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數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法 白斌 內(nèi)容摘要：目前數(shù)控機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)主要有日本FANUC和德國(guó)SIEMENS系統(tǒng)，如何提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，這也是維修及調(diào)試人員必須要做的一項(xiàng)很重要的工作。 機(jī)床各軸的驅(qū)動(dòng)、電機(jī)數(shù)據(jù)如速度環(huán)、位置環(huán)增益直接影響軸的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性。如果這些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，伺服電機(jī)嘯叫，使加工無(wú)法進(jìn)行，甚至?xí)?dǎo)致絲桿和導(dǎo)軌損壞。為了達(dá)到良好的零件加工精度，對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是一項(xiàng)必不可少的工作。 關(guān)鍵詞：速度環(huán) 位置環(huán) 優(yōu)化 伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的目的就是讓機(jī)電系統(tǒng)的匹配達(dá)到最佳，以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。在數(shù)控機(jī)床中，機(jī)電系統(tǒng)的不匹配通常會(huì)引起機(jī)床震動(dòng)、加工零件表面過(guò)切、表面質(zhì)量不良等問(wèn)題。尤其在磨具加工中，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化是必須的。 數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)包括3個(gè)反饋回路，即位置回路、速度回路以及電流回路，其組成的框圖如圖1-1所示。最內(nèi)環(huán)回路反應(yīng)速度最快，中間環(huán)節(jié)反應(yīng)速度必須高于最外環(huán)，如果沒(méi)有遵守此原則，將會(huì)造成震動(dòng)或反應(yīng)不良。 圖1-1 伺服系統(tǒng)控制回路 伺服優(yōu)化的一般原則是位置控制回路不能高于速度控制回路的反應(yīng)，因此，若要增加位置回路增益，必須先增加速度回路的增益。如果僅僅增加位置回路增益，機(jī)床很容易產(chǎn)生振動(dòng)，造成速度指令及定位時(shí)間增加，而非減少。在做伺服優(yōu)化時(shí)必須知道機(jī)床的機(jī)械性能，因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化是建立在機(jī)械裝配性能之上的，即不僅要確保伺服驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)，而且也必須確保機(jī)械系統(tǒng)具備高剛性。 以日本FANUC 0iC系統(tǒng)為例，詳細(xì)講解伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化過(guò)程。主要過(guò)程在伺服調(diào)整畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，畫(huà)面如圖1-2所示。 圖1-2 FANUC伺服調(diào)整畫(huà)面 1） 首先將功能位參數(shù)P2003的位3 設(shè)定1，回路增益參數(shù)P1825設(shè)定為3000，，速度增益參數(shù)P2021從200增加，每加100后，用JOG移動(dòng)坐標(biāo)，看是否震動(dòng)，或看伺服波形（TCMD）是否平滑。 注：速度增益=［負(fù)載慣量比（參數(shù)P2021）+256］/256 *100。負(fù)載慣量比表示電機(jī)的慣量和負(fù)載的慣量比，直接和具體的機(jī)床相關(guān)，一定要調(diào)整。 2） 伺服波形顯示：把參數(shù)P3112#0改為1(調(diào)整完后,一定要還原為0)，關(guān)機(jī)再開(kāi)機(jī)。如下圖1-3所示：采樣時(shí)間設(shè)定5000，如果調(diào)整X軸，設(shè)定數(shù)據(jù)為51,檢查實(shí)際速度。 圖1-3伺服波形設(shè)置畫(huà)面 如果在起動(dòng)時(shí)，波形不光滑（如圖1-4所示），則表示伺服增益不夠，需要再提高。如果在中間的直線上有波動(dòng)，則可能由于高增益引起的震動(dòng)，這可通過(guò)設(shè)定參數(shù)2066=-10（增加伺服電流環(huán)250um）來(lái)改變。 圖1-4 伺服波形顯示畫(huà)面 3） N脈沖抑制：當(dāng)在調(diào)整時(shí)，由于提高了速度增益，而引起了機(jī)床在停止時(shí)也出現(xiàn)了小范圍的震蕩（低頻），從伺服調(diào)整畫(huà)面的位置誤差可看到，在沒(méi)有給指令（停止時(shí)），誤差在0左右變化。使用單脈沖抑制功能可以將此震蕩消除，按以下步驟調(diào)整： a) 參數(shù)2003#4=1，如果震蕩在0-1范圍變化，設(shè)定此參數(shù)即可。 b) 參數(shù)2099設(shè)置為400 4) 有關(guān)250um加速反饋的說(shuō)明： 電機(jī)與機(jī)床彈性連接，負(fù)載慣量比電機(jī)的慣量要大，在調(diào)整負(fù)載慣量比時(shí)候（大于512），會(huì)產(chǎn)生50-150HZ的振動(dòng)，此時(shí)，不要減小負(fù)載慣量比的值，可設(shè)定此參數(shù)進(jìn)行改善。 此功能把加速度反饋增益乘以電機(jī)速度反饋信號(hào)的微分值，通過(guò)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩指令Tcmd，來(lái)達(dá)到抑制速度環(huán)的震蕩。 5)速度回路和位置回路的高增益，可以改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)和剛性。因此可以減小機(jī)床的加工形狀誤差，提高定位速度。由于這一效果，使得伺服調(diào)整簡(jiǎn)化。HRV2控制可以改善整個(gè)系統(tǒng)的伺服性能。伺服用HRV2調(diào)整后，可以用HRV3改善高速電流控制，因此可進(jìn)行高精度的機(jī)械加工。表1-1是標(biāo)準(zhǔn)HRV2高精度伺服設(shè)定控制設(shè)定參數(shù)。 表1-1 HRV2高精度伺服控制設(shè)定參數(shù) 參數(shù)號(hào)碼 設(shè)定值 意義 設(shè)置說(shuō)明 2004 0X000011 HRV2 控制有效 這三個(gè)參數(shù)通過(guò)電機(jī)參數(shù)初始化自動(dòng)設(shè)定，進(jìn)行電機(jī)參數(shù)初始化時(shí)選擇的電機(jī)代碼號(hào)為電機(jī)代碼表中括號(hào)內(nèi)的電機(jī)代碼即可實(shí)現(xiàn)HRV2控制。 2040 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值 電流環(huán)路積分增益 2041 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值 電流環(huán)路比例增益 2003#3 1 PI控制有效 2017#7 1 速度環(huán)比例項(xiàng)高速處理功能 如機(jī)床有震動(dòng)可將該參數(shù)設(shè)為0。 2006#4 1 速度反饋?zhàn)x入1ms有效 2016#3 1 停止時(shí)比例增益可變功能有效 2119 2（1um檢測(cè)） 20（0.1um檢測(cè)） 停止時(shí)比例增益可變功能：停止判斷水平（檢測(cè)單位） 1825 5000 伺服環(huán)路增益 如機(jī)床有震動(dòng)降低該參數(shù)數(shù)值。 2021 512 速度環(huán)路增益 如機(jī)床有震動(dòng)降低該參數(shù)數(shù)值。 2202#1 1 切換切削/快速移動(dòng)速度環(huán)路增益有效 2107 150 切換時(shí)速度環(huán)路增益倍率 SIEMENS810/840D系統(tǒng)具有自動(dòng)優(yōu)化功能，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載狀態(tài)下自動(dòng)測(cè)試和分析調(diào)節(jié)器的頻率特性，確保調(diào)節(jié)器的比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。如果自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果不夠理想，達(dá)不到機(jī)床最佳控制效果，在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)行手工優(yōu)化。 首先就SIEMENS810/840D自動(dòng)優(yōu)化的具體步驟做一詳細(xì)介紹。 在優(yōu)化之前要使機(jī)床在JOG方式下，在如圖1-5畫(huà)面可以選Without PLC，這樣在優(yōu)化過(guò)程中PLC不生效。 圖1-5 840D自動(dòng)優(yōu)化畫(huà)面 SIEMENS840D中PCU50軸優(yōu)化具體步驟： 1. 菜單→啟動(dòng)→驅(qū)動(dòng)/伺服軸→擴(kuò)展→自動(dòng)控制設(shè)置 2. 在自動(dòng)控制設(shè)置窗口：設(shè)置好不帶PLC，上限、下限。 3. 按右側(cè)垂直菜單的啟動(dòng)鍵，此時(shí)顯示“開(kāi)始機(jī)械系統(tǒng)測(cè)量部分1” →確認(rèn) 4. 按“程序啟動(dòng)鍵”，電機(jī)正轉(zhuǎn)。然后顯示“開(kāi)始機(jī)械系統(tǒng)測(cè)量部分2” →“確認(rèn)” 5. 再次按“程序啟動(dòng)鍵”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。然后顯示“啟動(dòng)當(dāng)前控制的測(cè)量” →“確認(rèn)” 6. 再次按“程序啟動(dòng)鍵”。然后顯示“控制器數(shù)據(jù)開(kāi)始計(jì)算” →“確認(rèn)” 7. 窗口顯示： 保存驅(qū)動(dòng)的引導(dǎo)文件 參數(shù)號(hào) 原值 新值 NUM_CURRENT_FILTERS 1200 4 1 CURRENT_FILTER_CONFIG 1201 EH 0H CURRENT_FILTER_2_SUPPR_FREQ 1213 1266 3500 CURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH 1214 633 500 CURRENT_FILTER_3_SUPPR_FREQ 1216 774 3500 CURRENT_FILTER_3_ BANDWIDTH 1217 387 500 CURRENT_FILTER_4_SUPPR_FREQ 1219 1077 3500 CURRENT_FILTER_4_ BANDWIDTH 1220 538 500 SPEEDCTRL_GAIN_1 1407 150 2454 SPEEDCTRL_INTEGRATOR_TIME_1 1409 40 44 8. 按右側(cè)垂直菜單的“保存”鍵，然后顯示“開(kāi)始測(cè)量速度控制回路” →“確認(rèn)” 9. 再次按“程序啟動(dòng)鍵”。手動(dòng)適當(dāng)修改驅(qū)動(dòng)參數(shù)1407。 自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果并不一定是一個(gè)理想的結(jié)果，大部分情況下進(jìn)行手工優(yōu)化。手工優(yōu)化一般是先利用自動(dòng)優(yōu)化的結(jié)果，在原調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)的基礎(chǔ)上，更好地確定調(diào)節(jié)器比例增益和積分時(shí)間常數(shù)。最后還要根據(jù)測(cè)量的結(jié)果設(shè)定各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共振點(diǎn)。 1. 速度控制環(huán)手動(dòng)優(yōu)化 速度控制環(huán)優(yōu)化比例增益和積分時(shí)間常數(shù)兩個(gè)數(shù)據(jù)，先確定它的比例增益，再優(yōu)化積分時(shí)間常數(shù)。如果把速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)MD1409調(diào)整到500ms，積分環(huán)節(jié)實(shí)際上處于無(wú)效狀態(tài)，這時(shí)PI速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為P調(diào)節(jié)器。為了確定比例增益的初值，可從一個(gè)較小的值開(kāi)始，逐漸增加比例增益，直到機(jī)床發(fā)生共振，可聽(tīng)到伺服電機(jī)發(fā)出的嘯叫聲，將這時(shí)的比例增益乘以0.5，作為首次測(cè)量的初值。 參考頻率響應(yīng)是Kp（MD1407）和Tn（MD1409）優(yōu)化的最重要的方法。優(yōu)化后顯示的幅值（db）和相位圖1-6中，表示的是速度實(shí)際值是如何跟隨設(shè)定值的；0db表示實(shí)際速度和設(shè)定速度值是相同的幅值；0相位表明實(shí)際速度跟隨設(shè)定值具有最小的延時(shí)。手動(dòng)優(yōu)化就是大量的、反復(fù)多次調(diào)整Kp（MD1407）和Tn（MD1409）數(shù)值，目的就是使頻率特性的幅值在0db處保持盡可能寬的范圍，而不出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩情況，必要時(shí)也需要不斷調(diào)整濾波器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 圖1-6 參考頻率響應(yīng)圖 2. 位置控制環(huán)的優(yōu)化 位置環(huán)優(yōu)化主要是位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化。影響位置調(diào)節(jié)器的主要控制數(shù)據(jù)是它的伺服增益因子，因?yàn)橄到y(tǒng)的跟隨誤差與它有密切關(guān)系。調(diào)整位置調(diào)節(jié)器伺服增益因子的前提條件是速度調(diào)節(jié)器有較高的比例增益，因此速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化是位置調(diào)節(jié)器特性調(diào)整的基礎(chǔ)。 調(diào)整伺服增益因子的目標(biāo)，應(yīng)使系統(tǒng)的跟隨誤差達(dá)到最小。增加伺服增益因子可以減少系統(tǒng)的跟隨誤差，但是伺服增益因子不能調(diào)整得太大，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。一般情況下，為了獲得較高的輪廓加工精度，應(yīng)盡可能增大伺服增益因子。伺服增益因子在機(jī)床參數(shù)MD3220中設(shè)置。 優(yōu)化位置調(diào)節(jié)器最簡(jiǎn)單的方法是觀察它的跟隨特性，當(dāng)伺服增益系數(shù)改變時(shí)，在操作面板可以看到Following error（跟隨誤差）的變化，從中判斷伺服增益因子是否達(dá)到最佳。如圖1-7所示。 圖1-7軸服務(wù)畫(huà)面 通過(guò)對(duì)FANUC和SIEMENS系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)機(jī)床參數(shù)的調(diào)整是一件復(fù)雜而繁瑣的工作，由于參數(shù)之間是相互影響的，需要反復(fù)的調(diào)試確定。參數(shù)優(yōu)化的好壞，決定加工效果。