數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動優(yōu)化方法
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。
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 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2所示。
圖2 FANUC伺服調(diào)整畫面
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(guān),一定要調(diào)整。
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)機再開機。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3伺服波形設置畫面
如果在起動時,波形不光滑(如圖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4 伺服波形顯示畫面
1)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(guān)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 HRV2高精度伺服控制設定參數(shù)
參數(shù)號碼
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設定值
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意義
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設置說明
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2004
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0X000011
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HRV2 控制有效
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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。
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2040
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標準設定值
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電流環(huán)路積分增益
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2041
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標準設定值
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電流環(huán)路比例增益
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2003#3
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1
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PI控制有效
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2017#7
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1
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速度環(huán)比例項高速處理功能
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如機床有震動可將該參數(shù)設為0。
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2006#4
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1
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速度反饋讀入1ms有效
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2016#3
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1
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停止時比例增益可變功能有效
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2119
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2(1um檢測)
20(0.1um檢測)
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停止時比例增益可變功能:停止判斷水平(檢測單位)
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1825
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5000
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伺服環(huán)路增益
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如機床有震動降低該參數(shù)數(shù)值。
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2021
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512
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速度環(huán)路增益
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如機床有震動降低該參數(shù)數(shù)值。
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2202#1
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1
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切換切削/快速移動速度環(huán)路增益有效
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2107
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150
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切換時速度環(huán)路增益倍率
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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(chǔ)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5畫面可以選Without PLC,這樣在優(yōu)化過程中PLC不生效。
圖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
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參數(shù)號
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原值
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新值
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NUM_CURRENT_FILTERS
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1200
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4
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1
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CURRENT_FILTER_CONFIG
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1201
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EH
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0H
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CURRENT_FILTER_2_SUPPR_FREQ
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1213
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1266
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3500
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CURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH
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1214
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633
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500
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CURRENT_FILTER_3_SUPPR_FREQ
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1216
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774
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3500
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CURRENT_FILTER_3_ BANDWIDTH
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1217
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387
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500
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CURRENT_FILTER_4_SUPPR_FREQ
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1219
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1077
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3500
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CURRENT_FILTER_4_ BANDWIDTH
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1220
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538
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500
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SPEEDCTRL_GAIN_1
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1407
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150
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2454
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SPEEDCTRL_INTEGRATOR_TIME_1
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1409
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40
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44
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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(chǔ)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(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,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7所示。
圖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。