數控系統伺服驅動優化方法

　　目前數控機床配置的數控系統主要有日本FANUC和德國SIEMENS系統，如何提高伺服驅動系統的動態特性，這也是維修及調試人員必須要做的一項很重要的工作。

　　伺服驅動優化的目的就是讓機電系統的匹配達到最佳，以獲得最優的穩定性和動態性能。在數控機床中，機電系統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，對伺服驅動的優化是必須的。

　　數控系統伺服驅動包括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所示。最內環回路反應速度最快，中間環節反應速度必須高于最外環，如果沒有遵守此原則，將會造成震動或反應不良。

　　圖1伺服系統控制回路

　　伺服優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。在做伺服優化時必須知道機床的機械性能，因為系統優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具備高剛性。

　　以日本FANUC0iC系統為例，詳細講解伺服驅動優化過程。主要過程在伺服調整畫面進行優化調整，畫面如圖2所示。

　　圖2FANUC伺服調整畫面

　　首先將功能位參數P2003的位3設定1，回路增益參數P1825設定為3000，，速度增益參數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。

　　伺服波形顯示：把參數P3112#0改為1(調整完后,一定要還原為0)，關機再開機。采樣時間設定5000，如果調整X軸，設定數據為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2066=-10(增加伺服電流環250um)來改變。

　　圖4伺服波形顯示畫面

　　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2003#4=1，如果震蕩在0-1范圍變化，設定此參數即可。

　　b)參數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。

　　表：1HRV2高精度伺服控制設定參數

　　SIEMENS810/840D系統具有自動優化功能，由驅動系統在負載狀態下自動測試和分析調節器的頻率特性，確保調節器的比例增益和積分時間常數。如果自動優化的結果不夠理想，達不到機床最佳控制效果，在此基礎上需要進行手工優化。

　　首先就SIEMENS810/840D自動優化的具體步驟做一詳細介紹。

　　在優化之前要使機床在JOG方式下，在如圖5畫面可以選WithoutPLC，這樣在優化過程中PLC不生效。

　　圖5 840D自動優化畫面

　　SIEMENS840D中PCU50軸優化具體步驟：

　　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“控制器數據開始計算”→“確認”

　　7.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”

　　8.再次按“程序啟動鍵”。手動適當修改驅動參數1407。

　　自動優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化。手工優化一般是先利用自動優化的結果，在原調節器比例增益和積分時間常數的基礎上，更好地確定調節器比例增益和積分時間常數。最后還要根據測量的結果設定各種濾波器控制數據，以消除驅動系統的共振點。

　　速度控制環手動優化

　　速度控制環優化比例增益和積分時間常數兩個數據，先確定它的比例增益，再優化積分時間常數。如果把速度調節器的積分時間常數MD1409調整到500ms，積分環節實際上處于無效狀態，這時PI速度調節器轉化為P調節器。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，直到機床發生共振，可聽到伺服電機發出的嘯叫聲，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)優化的最重要的方法。優化后顯示的幅值(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。手動優化就是大量的、反復多次調整Kp(MD1407)和Tn(MD1409)數值，目的就是使頻率特性的幅值在0db處保持盡可能寬的范圍，而不出現不穩定的振蕩情況，必要時也需要不斷調整濾波器參數進行優化。

　　　位置控制環的優化

　　位置環優化主要是位置調節器的優化。影響位置調節器的主要控制數據是它的伺服增益因子，因為系統的跟隨誤差與它有密切關系。調整位置調節器伺服增益因子的前提條件是速度調節器有較高的比例增益，因此速度調節器的優化是位置調節器特性調整的基礎。

　　調整伺服增益因子的目標，應使系統的跟隨誤差達到最小。增加伺服增益因子可以減少系統的跟隨誤差，但是伺服增益因子不能調整得太大，否則會導致系統的超調，甚至出現振蕩現象。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MD3220中設置。

　　優化位置調節器最簡單的方法是觀察它的跟隨特性，當伺服增益系數改變時，在操作面板可以看到Followingerror(跟隨誤差)的變化，從中判斷伺服增益因子是否達到最佳。

　　通過對FANUC和SIEMENS系統速度環、位置環的調試，發現對機床參數的調整是一件復雜而繁瑣的工作，由于參數之間是相互影響的，需要反復的調試確定。參數優化的好壞，決定加工效果。