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【摘要】数控机床的进给轴控制，以伺服控制为主，高效、精准、良好的伺服控制对于提高机床的加工质量非常重要。针对国产数控系统的伺服特点，利用数字示波器，对国产数控系统配制的数字伺服驱动器和伺服电机的优化，成为一种有益可行的探索，本文阐述了如何实现对国产数控系统配制的安川伺服驱动器进行伺服优化。
【关键词】伺服优化；示波器；增益
1、数控系统的伺服优化意义
数控机床的控制核心是数控系统，决定数控机床加工精度的直接执行部件是伺服驱动器和伺服电机，伺服驱动的特性对于数控机床加工质量的高低至关重要。
很多进口数控系统，如FANUC、西门子都采用的是工业数据总线控制，一般是通过专用的伺服软件连接到数控系统，或者在数控系统上直接对伺服进行优化。而国产数控系统一般通过伺服控制电缆及伺服反馈电缆，完成数控系统与伺服驱动器之间的控制，要想对这类伺服进行优化，就需要从伺服驱动器上下功夫，另辟蹊径，研究伺服优化方法。
这里介绍一种利用数字示波器，通过对伺服驱动器速度环、电流环波形的采样分析，来完成对国产数控系统伺服进行优化的方法。
2、安川伺服驱动器
本文主要的研究对象是在很多国产数控系统上配置的安川伺服驱动器。驱动器动态特性结构包括电流反馈环（电流环）、速度反馈环（速度环）、位置反馈环（位置环），良好的驱动调整可以使电机具有最佳的运行动态特性。
（1）电流环的调整
电流环参数的调整主要是调整电流环比例增益和积分增益。电流环比例增益值加大，伺服的响应变快。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。而电流环积分增益设定值也与负载的惯量大小有关，设定值取得合适可减小稳态误差，表现为速度波动率减小。在系统不产生振荡的条件下，尽量设置的较大。可见电流环的调整与负载惯量有直接的关系，在安川伺服驱动器中，提供了Pn103惯性比参数，该参数可以通过专用伺服软件进行测得。惯性比=[电机轴换算的负载惯性动量（JL）/伺服电机的旋转惯性动量]×100%由于采用的是安川电机和安川驱动器，只要伺服知道了外部的转动惯量比，那么驱动器自己就可以完成对电流环的最优调整。
（2）位置环的调整
国产数控系统多是对伺服的位置环进行直接控制，在数控系统中设置了“跟随误差”、“积分微分增益”、“前馈系数”等与驱动位置环相关参数，系统通过输出给驱动指令脉冲，同时实时监控伺服电机反馈回的位置脉冲，通过系统底层平台软件的控制算法计算出结果，来实现插补控制，完成伺服驱动的位置环控制。因此位置环的调整主要更改的是数控系统的相关参数。
（3）速度环的调整
驱动器的速度环调节是整个伺服驱动优化调整的重点，也是本文的研究重点。驱动器速度环的调节主要是速度环比例增益Pn100的调节和积分时间常数Pn101的调节。下面将对通过采集分析驱动器速度、电流波形来设定上述参数的方法进行介绍。
4、多通道数字示波器
为了便于观察伺服波形和电机运行的动态特性，此种伺服优化所使用的仪器设备：HIKO 8855多通道全数字式示波器。
CN5，该插头可以通过使用专用的电缆来查看电机的转速和扭矩指令值。制作了专门的CN5连接电缆，并将电缆连接到多路示波器的CH1通道和CH2通道上。
让机床执行G00 W300； G00 W-300；使机床滑鞍高速往复运行，观察示波器监控波形。如上图所示，绿色曲线为驱动器动态电流波形，黄色曲线为驱动器动态速度波形，将波形采集保存后，进行分析。
速度环增益Pn100的调节和积分时间常数Pn101的调节：
速度环增益Pn100，值加大，使伺服的动作灵敏、速度加快；Pn100偏大，电机刚度偏硬而出现啸叫，电机速度波动率大，太大电机会不稳定。值太小，电机偏软会出现爬行现象，且伺服调整动作缓慢，变速、变载时速度有超调，值越小超调量越大，超调过大便会产生低频振荡。加大Pn100在系统稳定的情况下可减少稳态误差，提高控制精度。
实际加工中积分时间常数Pn101的设定值，与负载的惯量大小及速度环增益Pn100有关，设定值取得合适可减小稳态误差，速度波动率减小。值取的过大，会产生抖动，运行速度波动率大。实际中，通过反复试验总结出如下经验公式：
Pn101=4000/（2π×Pn100）
在其他参数没改变的情况下，2轴起震时的伺服增益Pn100基本都在80-90之间，经过多次试验，发现将 Pn100的值设定为起振时增益的80%左右很合适，结合示波器图形，发现Pn100=60，Pn101=1061对于试验机床比较合适。
经伺服优化后，通过用圆光栅测试，发现机床两轴运行有很大的改善，较优化前更加接近理想曲线。
6、结语
（1）通过对电流环、速度环、位置环的优化调整，实现了对国产数控系统配制的伺服驱动的伺服优化，提高了机床的控制特性和加工精度。
（2）利用数字示波器完成对速度曲线、电流曲线波形的采集，辅以自动控制理论、伺服控制理论，结合机床结构特点，对波形进行分析研究，很好的对伺服进行了优化。此项尝试探索，对于经济型国产数控机床加工质量和装配质量的提升，意义重大。
参考文献
[1]顾树生，王建辉编著.自动控制原理.冶金工业出版社，2008.10.
[2]张涛.电气自动控制系统（第2版）.高等教育出版社，2009.12.
[3]SGM/SGDM 用户手册 设计维护篇.安川电机.2007.10
【关键词】伺服优化；示波器；增益
1、数控系统的伺服优化意义
数控机床的控制核心是数控系统，决定数控机床加工精度的直接执行部件是伺服驱动器和伺服电机，伺服驱动的特性对于数控机床加工质量的高低至关重要。
很多进口数控系统，如FANUC、西门子都采用的是工业数据总线控制，一般是通过专用的伺服软件连接到数控系统，或者在数控系统上直接对伺服进行优化。而国产数控系统一般通过伺服控制电缆及伺服反馈电缆，完成数控系统与伺服驱动器之间的控制，要想对这类伺服进行优化，就需要从伺服驱动器上下功夫，另辟蹊径，研究伺服优化方法。
这里介绍一种利用数字示波器，通过对伺服驱动器速度环、电流环波形的采样分析，来完成对国产数控系统伺服进行优化的方法。
2、安川伺服驱动器
本文主要的研究对象是在很多国产数控系统上配置的安川伺服驱动器。驱动器动态特性结构包括电流反馈环（电流环）、速度反馈环（速度环）、位置反馈环（位置环），良好的驱动调整可以使电机具有最佳的运行动态特性。
（1）电流环的调整
电流环参数的调整主要是调整电流环比例增益和积分增益。电流环比例增益值加大，伺服的响应变快。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。而电流环积分增益设定值也与负载的惯量大小有关，设定值取得合适可减小稳态误差，表现为速度波动率减小。在系统不产生振荡的条件下，尽量设置的较大。可见电流环的调整与负载惯量有直接的关系，在安川伺服驱动器中，提供了Pn103惯性比参数，该参数可以通过专用伺服软件进行测得。惯性比=[电机轴换算的负载惯性动量（JL）/伺服电机的旋转惯性动量]×100%由于采用的是安川电机和安川驱动器，只要伺服知道了外部的转动惯量比，那么驱动器自己就可以完成对电流环的最优调整。
（2）位置环的调整
国产数控系统多是对伺服的位置环进行直接控制，在数控系统中设置了“跟随误差”、“积分微分增益”、“前馈系数”等与驱动位置环相关参数，系统通过输出给驱动指令脉冲，同时实时监控伺服电机反馈回的位置脉冲，通过系统底层平台软件的控制算法计算出结果，来实现插补控制，完成伺服驱动的位置环控制。因此位置环的调整主要更改的是数控系统的相关参数。
（3）速度环的调整
驱动器的速度环调节是整个伺服驱动优化调整的重点，也是本文的研究重点。驱动器速度环的调节主要是速度环比例增益Pn100的调节和积分时间常数Pn101的调节。下面将对通过采集分析驱动器速度、电流波形来设定上述参数的方法进行介绍。
4、多通道数字示波器
为了便于观察伺服波形和电机运行的动态特性，此种伺服优化所使用的仪器设备：HIKO 8855多通道全数字式示波器。
CN5，该插头可以通过使用专用的电缆来查看电机的转速和扭矩指令值。制作了专门的CN5连接电缆，并将电缆连接到多路示波器的CH1通道和CH2通道上。
让机床执行G00 W300； G00 W-300；使机床滑鞍高速往复运行，观察示波器监控波形。如上图所示，绿色曲线为驱动器动态电流波形，黄色曲线为驱动器动态速度波形，将波形采集保存后，进行分析。
速度环增益Pn100的调节和积分时间常数Pn101的调节：
速度环增益Pn100，值加大，使伺服的动作灵敏、速度加快；Pn100偏大，电机刚度偏硬而出现啸叫，电机速度波动率大，太大电机会不稳定。值太小，电机偏软会出现爬行现象，且伺服调整动作缓慢，变速、变载时速度有超调，值越小超调量越大，超调过大便会产生低频振荡。加大Pn100在系统稳定的情况下可减少稳态误差，提高控制精度。
实际加工中积分时间常数Pn101的设定值，与负载的惯量大小及速度环增益Pn100有关，设定值取得合适可减小稳态误差，速度波动率减小。值取的过大，会产生抖动，运行速度波动率大。实际中，通过反复试验总结出如下经验公式：
Pn101=4000/（2π×Pn100）
在其他参数没改变的情况下，2轴起震时的伺服增益Pn100基本都在80-90之间，经过多次试验，发现将 Pn100的值设定为起振时增益的80%左右很合适，结合示波器图形，发现Pn100=60，Pn101=1061对于试验机床比较合适。
经伺服优化后，通过用圆光栅测试，发现机床两轴运行有很大的改善，较优化前更加接近理想曲线。
6、结语
（1）通过对电流环、速度环、位置环的优化调整，实现了对国产数控系统配制的伺服驱动的伺服优化，提高了机床的控制特性和加工精度。
（2）利用数字示波器完成对速度曲线、电流曲线波形的采集，辅以自动控制理论、伺服控制理论，结合机床结构特点，对波形进行分析研究，很好的对伺服进行了优化。此项尝试探索，对于经济型国产数控机床加工质量和装配质量的提升，意义重大。
参考文献
[1]顾树生，王建辉编著.自动控制原理.冶金工业出版社，2008.10.
[2]张涛.电气自动控制系统（第2版）.高等教育出版社，2009.12.
[3]SGM/SGDM 用户手册 设计维护篇.安川电机.2007.10