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1、数控系统伺服驱动优化方法内容摘要：目前数控机床配置的数控系统主要有日本FANUC和德国SIEMENS系统，如何提高伺服驱动系统的动态特性，这也是维修与调试人员必须要做的一项很重要的工作。机床各轴的驱动、电机数据如速度环、位置环增益直接影响轴的动态运行特性。如果参数设置不当，就会导致机床运行过程中的振动，伺服电机啸叫，使加工无法进展，甚至会导致丝杆和导轨损坏。为了达到良好的零件加工精度，对驱动参数进展优化是一项必不可少的工作。关键词：速度环位置环 优化伺服驱动优化的目的就是让机电系统的匹配达到最优，以获得最优的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统的不匹配通常会引起机床震动、加工零件外表过切、
2、外表质量不良等问题。尤其在磨具加工中，对伺服驱动的优化是必须的。数控系统伺服驱动包括3个反响回路，即位置回路、速度回路以与电流回路，其组成的框图如图1-1所示。最内环回路反响速度最快，中间环节反响速度必须高于最外环，如果没有遵守此原如此，将会造成震动或反响不良。图1-1 伺服系统控制回路伺服优化的一般原如此是位置控制回路不能高于速度控制回路的反响，因此，假如要增加位置回路增益，必须先增加速度回路的增益。如果仅仅增加位置回路增益，机床很容易产生振动，造成速度指令与定位时间增加，而非减少。在做伺服优化时必须知道机床的机械性能，因为系统优化是建立在机械装配性能之上的，即不仅要确保伺服驱动的反响，而且
3、也必须确保机械系统具备高刚性。以日本FANUC 0iC系统为例，详细讲解伺服驱动优化过程。主要过程在伺服调整画面进展优化调整，画面如图1-2所示。图1-2 FANUC伺服调整画面1） 首先将功能位参数P2003的位3 设定1，回路增益参数P1825设定为3000，速度增益参数P2021从200增加，每加100后，用JOG移动坐标，看是否震动，或看伺服波形TCMD是否平滑。注：速度增益=负载惯量比参数P2021+256/256 *100。负载惯量比表示电机的惯量和负载的惯量比，直接和具体的机床相关，一定要调整。2） 伺服波形显示：把参数P3112#0改为1(调整完后,一定要复原为0)，关机再开机
4、。如如下图1-3所示：采样时间设定5000，如果调整X轴，设定数据为51,检查实际速度。图1-3伺服波形设置画面如果在起动时，波形不光滑如图1-4所示，如此表示伺服增益不够，需要再提高。如果在中间的直线上有波动，如此可能由于高增益引起的震动，这可通过设定参数2066=-10增加伺服电流环250um来改变。图1-4 伺服波形显示画面3） N脉冲抑制：当在调整时，由于提高了速度增益，而引起了机床在停止时也出现了小X围的震荡低频，从伺服调整画面的位置误差可看到，在没有给指令停止时，误差在0左右变化。使用单脉冲抑制功能可以将此震荡消除，按以下步骤调整：a) 参数2003#4=1，如果震荡在0-1X围变
5、化，设定此参数即可。b) 参数2099设置为4004) 有关250um加速反响的说明：电机与机床弹性连接，负载惯量比电机的惯量要大，在调整负载惯量比时候大于512，会产生50-150HZ的振动，此时，不要减小负载惯量比的值，可设定此参数进展改善。此功能把加速度反响增益乘以电机速度反响信号的微分值，通过补偿转矩指令Tcmd，来达到抑制速度环的震荡。5)速度回路和位置回路的高增益，可以改善伺服系统的响应和刚性。因此可以减小机床的加工形状误差，提高定位速度。由于这一效果，使得伺服调整简化。HRV2控制可以改善整个系统的伺服性能。伺服用HRV2调整后，可以用HRV3改善高速电流控制，因此可进展高精度的
6、机械加工。表1-1是标准HRV2高精度伺服设定控制设定参数。表1-1 HRV2高精度伺服控制设定参数参数设定值意义设置说明20040X000011HRV2 控制有效这三个参数通过电机参数初始化自动设定，进展电机参数初始化时选择的电机代码号为电机代码表中括号内的电机代码即可实现HRV2控制。2040标准设定值电流环路积分增益2041标准设定值电流环路比例增益2003#31PI控制有效2017#71速度环比例项高速处理功能如机床有震动可将该参数设为0。2006#41速度反响读入1ms有效2016#31停止时比例增益可变功能有效211921um检测200.1um检测停止时比例增益可变功能：停止判断水
7、平检测单位18255000伺服环路增益如机床有震动降低该参数数值。2021512速度环路增益如机床有震动降低该参数数值。2202#11切换切削/快速移动速度环路增益有效2107150切换时速度环路增益倍率SIEMENS810/840D系统具有自动优化功能，由驱动系统在负载状态下自动测试和分析调节器的频率特性，确保调节器的比例增益和积分时间常数。如果自动优化的结果不够理想，达不到机床最优控制效果，在此根底上需要进展手工优化。首先就SIEMENS810/840D自动优化的具体步骤做一详细介绍。在优化之前要使机床在JOG方式下，在如图1-5画面可以选Without PLC，这样在优化过程中PLC不生
8、效。图1-5 840D自动优化画面SIEMENS840D中PCU50轴优化具体步骤：1. 菜单启动驱动/伺服轴扩展自动控制设置2. 在自动控制设置窗口：设置好不带PLC，上限、下限。3. 按右侧垂直菜单的启动键，此时显示“开始机械系统测量局部1确认4. 按“程序启动键，电机正转。然后显示“开始机械系统测量局部2“确认5. 再次按“程序启动键，电机反转。然后显示“启动当前控制的测量“确认6. 再次按“程序启动键。然后显示“控制器数据开始计算“确认7. 窗口显示：保存驱动的引导文件参数号原值新值NUM_CURRENT_FILTERS120041CURRENT_FILTER_CONFIG1201EH
9、0HCURRENT_FILTER_2_SUPPR_FREQ121312663500CURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH1214633500CURRENT_FILTER_3_SUPPR_FREQ12167743500CURRENT_FILTER_3_ BANDWIDTH1217387500CURRENT_FILTER_4_SUPPR_FREQ121910773500CURRENT_FILTER_4_ BANDWIDTH1220538500SPEEDCTRL_GAIN_114071502454SPEEDCTRL_INTEGRATOR_TIME_1140940448. 按右侧垂直菜单
10、的“保存键，然后显示“开始测量速度控制回路“确认9. 再次按“程序启动键。手动适当修改驱动参数1407。自动优化的结果并不一定是一个理想的结果，大局部情况下进展手工优化。手工优化一般是先利用自动优化的结果，在原调节器比例增益和积分时间常数的根底上，更好地确定调节器比例增益和积分时间常数。最后还要根据测量的结果设定各种滤波器控制数据，以消除驱动系统的共振点。1. 速度控制环手动优化速度控制环优化比例增益和积分时间常数两个数据，先确定它的比例增益，再优化积分时间常数。如果把速度调节器的积分时间常数MD1409调整到500ms，积分环节实际上处于无效状态，这时PI速度调节器转化为P调节器。为了确定比
11、例增益的初值，可从一个较小的值开始，逐渐增加比例增益，直到机床发生共振，可听到伺服电机发出的啸叫声，将这时的比例增益乘以0.5，作为首次测量的初值。 参考频率响应是KpMD1407和TnMD1409优化的最重要的方法。优化后显示的幅值db和相位图1-6中，表示的是速度实际值是如何跟随设定值的；0db表示实际速度和设定速度值是一样的幅值；0相位明确实际速度跟随设定值具有最小的延时。手动优化就是大量的、反复屡次调整KpMD1407和TnMD1409数值，目的就是使频率特性的幅值在0db处保持尽可能宽的X围，而不出现不稳定的振荡情况，必要时也需要不断调整滤波器参数进展优化。图1-6 参考频率响应图2
12、. 位置控制环的优化位置环优化主要是位置调节器的优化。影响位置调节器的主要控制数据是它的伺服增益因子，因为系统的跟随误差与它有密切关系。调整位置调节器伺服增益因子的前提条件是速度调节器有较高的比例增益，因此速度调节器的优化是位置调节器特性调整的根底。 调整伺服增益因子的目标，应使系统的跟随误差达到最小。增加伺服增益因子可以减少系统的跟随误差，但是伺服增益因子不能调整得太大，否如此会导致系统的超调，甚至出现振荡现象。一般情况下，为了获得较高的轮廓加工精度，应尽可能增大伺服增益因子。伺服增益因子在机床参数MD3220中设置。 优化位置调节器最简单的方法是观察它的跟随特性，当伺服增益系数改变时，在操作面板可以看到Following error跟随误差的变化，从中判断伺服增益因子是否达到最优。如图1-7所示。图1-7轴服务画面通过对FANUC和SIEMENS系统速度环、位置环的调试，发现对机床参数的调整是一件复杂而繁琐的工作，由于参数之间是相互影响的，需要反复的调试确定。参数优化的好坏，决定加工效果。
