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數(shù)控系統(tǒng)伺服驅動優(yōu)化方法 白斌 內容摘要：目前數(shù)控機床配置的數(shù)控系統(tǒng)主要有日本FANUC和德國SIEMENS系統(tǒng)，如何提高伺服驅動系統(tǒng)的動態(tài)特性，這也是維修及調試人員必須要做的一項很重要的工作。 機床各軸的驅動、電機數(shù)據(jù)如速度環(huán)、位置環(huán)增益直接影響軸的動態(tài)運行特性。如果這些參數(shù)設置不當，就會導致機床運行過程中的振動，伺服電機嘯叫，使加工無法進行，甚至會導致絲桿和導軌損壞。為了達到良好的零件加工精度，對驅動參數(shù)進行優(yōu)化是一項必不可少的工作。 關鍵詞：速度環(huán) 位置環(huán) 優(yōu)化 伺服驅動優(yōu)化的目的就是讓機電系統(tǒng)的匹配達到最佳，以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。在數(shù)控機床中，機電系統(tǒng)的不匹配通常會引起機床震動、加工零件表面過切、表面質量不良等問題。尤其在磨具加工中，對伺服驅動的優(yōu)化是必須的。 數(shù)控系統(tǒng)伺服驅動包括3個反饋回路，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。最內環(huán)回路反應速度最快，中間環(huán)節(jié)反應速度必須高于最外環(huán)，如果沒有遵守此原則，將會造成震動或反應不良。 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，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，機床很容易產生振動，造成速度指令及定位時間增加，而非減少。在做伺服優(yōu)化時必須知道機床的機械性能，因為系統(tǒng)優(yōu)化是建立在機械裝配性能之上的，即不僅要確保伺服驅動的反應，而且也必須確保機械系統(tǒng)具備高剛性。 以日本FANUC 0iC系統(tǒng)為例，詳細講解伺服驅動優(yōu)化過程。主要過程在伺服調整畫面進行優(yōu)化調整，畫面如圖1-2所示。 圖1-2 FANUC伺服調整畫面 1） 首先將功能位參數(shù)P2003的位3 設定1，回路增益參數(shù)P1825設定為3000，，速度增益參數(shù)P2021從200增加，每加100后，用JOG移動坐標，看是否震動，或看伺服波形（TCMD）是否平滑。 注：速度增益=［負載慣量比（參數(shù)P2021）+256］/256 *100。負載慣量比表示電機的慣量和負載的慣量比，直接和具體的機床相關，一定要調整。 2） 伺服波形顯示：把參數(shù)P3112#0改為1(調整完后,一定要還原為0)，關機再開機。如下圖1-3所示：采樣時間設定5000，如果調整X軸，設定數(shù)據(jù)為51,檢查實際速度。 圖1-3伺服波形設置畫面 如果在起動時，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，則可能由于高增益引起的震動，這可通過設定參數(shù)2066=-10（增加伺服電流環(huán)250um）來改變。 圖1-4 伺服波形顯示畫面 3） N脈沖抑制：當在調整時，由于提高了速度增益，而引起了機床在停止時也出現(xiàn)了小范圍的震蕩（低頻），從伺服調整畫面的位置誤差可看到，在沒有給指令（停止時），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，按以下步驟調整： a) 參數(shù)2003#4=1，如果震蕩在0-1范圍變化，設定此參數(shù)即可。 b) 參數(shù)2099設置為400 4) 有關250um加速反饋的說明： 電機與機床彈性連接，負載慣量比電機的慣量要大，在調整負載慣量比時候（大于512），會產生50-150HZ的振動，此時，不要減小負載慣量比的值，可設定此參數(shù)進行改善。 此功能把加速度反饋增益乘以電機速度反饋信號的微分值，通過補償轉矩指令Tcmd，來達到抑制速度環(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)的響應和剛性。因此可以減小機床的加工形狀誤差，提高定位速度。由于這一效果，使得伺服調整簡化。HRV2控制可以改善整個系統(tǒng)的伺服性能。伺服用HRV2調整后，可以用HRV3改善高速電流控制，因此可進行高精度的機械加工。表1-1是標準HRV2高精度伺服設定控制設定參數(shù)。 表1-1 HRV2高精度伺服控制設定參數(shù) 參數(shù)號碼 設定值 意義 設置說明 2004 0X000011 HRV2 控制有效 這三個參數(shù)通過電機參數(shù)初始化自動設定，進行電機參數(shù)初始化時選擇的電機代碼號為電機代碼表中括號內的電機代碼即可實現(xiàn)HRV2控制。 2040 標準設定值 電流環(huán)路積分增益 2041 標準設定值 電流環(huán)路比例增益 2003#3 1 PI控制有效 2017#7 1 速度環(huán)比例項高速處理功能 如機床有震動可將該參數(shù)設為0。 2006#4 1 速度反饋讀入1ms有效 2016#3 1 停止時比例增益可變功能有效 2119 2（1um檢測） 20（0.1um檢測） 停止時比例增益可變功能：停止判斷水平（檢測單位） 1825 5000 伺服環(huán)路增益 如機床有震動降低該參數(shù)數(shù)值。 2021 512 速度環(huán)路增益 如機床有震動降低該參數(shù)數(shù)值。 2202#1 1 切換切削/快速移動速度環(huán)路增益有效 2107 150 切換時速度環(huán)路增益倍率 SIEMENS810/840D系統(tǒng)具有自動優(yōu)化功能，由驅動系統(tǒng)在負載狀態(tài)下自動測試和分析調節(jié)器的頻率特性，確保調節(jié)器的比例增益和積分時間常數(shù)。如果自動優(yōu)化的結果不夠理想，達不到機床最佳控制效果，在此基礎上需要進行手工優(yōu)化。 首先就SIEMENS810/840D自動優(yōu)化的具體步驟做一詳細介紹。 在優(yōu)化之前要使機床在JOG方式下，在如圖1-5畫面可以選Without PLC，這樣在優(yōu)化過程中PLC不生效。 圖1-5 840D自動優(yōu)化畫面 SIEMENS840D中PCU50軸優(yōu)化具體步驟： 1. 菜單→啟動→驅動/伺服軸→擴展→自動控制設置 2. 在自動控制設置窗口：設置好不帶PLC，上限、下限。 3. 按右側垂直菜單的啟動鍵，此時顯示“開始機械系統(tǒng)測量部分1” →確認 4. 按“程序啟動鍵”，電機正轉。然后顯示“開始機械系統(tǒng)測量部分2” →“確認” 5. 再次按“程序啟動鍵”，電機反轉。然后顯示“啟動當前控制的測量” →“確認” 6. 再次按“程序啟動鍵”。然后顯示“控制器數(shù)據(jù)開始計算” →“確認” 7. 窗口顯示： 保存驅動的引導文件 參數(shù)號 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. 按右側垂直菜單的“保存”鍵，然后顯示“開始測量速度控制回路” →“確認” 9. 再次按“程序啟動鍵”。手動適當修改驅動參數(shù)1407。 自動優(yōu)化的結果并不一定是一個理想的結果，大部分情況下進行手工優(yōu)化。手工優(yōu)化一般是先利用自動優(yōu)化的結果，在原調節(jié)器比例增益和積分時間常數(shù)的基礎上，更好地確定調節(jié)器比例增益和積分時間常數(shù)。最后還要根據(jù)測量的結果設定各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅動系統(tǒng)的共振點。 1. 速度控制環(huán)手動優(yōu)化 速度控制環(huán)優(yōu)化比例增益和積分時間常數(shù)兩個數(shù)據(jù)，先確定它的比例增益，再優(yōu)化積分時間常數(shù)。如果把速度調節(jié)器的積分時間常數(shù)MD1409調整到500ms，積分環(huán)節(jié)實際上處于無效狀態(tài)，這時PI速度調節(jié)器轉化為P調節(jié)器。為了確定比例增益的初值，可從一個較小的值開始，逐漸增加比例增益，直到機床發(fā)生共振，可聽到伺服電機發(fā)出的嘯叫聲，將這時的比例增益乘以0.5，作為首次測量的初值。 參考頻率響應是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，表示的是速度實際值是如何跟隨設定值的；0db表示實際速度和設定速度值是相同的幅值；0相位表明實際速度跟隨設定值具有最小的延時。手動優(yōu)化就是大量的、反復多次調整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，必要時也需要不斷調整濾波器參數(shù)進行優(yōu)化。 圖1-6 參考頻率響應圖 2. 位置控制環(huán)的優(yōu)化 位置環(huán)優(yōu)化主要是位置調節(jié)器的優(yōu)化。影響位置調節(jié)器的主要控制數(shù)據(jù)是它的伺服增益因子，因為系統(tǒng)的跟隨誤差與它有密切關系。調整位置調節(jié)器伺服增益因子的前提條件是速度調節(jié)器有較高的比例增益，因此速度調節(jié)器的優(yōu)化是位置調節(jié)器特性調整的基礎。 調整伺服增益因子的目標，應使系統(tǒng)的跟隨誤差達到最小。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整得太大，否則會導致系統(tǒng)的超調，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，應盡可能增大伺服增益因子。伺服增益因子在機床參數(shù)MD3220中設置。 優(yōu)化位置調節(jié)器最簡單的方法是觀察它的跟隨特性，當伺服增益系數(shù)改變時，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到最佳。如圖1-7所示。 圖1-7軸服務畫面 通過對FANUC和SIEMENS系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)的調試，發(fā)現(xiàn)對機床參數(shù)的調整是一件復雜而繁瑣的工作，由于參數(shù)之間是相互影響的，需要反復的調試確定。參數(shù)優(yōu)化的好壞，決定加工效果。