的控制效果。测试的方法是测试电流环的闭环频率响应。如果测试结果不理想，可以在默认参数的基础上微调电流环调节器的增益和积分时间，提高电流控制性能。电流环的闭环频率响应Bode图如图2所示。电流环的幅频特性不能有明显的谐振峰值。电流环的相频带宽(-90°带宽)通常较宽，如果带宽很小(例如小于50Hz)，则考虑输入电机的基本参数可能有错误，需要重新输入。

　　3速度环调试

　　速度环的调试优化是机床伺服系统的调试重点，速度环的性能直接决定最终的轴控制性能。在高速、高精机床中，机械系统的柔性(有限传动刚度)与负载惯量对速度环的稳定性及性能影响最大[2]。

　　3.1伺服进给轴结构

　　数控机床的进给轴结构如图3所示。电机的转矩通过连轴节转递到丝杠，丝杠又通过和工作台连接在一起的螺母把旋转的转矩转变成工作台推动力。轴传动系统中诸如联轴器及其他接触部分的柔性变形引起的机械谐振是影响伺服动态性能的关键因素。图4为传动机构的动力学模型示意图，整个转动机构是一个柔性高阶系统。柔性部分会形成谐振频率点[4]，如图5中的Bode图所示。机械谐振会影响速度环的稳定性，也是轴振动的主要原因。

　　3.2速度环优化

　　速度环主要调试参数有PI调节器的增益与积分时间、电流设定值滤波器(陷波滤波器与低通滤波器)参数[4]。参数优化通常由阶跃响应和频率响应两种测试方法进行，一般的伺服驱动器(如西门子的S120)都提供这两种功能。频率响应(闭环频率响应与开环频率响应)能够更加全面地反应系统信息，尤其是能够准确地反映机械谐振频率点，便于准确设定滤波器。调试目标是使幅频带宽(-3dB带宽)和相频带宽(-90°带宽)尽量宽[5]，同时要保证通带频率内谐振峰值不超过3dB[6]，而通带以外不允许有超过0dB的点。调整方法是增大增益Kp，同时积分时间是在默认值附近微调(减小积分时间可以增加速度环带宽)。例如，图5中的幅频特性在通带以外的上翘点为机械谐振频率点。当该点的幅频特性超过0dB时，系统就会失去稳定性，轴就会发生振动。当增大增益Kp后，系统通带以外的机械谐振频率点的幅频特性可能会超过0dB，这就需要使用陷波滤波器或者低通滤波器将该点过滤。

　　图6是使用了陷波滤波后的速度环闭环频率响应Bode图，可以看到谐振频率点处的幅频特性低于0dB。使用陷波滤波或低通滤波器都会影响系统的相频带宽、抬高通带频率内的谐振峰值，所以设定电流指令滤波器后，要重新调整增益Kp。陷波滤波对相频带宽的影响要比低通滤波器小很多，所以调试时要尽量使用陷波滤波器。有时机械特性比较差，存在多个机械谐振频率点，陷波滤波器不充足，这就要尽量在低频的谐振点上使用陷波滤波[7]，高频的谐振点上使用低通滤波，以保证速度环带宽受到最小的影响.陷波滤波参数的各家驱动略有不同，基本有两种：一是陷波中心频率f、陷波宽度fBB和陷波深度K组成;另一种是分子固有频率fZ、分子阻尼系数DZ、分母固有频率fN、分母阻尼系数DN。陷波滤波幅频特性图如图7所示。第一种参数组合设置较易，对应设定即可。

　　4位置环调试

　　位置环通常采用P调节器，即只有比例增益(Kv)一个参数。同速度环一样，提高位置环比例增益会提高位置环带宽。如图8(a)和图8(b)所示，通过提高Kv，位置环带宽从8Hz提高到18Hz。位置环调试要求幅频特性曲线不得超过0dB，否则意味着位置环的阶跃响应会有超调[8]，而超调在位置环控制中是不允许的。对于多轴联动的机床，还要求插补轴的闭环带宽相同，保证加工的轮廓误差最小。所以，位置环要多轴协调调试，在保证带宽一致的情况下尽量提高位置环带宽。