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數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動優(yōu)化方法 白斌 內(nèi)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(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性，這也是維修及調(diào)試人員必須要做的一項很重要的工作。 機床各軸的驅(qū)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(qū)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(qū)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(zhì)量不良等問題。尤其在磨具加工中，對伺服驅(qū)動的優(yōu)化是必須的。 數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)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(nèi)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(chǎn)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(qū)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(qū)動優(yōu)化過程。主要過程在伺服調(diào)整畫面進行優(yōu)化調(diào)整，畫面如圖1-2所示。 圖1-2 FANUC伺服調(diào)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(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)，關機再開機。如下圖1-3所示：采樣時間設定5000，如果調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)整負載慣量比時候（大于512），會產(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(nèi)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(qū)動系統(tǒng)在負載狀態(tài)下自動測試和分析調(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間常數(shù)。如果自動優(yōu)化的結(jié)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(qū)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(cè)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)。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(qū)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(cè)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(qū)動參數(shù)1407。 自動優(yōu)化的結(jié)果并不一定是一個理想的結(jié)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(jié)果，在原調(diào)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(diào)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(jié)果設定各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅(qū)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(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)MD1409調(diào)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(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(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，必要時也需要不斷調(diào)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(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，因為系統(tǒng)的跟隨誤差與它有密切關系。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。 調(diào)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(diào)整得太大，否則會導致系統(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(diào)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(diào)試，發(fā)現(xiàn)對機床參數(shù)的調(diào)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(diào)試確定。參數(shù)優(yōu)化的好壞，決定加工效果。