数控机床通常包含了数控系统、伺服驱动器、伺服电机以及机械部件等。在前期方案设计时，为了使数控机床的加工精度及效率达到最优，需要选择适合运动规划需求的数控系统和满足机械特性需求的电机。伺服电机虽然是直接执行部件，但和数控系统一样，自身无法直接驱动机械部件运动，均需要通过伺服驱动器来实现最终的运动控制需求。
然而，不同的运动规划和加工工艺，对于驱动器参数的调试影响很大；不同的机械结构和加工误差，对驱动器的滤波处理等参数有不一样的需求。所以，为了最终能同时实现更好的加工精度和更快的加工效率，在设备调试过程中，尤其是在对批量机床的参数统一化过程中，对伺服驱动器的优化便显得尤其重要。
菲仕伺服驱动器的介绍及特征
全新的AxN系列通用伺服驱动系统（图1）是菲仕自主创新的最新成果。它是菲仕中国吸收了意大利菲仕15年运动控制经验后，结合8年中国市场实践，自主研发，为中国制造业转型升级而专门打造的全新一代高性能伺服驱动器。其电流输出能力覆盖15A到150A，可使用CANopen、EtherCAT和Modbus等多种现场总线，支持海德汉ENDAT 2.2编码器、西克Hiperface编码器、正余弦编码器、数字增量式编码器和霍尔传感器多种主流编码器。
图1 AxN系列通用伺服驱动系统
AxN全数字交流伺服驱动器主要特性：⑴更紧凑的外形。对比上一代产品，体积缩小16%～20%，重量减轻25%～35%。⑵更灵活的安装。支持柜内安装、穿墙安装和冷却板安装，穿墙安装时散热器外置，无需在电气柜内安装空调等降温设备，更节约成本；冷却板安装时支持外置水冷，帮助驱动器发挥优异性能。⑶更智能的运行。驱动器内置PLC，编程符合IEC61131-3标准，可在多种应用场合脱离上位机直接运行，实现电子凸轮、电机参数自适应等多种功能，节约成本。⑷更稳定的品质。出厂前经过振动、短路、高低温、过载等9大严格测试，确保AxN系列驱动器能在多种恶劣环境下稳定运行。
菲仕伺服驱动器的优化方法
伺服驱动通常均是由位置环、速度环和电流环组成，伺服系统的控制及反馈如图2所示。一般来说，位置环只是一个简单的比例调节器，因而调节起来比较简单。速度环和电流环的组成均是比例积分调节器，均是驱动的核心部分，而电流环PID参数一般都是在驱动器内部设定好的，使用者不需要更改，因此速度环PID调试的优劣，便成了驱动优化调整的重点，也成了整个机床性能的关键。
从运动控制原理上来看，PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制组成，其传递函数为Gc(s) = kp + ki/s + kds。比例控制器的作用是调节系统的开环增益，提高系统的稳态精度，加快响应速度；积分控制器的作用是提高系统的型别，消除或减小系统的稳态误差，使系统的稳态性能得到改善，由于积分控制器是靠对误差的积累来消除稳态误差的，势必会使系统的反应速度降低。
菲仕驱动器利用其自带的示波器软件，通过给定位置、实际位置、给定速度、实际速度、跟随误差、电流曲线等对位置环和速度环进行PID优化，使数控机床达到最优的精度及效率，而位置环的优化以及驱动器中常用参数的设置对不同机械传动机构的性能也起着非常重要的作用。
图2 伺服系统的控制及反馈
速度环的优化
速度环的优化是整个驱动优化的重点，优化的关键目标就是提高速度环的动态特性。提高速度环比例控制器的增益和降低积分控制器的时间常数，均可以提高伺服的动态特性，但盲目地提高增益或降低积分常数，不但不能提高动态特性，反而会带来振动或异响，甚至降低效率。所以优化出适合机床的PID参数，通常通过如下的步骤：先增大速度环增益直到出现啸叫声，此时采集到的电流波形会出现振荡，如图3所示；再降低速度环增益直到电机的啸叫声以及电机的振动声消失，从而找到临界值；速度环增益调整后再调整速度环积分时间，通过减少速度环积分时间常数提高系统的稳定性。
图3 电流振荡波形
速度环主要优化的参数有增益和积分时间常数，菲仕驱动调试软件中对应的参数分别是27016速度参考增益、27017速度反馈增益、27014积分增益，如图4所示。
图4 速度环参数
相较于其他常见品牌的驱动参数设置，菲仕驱动将参考和反馈参数区分开放，可以满足特殊工况的控制需求，而对于常见的定位或轨迹运动数控机床，仅需要设置成一样即可，同时27000参数需要设置为FALSE。首先将增益从默认的设定值0.02A·s/rad逐渐增大，随着速度环增益的增大，系统的动态响应也越快，同时系统的稳态精度也会提高，通过自带的示波器软件截取波形，可以发现跟随误差逐渐减小，低频振荡也会减弱。但实际速度加速度设定值时不会立刻稳定，会超过设定值，即出现超调现象，如图5所示，从而导致定位不稳。当速度参考增益和速度反馈增益参数调整到一定值，电机刚性偏硬会发出啸叫，电机也会不稳定，此时将增益略微减小，直至振动和异响消失。最后再逐渐减小速度环积分时间，减少甚至消除系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。
图5 速度超调曲线
位置环的优化
位置环主要优化的参数是位置环增益，菲仕驱动调试软件中对应的参数分别是27015位置比例增益，如图6所示。
图6 位置环参数
位置环参数调整的前提，是速度环的增益及积分时间常数已调整完成。将位置环增益从默认的设定值6.51A/rad逐渐增大，通过自带的示波器软件截取波形，可以发现系统的跟随误差越来越小。虽然位置环增益的增加可以减小跟随误差，从而提高精度，但当该参数调整过大时，会导致超调甚至出现系统振荡。由于每台数控机床的机械特性有所差异，为了批量生产时参数的通用性，一般只要满足数控系统的加工精度即可，无需将此参数调整过硬，效果如图7所示。
图7 三环优化后曲线
伺服常用参数及作用
数控机床常用的机械传动机构以齿轮齿条和丝杠导轨为主，而其中滚珠丝杠则通常被应用于定位精度和刚度要求较高的数控机床，但因其制造工艺和加工精度等原因，容易在高速运动中与机械结构产生共振，此时需要使用驱动器的滤波器功能。菲仕驱动调试软件中，将其划分在电流环相关参数里。每个驱动共可以添加4个滤波器，根据应用场合和共振频率等不同，可以选择设置为低通、陷波、双二阶等三种不同类型，如图8所示。通过自带的示波器软件，在共振点截取的波形，菲仕驱动调试软件可以自动根据波形计算出共振频率，再根据实际情况微调衰减系数，即可消除共振。
图8 滤波器设置
伺服驱动优化的验证
伺服驱动的优化，通常首先是通过驱动器端示波器截取的波形，对位置、速度、跟随误差、电流等曲线进行分析，但这样的验证仅能优化到电机端，对于电机直至机械末端对精度的影响，无法监控和优化。尤其是机械传动较长，或机械振动较大的机床，优化效果不是很直观。
此时，可以在机械末端增加辅助监控设备，如测速电机、磁栅尺等，并通过数模转换装置，使用示波器对机械末端的运动和定位情况进行波形的截取和分析。这样的分析可以将机械安装、机床振动、传动间隙等因素带来的误差包含进去，从而更快地对驱动参数进行优化，更好地获取整个机床的精度。当然，如果条件允许，可以使用激光跟踪仪，监控传动末端机构的运动轨迹，通过获取位置数据，进行分析和优化。
结束语
通过三环PID参数的优化，尽管波形曲线良好，但也只是确保了数控机床自身的精度，仍然会因为多轴联动、负载阻力、夹持力度和工作台面等诸多因素，导致机床综合的加工精度，也就是加工出的产品精度依然达不到要求，这时最直接的就是通过游标卡尺、圆度测试仪、三坐标测量等量具或仪器，对机床加工的产品进行测量，根据工艺和精度的关系进行分析，并有针对性的优化驱动参数，从而在满足速度的同时，达到加工产品的精度需求。
