HSV-160伺服驅動器在機床上的應用調試

劉 寧 張 強 杜海龍

(沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110042)

決定數控機床穩(wěn)定性的重要指標之一就是數控系統和伺服驅動的可靠性。以華中數控股份有限公司生產的HSV-160交流伺服驅動器為例，介紹該伺服在我單位機床上實際應用中的調試經驗、出現的問題和解決方法。

1 HSV-160性能特點

HSV-160采用專用運動控制數字信號處理器(DSP)，大規(guī)模現場可編程邏輯陣列(FPGA)和智能化功率模塊(IPM)等最新技術設計，具有操作簡單，可靠性高，體積小，易于安裝等特點，最高轉速可設為3000 r/min，最低轉速為0.3 r/min；調速比為1∶10000，并有五種控制方式：位置控制方式，速度控制方式，轉矩控制方式，JOG控制方式，內部速度控制方式。

2 重要參數的調整

HSV-160參數分為兩類，一類為運動參數，一類為控制參數，分別對應在運動參數模式和控制參數模式。在機床運行不理想時，用戶應通過驅動器面板按鍵或計算機串口來設定和調整這些參數，以達到最佳的控制效果。幾個與機床基本控制動作密切相關的參數意義為：

(1)“2”號為是否允許反饋斷線報警，當連接電纜損壞時對伺服起保護作用。建議將此值設為1，以起到保護目的。

(2)“6”號為加減速時間常數。該值是表示電動機從最低轉速到最高轉速的啟動時間，或從最高轉速到最低轉速的減速時間。加速度時間越小，機床加工性能越好，但太小會產生伺服報警，應按實際情況來調節(jié)，最佳值應設為600。

(3)“12”號為是否允許伺服電動機過熱報警。有時電動機端監(jiān)測點為常開點時，可在0和1之間互換設置值，根據具體接法設置此值。

(4)“17”號為最高速度限制。最高速度為伺服電動機的最高速度限制值，用戶應根據電動機的實際轉速進行設定，應不大于電動機轉速的1.5倍。

(5)“25”號為編碼器分辨率，出廠值為2。2代表編碼器分辨率為每轉2500個脈沖。還有多種脈沖線數供選擇，用戶可按編碼器實際線數來設定此值。

3 電子齒輪比的調整方法

若要正確改變外部指令和所發(fā)位置指令的關系，必須合理設置伺服驅動裝置的電子齒輪比。HSV-160的反饋電子齒輪比計算方法為

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=WX1X2/(MB)

式中：W為電動機轉一圈所需脈沖數；M為伺服電動機的碼盤線數；X1為數控系統的細分數；X2為伺服驅動器的倍頻數或伺服驅動器的內部電子齒輪比；B為數控系統對伺服電動機的碼盤反饋的倍頻數。對伺服電動機來說，W=M，所以：

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=X1X2/B

通過這個公式我們可以很方便地設置出伺服端齒輪比。以一個例子來說明其設置。

例：電動機編碼器為2500線，驅動器內部進行了4倍頻處理，計算系統的反饋電子齒輪比。

若采用HNC-21T系統，對伺服的反饋信號有4倍頻，X1X2為4，因此反饋電子齒輪比為：

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=4/4=1/1

若采用HNC-18I系統，對伺服的反饋信號沒有倍頻，X1X2為4，因此反饋電子齒輪比為：

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=4/1

4 HSV-160伺服的優(yōu)化

機床要實現高精度加工，對伺服的優(yōu)化必不可少。伺服優(yōu)化就是調整伺服本身的增益，以輸出更好的脈沖特性。驅動器本身自帶的增益參數基本能滿足用戶加工的要求，但在以下情況時，應適當對相關控制參數作出調整，以保證高精度加工要求。以幾個我廠調試中總結的方法說明如下：

(1)機床運行中伺服電動機出現較大的電流噪聲或囂叫聲。這是因為電動機的增益設置的太大，應降低PA-27(電流控制比例增益)參數值，最佳值為1560，增加PA-28(電流控制積分時間)參數值，最佳值為5。調到最佳值后，一般情況下問題就可以得到解決。若效果仍不明顯，可以設定參數PA-4(速度反饋濾波因子)為2(最佳值為2)。一般情況下不要調節(jié)PA-4參數，因為此值調整不當會引起振蕩。

(2)機床伺服電動機在零速時，驅動器處于使能狀態(tài)，電動機軸有低頻振動的聲音，首先要降低PA-27(電流控制比例增益)參數值，最佳值為1560，增加PA-28(電流控制積分時間)參數值，最佳值為5。調到最佳值后，若效果不明顯，再調節(jié)PA-32(轉矩濾波指令時間常數)參數值為12。另外，還可以設定參數PA-4(速度反饋濾波因子)為2。一般情況下不要調節(jié)PA-4參數。

(3)如果負載慣量在電動機轉子慣量5倍以上，也就是在大負載慣量下使用時，可能會發(fā)生在減速時主電路過電壓或制動異常。這時可以增加加減速時間(參數PA-6)值，設定為600(最佳值)，也可以先設得大一點，再逐步降低至最佳值；或者減小最大輸出轉矩(參數PA-5)值到最佳范圍內，最佳范圍為15000～28000。如果要保證更好的效果，還應安裝外加的再生制動裝置。

5 故障診斷與排除

當伺服驅動器發(fā)生故障時，機床上相關的部件在執(zhí)行動作時就會表現出很多問題，這時可以通過發(fā)生的故障現象來查找原因。目前常見的診斷方法有直接觀察法，替換法，參數檢查法，隔離法，而通過報警形式來解決問題是最行之有效的辦法之一。

HSV-160型伺服驅動器驅動的機床進給伺服系統的故障按機床提供的報警形式大致可分為三類：

(1)通過CRT或操作面板顯示報警內容，它是利用軟件的診斷程序來實現的。

(2)通過進給伺服驅動單元上的硬件(如發(fā)光二極管或數碼管指示，保險絲熔斷等)來顯示報警驅動單元的故障。

(3)機床進給運動機構不能正常工作，但伺服驅動器上沒有任何報警顯示。

結合這三種報警形式就可快速地對故障進行分析與判斷，從而解決問題。

在第一種情況時，需進行機床上下電，伺服驅動器復位后，故障問題可自動消除。

例如：面板上出現驅動器未就緒報警，原因為PLC掃描周期未完成，經按下急停按鈕，再旋開后，系統經過復位，故障自動得以解除。

遇到第二種情況時，驅動面板上的數碼管會顯示對應的報警信息，用戶可通過面板上的報警號來處理故障問題。

此類問題出現的原因大多為參數未設置好或部件損壞所致。處理這種問題時可以采用交換法。

例如：一臺數控車床，按下X軸正向按鈕后，X軸不移動，其他功能正常。

故障分析：首先，判斷故障可能由系統、驅動器或電動機引起的，這時可以采用交換法來排除故障。將伺服電動機驅動電纜交換一下以后，X軸工作正常，Z軸電動機不動，說明電動機是正常的，系統到驅動器信號也正常。由此可判斷出原X軸驅動器損壞，換上一個正常的驅動器試后，發(fā)現X軸能夠正常移動，故障排除。

當遇到第三種情況時，大多是線路連接和參數未設置好的問題，也是最不容易查找與解決的，但只要采用合理的診斷方法，問題就可以迎刃而解。下面以幾個在我廠應用中出現的問題與解決方法進行說明。

例1：數控機床在工作過程中，電動機在不停地振動，但幅度不大。

此故障屬于參數設置不當問題。

故障分析：經過觀察，傳動環(huán)節(jié)間隙并不大，排除此原因。查看電動機負載端，電動機轉距可以滿足傳動的要求。由此大致可判斷出是驅動器速度環(huán)的設定和調整不當。調出速度環(huán)比例增益參數PA-2，此值為6000。因為此參數設置越大，剛度越大，但過大會超調，正確范圍應在1800～2560之間，所以將此值減小到2500以后，現象消失，故障排除。

例2：數控機床在上電后，伺服電動機立即自動旋轉起來，不受按鈕控制。

此故障屬于線路連接錯誤的問題。

故障分析：經過觀察，機床坐標軸的位置沒有發(fā)生變化，伺服電動機連接完好無損，排除電動機損壞的可能，并且位置編碼器安裝位置也沒有發(fā)生偏移。懷疑是編碼器的管腳線號接錯。拆開編碼器后，對照圖紙發(fā)現A、B、Z的線號焊錯。重新按正確的方法焊接完，機床上電以后，伺服電動機不自動旋轉，按下控制按鈕后才旋轉，故障排除。

例3：數控機床在加工過程中定位精度或加工精度差，達不到加工要求。

此故障屬于參數設置不當問題。

故障分析：造成此現象一是機械方面問題，另一個是伺服增益方面參數設置不當。首先觀察電動機與機床的連接部分，發(fā)現聯軸節(jié)螺絲有些松動，用螺絲刀擰緊后實驗，效果改善不大。排除機械方面的故障。調出驅動器加減速時間參數PA-6，此值為3。因為此值設置太小會產生非線性，將此值設為6(最佳值)后觀察，加工精度好了很多。又調出驅動器位置比例增益參數PA-0，此值為2000。此值越小，位置滯后量越大。將此值稍微加大改為最佳值3000后，加工精度達到要求的范圍以內，故障排除。

例4：數控機床在上電后，尚未執(zhí)行任何動作，伺服電動機便產生尖叫聲。

此故障屬于參數設置不當問題。

故障分析：首先發(fā)現位置檢測編碼器的電纜線有裂口，用萬用表量后，發(fā)現有一根線已斷。更換一根電纜線后，問題仍然存在。調出伺服驅動器參數查看，發(fā)現速度環(huán)比例增益PA-2值為6000，此值正常范圍應在2600以內，最佳值應為2500，速度環(huán)積分時間常數PA-3值為40，此值正常范圍應在20以內，最佳值為20。將這兩個參數調整到最佳值后，電動機不再出現尖叫聲，故障排除。

例5：機床Z軸在做快速移動時，伺服電動機出力不足，無法進行加工操作。

此故障屬于參數設置不當問題。

故障分析：電動機出力不足往往是電壓不足造成的。用萬用表量三相輸入電壓，發(fā)現輸入電壓在正常范圍內。檢查接地線連接情況，接地線也連接很好，并無松動。調節(jié)伺服增益，問題也沒解決。最后檢查與電動機轉矩有關的參數，發(fā)現轉矩限制參數PA-16設置值為20000。此值正常范圍應在22000～28000以內。改大此值到23000后，電動機動作恢復正常，能夠進行加工，故障排除。

例6：機床各個伺服軸運行時出現爬行現象。

此故障屬于機械連接與參數調整不當問題。

故障分析：首先查找連接伺服電動機和滾珠絲杠的聯軸器，因為聯軸器松動或存在缺陷的話，會造成滾珠絲杠與伺服電動機的轉動不同步，從而會使機床床鞍或載重物進給運動后速度不均勻。檢查后發(fā)現聯軸器確實有些松動。擰緊后，再運行機床，效果好了很多，但速度還有些慢。調出伺服參數檢查速度比例增益參數PA-2，其值為1600，數值過小，最佳值為2500。將其改為最佳值后，觀察速度積分時間參數PA-3，其值為10，最佳值為20，改為最佳值后，運行機床，各個軸的速度恢復正常，故障排除。

6 結語

伺服驅動進給裝置是數控裝置與主機之間的連接環(huán)節(jié)，它是接收數控裝置插補生成的進給脈沖信號，經過信號放大后，驅動機床主機的執(zhí)行機構，實現機床的運動進給。同時對機床實際位置的信號進行采集，插補運算后帶動機床軸做加工操作。它的穩(wěn)定性和運算能力直接影響到機床的實際加工性能。操作者除了要對伺服驅動裝置進行深入的了解，還應對其做好日常保養(yǎng)工作，從而保證機床能夠實現良好的加工精度。

［1］畢承恩，等.現代數控機床［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.

［2］李超.設備控制基礎［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］鄭小年，楊克沖.數控機床故障診斷與維修［M］.武漢：華中科技大學出版社出版，2005.

［4］孫海亮.數控電氣控制基礎及實訓［M］.武漢：華中科技大學出版社出版，2008.