1、一驅動優化的必要性： 數控系統的主要功能是把編制的NC程序轉變成相應的軸的機械位移，在軸位移的過程中，好的動態特性和穩定性是驅動穩定高效運行的關鍵。特別在模具的高速加工中，要求系統有良好的動態和靜態特性。一般在機床調試時系統會給定一組相應軸的默認參數，但這些參數一般是為了保證系統正常運行的比較保守參數，驅動優化的目的是在現有的基礎上盡可能提高系統的動態性。二驅動軸的結構： 機床的結構如下圖 MTableNutBallscrewEncoderPosition mmTime s10010setpoint position valueactual position valueposition dev

2、iationPosition10100根據上圖的機械結構可以看出來，實際的機床運動鏈是電機根據系統的運動指令位移相應的角度，電機的旋轉運動經過連軸節轉遞到絲杠，絲杠又通過和工作臺連接在一起的絲母把旋轉運動轉變成工作臺的直線運動。下圖是軸的給定值和實際值的曲線圖，從圖可以看出來，給定值和實際值之間有一個差值，這個差值是因為系統的慣性和連接元件中的彈性變形引起的，這個差值就是系統的動態誤差的主要組成部分。 影響系統的動態特性主要有以下幾個方面： 直線移動部分的質量，比如工作臺和工件的大小。 旋轉移動部分的慣性。 摩擦力，主要有工作臺導軌之間，絲杠和絲母之間的摩擦力。 這些東西在機床設計以后就定下來

3、了，所以大型機床的動態特性很難和中小型的機床比，同時機床的潤滑情況也會影像系統的動態特性。 除了這些外，連接元件中的彈性變形也是影響系統動態性能的關鍵因素，比如連軸節等，一般說來，系統的剛性越好，系統的動態特性就越好，所以在優化之前先盡量在機械方面提高系統的剛性，比如檢查去聯軸節的連接，絲杠的間隙等。下面是機床結構的簡化圖。MTable (load)NutBallscrewPosition10100x-motorx-tableSimplify從圖上可以看出，電機的輸出傳遞到工作臺也就是負載上時要經過中間一些傳遞環節，對應傳遞環節的輸出和輸入比就是傳遞函數。從理論上講，一個理想的驅動傳遞函數是一

4、個純線性環節，只有這樣，輸出的會真實的跟隨輸入，但實際上在傳遞環節中存在好多的彈性環節，所以一個近似的傳遞環節可以簡化為一個線性環節和一個彈性環節的組合，并且彈性環節部分的頻率常常是好多的頻率組合起來的。這樣在傳遞環節的輸出部分，有的輸入會被壓抑，從而降低系統的動態特性，而有的輸入則會被放大，也就是俗稱的“共振”。這些共振是造成機床不穩定的致命因素，而驅動優化的大部分工作就是找出這些共振點，通過加電子濾波器的方法來抑制這些共振，增加系統的穩定性，這樣就可以提高系統的增益來提高系統的動態特性。三驅動優化的原理：驅動軸是由電流環，速度環和位置環組成，一般來說位置環是一個簡單的比例調節器，因而調節起

5、來比較簡單，速度環和電流環是由比例積分調節器組成，是驅動的核心部分，因而速度環又是驅動優化的調整重點。驅動優化的關鍵是提高速度環的動態特性，而提高動態特性的關鍵又在于提高速度環比例環節的增益，降低積分環節的時間常數。 如前所述，找出驅動部分的共振頻率是提高系統動態特性的首要條件，但怎樣找出這些頻率來呢？怎樣評價驅動環節的動態特性呢？如下圖：MTable (load)NutBallscrewPosition10100x-motorx-tableNoise signal with Wide frequency areaAnswer to the noise signalNumerical Cont

6、rol Sinumerik 802 Dsl 讓電機端輸出一個涵蓋很寬頻率的噪音信號，再檢查輸出端的應答信號，根據它們的關系繪制一個輸入和輸出的關系圖。為了計算方便一般用波特圖的方式來表示。圖的上半部分是表示輸出和輸入的幅值的比，下半部分是輸出和輸入信號的相位差。理想的情況是輸出的幅值等于輸入信號的幅值，并且沒有相位差，但實際中的圖形都會有偏差，下面是一個實際的波特圖。從上圖可以看出圖形的低頻部分輸入和輸出的幅值比在0DB附近，大于0DB表示輸入的幅值小于輸出的幅值，也就是有點超調，當達到3DB時候，超調的值接近40%，系統有振蕩的危險。小于0DB表示輸出被衰減，當為-10DB時，衰減幅度達到7

7、0%，這時的輸出基本被抑制。同時輸入信號的相位也被滯后，當滯后的值接近180度時，這個頻率的信號接近被完全抑制。驅動軸正常工作時，根據電機的速度可以推算出輸出到電機的電源的頻率，一般都較低，在幾十到幾百赫茲左右。但在系統加減速過程中，輸出到電機的電源頻率會有很寬的范圍，一般能到千赫左右。在波特圖中，當幅值比從0DB往下降且相位滯后接近180時，這個頻率稱為拐點頻率。這個頻率越高，驅動的動態特性越好，反之越低。 驅動優化的過程就是盡量讓拐點頻率提高，讓幅值比的線更接近于0DB。增加速度環的增益會使波特圖線往上翹，如下圖所示，黑顏色的表示為MD1407=1.3，而藍顏色則表示為MD1407=3.5

8、。但同時原來在0DB下面的小尖峰超過了3DB，系統會震蕩，電機有時會發出嘯叫的聲音。這時如果能采取相應的辦法把尖峰去掉，就能達到既增加速度環增益有不影響系統的穩定的目的。數控系統能通過添加相應的電子濾波器的方法來實現。 為提高速度環的特性，需要優化速度環內的性能，通過增加速度環內電流環給定濾波器，就能達到這個目的。如果采用速度環給定濾波器，只能對提高位置環性能有效果，而對速度環本身沒有影響。因而驅動優化時使用最多的就是電流環濾波器。 電子濾波器按性能按性能分為兩種：低通和帶阻濾波器，低通濾波器是對低于某一頻率的波形予以通過，而對高于這個頻率的波形則阻斷。帶阻濾波器是只對某一固定頻率附近的波形予

9、以阻斷，而對其它頻率的波形則予以通行。在驅動優化時用的最多的就是采用一些帶阻濾波器來平抑一些尖峰信號。 四 驅動優化的過程：驅動優化的目的是增加比例增益，降低時間常數，而優化過程是通過波特圖的形式找到驅動的一些共振點，通過增加電子濾波器的方法來消除這些共振點，最終為增加增益和降低時間常數創造條件。在優化之前確認系統的性能對驅動的優化很有用。由于現在的數控系統都是數字控制系統，因而這些數字控制元件的性能好壞直接影響到驅動性能的好壞。對于840D系統而言，下面幾個參數直接影響到驅動性能的好壞。 MD 10050 系統周期，也即是系統的主頻，系統的所有的工作都在這個頻率下工作。 MD 10070 系

10、統插補周期，系統在插補運行時的時間周期。 這兩個參數直接影響到位置環響應的快慢，越快對系統性能的提高有好處，但同時會增加系統的負擔，當調整上面參數以后，要到診斷畫面下選擇系統資源，確認下系統負荷的大小，一般情況下系統的負載在靜止狀態下不宜超過40%。否則系統會容易死機。 MD 1000 電流環時間常數 MD 1001 速度環時間常數 當這些參數確定下來以后，我們就可以開始速度環優化了，驅動優化需要相應的軟件( 對PCU50而言，驅動優化軟件已經集成在HMI ADVANCED里)。而對PCU20和802D系統來說，需要在計算機上安裝運行專門的驅動調試軟件。 嘗試增加驅動環的增益值，當增加到一定程

11、度時，電機會發出嘯叫聲，在啟動畫面里選擇速度環測量：速度環測量在測量的時侯要輸入測量參數，比如測量時外加信號的幅值，測量時間，測量的平均次數及測量時信號的頻率范圍，一般情況下選用標準參數即可，如有必要可以對測量的幅值進行調整，測量時以電機的噪音為參考，噪音不要太大，太大會損傷機械，而太小又影響測量的精度。 當測出來速度環的波特圖時，盡可能增加速度環的增益值（MD1407），如果在低頻段（小于200赫茲）的波形就不好，可以適當調整速度環的時間常數（MD1409），一般情況下，1409采用系統的默認值即可。增加1407的值到一定程度時，波特圖上會出現超過3DB的尖峰，移動光標能測得尖峰最高點的頻率

12、，尖峰的寬度，記下來后，找到驅動參數，設置電子濾波器。 MD 1200 電流環濾波器生效個數 ， 系統最多能提供四個濾波器，第一個濾波器被系統默認設置為低通濾波器，我們一般是從第二個濾波器以后開始使用。 MD 1201 電流環濾波器的特性，第0位對應第一個濾波器的特性，為0表示為低通濾波器，為1則表示為帶阻濾波器，依次類推，第3位對應第四個濾波器的特性。 MD 1202 濾波器1的拐點頻率 （該參數僅對低通型濾波器有效）。 MD 1210 濾波器1的阻斷頻率 （該參數僅對帶阻型濾波器有效）。 MD 1211 濾波器1的帶阻寬度 （該參數僅對帶阻型濾波器有效）。 MD1204 ，MD1213，M

13、D1214 分別為濾波器2的拐點頻率，阻斷頻率和帶阻寬度。 MD1206 ，MD1216，MD1217 分別為濾波器3的拐點頻率，阻斷頻率和帶阻寬度。 MD1208 ，MD1219，MD1220 分別為濾波器4的拐點頻率，阻斷頻率和帶阻寬度。 由于受測量精度的影響，有時需要反復測量，再反復調整增益值和濾波器的參數設置，直到波特圖的特性滿意為止。用波特圖的方法設置1407和1409合適的值以后，需要用另外的測量方法來驗證它們的值的合理性，用階躍響應來驗證1407的值是否合適，用擾動響應來驗證1409的值。階躍響應是給速度環突然外加一個給定，看速度環是否馬上能響應這個給定。響應時間越短說明系統的動

14、態特性越好，速度環允許有不超過20%的超調，好的速度環響應時間短，超調不超過給定的20% ，并且超調后馬上就趨于穩定（注意超調雖然對提高動態特性有幫助，但同時會對加工工件的表面光潔度有負面影響）。沒有超調可能會降低系統的動態特性，說明增益值過低，而超調過多或者是超調后需要幾個振蕩后才能趨于穩定，這說明增益值有點高，有時為了觀察方便可以把速度環地積分失效，即讓MD1409為0，這種方式不能用在垂直軸上，因為這時軸容易掉下來，但這時侯觀察階躍響應圖時，超調要適當降低，不能超過10%，同時會發現當速度趨于穩定后，速度的實際值和設定值有一個不能消除的固定的誤差，這就是積分環節沒有生效的效果。 擾動響應

15、是突然給速度環外加一個擾動力矩，這時速度的實際值應該會偏離原來的設定值，但速度環在經過一段時間的調整后， 實際值又會和原來的設定值一直，調整時間的長短直接與Tn值的大小有關。Tn太小，速度的實際值會在設定值附近振蕩，太大時調整的時間過長。如下圖，這時的Tn值正合適：五其它調整方式 當為速度環調整好合適的速度環增益和積分時間常數后，驅動的優化基本就完成了，但有時這樣還達不到理想的效果，比如當速度環在低頻部分（小于100Hz）動態特性就不好時，這時單靠用增加電流濾波器來提高增益的方法效果就不明顯，可以用參考模式的方法來提高增益，參考模式的原理是在速度環的給定部分在附加一個與參考頻率有關的給定，同時

16、使用參考模式還能讓速度環即保證快的響應時間，還不超調，這樣既提高了系統的動態特性，有提高了工件表面的光潔度。下圖是使用參考模式前后的階約響應對比圖，從圖可以看出，當使用參考模式以后，階約響應速度沒有降低，同時還避免了超調。參考模式的調整就涉及到兩個參數 MD1414 參考模式頻率，一般在100左右，值越小，參考模式的效果越大。 MD1415 參考模式阻尼，默認值為1，一般不用修改。 除了電流環濾波器以外，還有速度環濾波器，速度環的濾波器是用來穩定位置環的，減少位置環的振蕩，效果和速度環的參考模式差不多，也可以有效的減少速度環的超調。由于第一個速度環濾波器受PLC控制，我們經常使用的第二個濾波器

17、，常用參數如下： MD1500 速度環濾波器的個數，常設為2。 MD1501 速度環濾波器的類型，常設為200 MD1503 速度環濾波器2的時間常數，一般為10ms左右，與速度環的積分時間常數一致。 電流環的優化過程和速度環一樣，只是由于現在的驅動和伺服電機基本上是配套的，所以電流環基本上不用優化，只有對那些第三方電機和需要在現場安裝的直接驅動電機（直線電機和力矩電機）需要優化。優化的大致流程一樣，只是涉及到參數號變了，主要要調整的是電流環的增益和積分時間常數，沒有濾波器可用，還有對一些沒有平衡的垂直軸，要特別注意防止軸掉下來。 六位置環優化當速度環和電流環優化以后，位置環的特性就會顯著改善

18、，位置環由于只有比例調節器，所以優化時只要看位置的頻率響應圖調整合適的位置環增益就可以了。 MD32200 位置環增益。 MD32300 軸的加速度。 但有時為了獲得更好的加速效果和輪廓精度還可以 采用沖量限制，前饋等方法。沖量限制： 在提高軸的加速度時，軸起動和停止時會對機床有一個沖擊，這個沖擊不僅會對機床有損害，同時會限制加速度的提高，采用沖量限制時，加速度會漸進的增加和減少，這樣在剛加速和減速時柔和不少，減少了對機床的沖擊。設置完后可以用在程序中用指令選擇是否生效。“SOFT”是沖量限制生效，“BRISK”是沖量限制不生效，平常是否生效可以由參數2015020來設定，下圖為沖量限制后加速

19、度和速度的特性。常用參數：MD 32431 軸的最大沖量限制MD 32430 軸手動時最大沖量限制MD 32420 軸手動時沖量限制是否生效MD 32402 沖量限制方式沖量限制的值以定位時穩定為準，一般可以設置為快移的2培左右。前饋控制： 當因為各種原因不能提高位置環的增益值時，這時在高速加工會有一個大的跟蹤誤差，這種誤差會影響到加工工件的精度，采用前饋控制能在不增加位置環的增益的情況下大幅減少跟蹤誤差，達到與提高位置環增益同樣的效果。前饋控制有兩種，一種是扭矩前饋控制，一種是速度前饋控制，大部份是采用速度前饋控制。常用參數： MD 32620 前饋控制方式 ， 一般設為3為速度前饋 MD

20、32630 前饋控制生效方式 ，可以設為前饋控制總是有效還是通過程序指令選擇有效，為0表示前饋控制總是生效，為1則需要在程序中用指令來選擇，“FFWON”表示為前饋控制生效，“FFWOFF”表示前饋控制不生效，平常是否生效也是由參數2015020來設定。七圓度測試 當驅動優化完成后，需要對優化的效果進行驗證，比較常用的方法是圓度測試，因為在模具加工時大部分機床運動軌跡是一個空間的曲線，可以近似認為是由一個個圓弧段組成的，圓度測試就是讓機床以一定的速度走一個相應半徑的園，看機床的實際走的園的效果，通過圓度測試可以看出機床在拐點處的動態特性。圓度測試時要根據機床的快移速度和加速度選擇圓度測試時的半徑和速度，一般來說只要半徑小和速度快的園的圓度測試效果不錯的話，其他大半徑的園就不會有問題。 在圓度測試前，先在手動狀態下檢測圓度測試中涉及的兩個軸對應相同的速度的跟蹤誤差，必須保證一致，否則就會