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)

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：

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。