数控系统伺服驱动优化方法

数控系统伺服驱动优化方法

白斌

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，这也是维修及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。如果这些参数设置不当，就会导致机床运行过程中的振动，伺服电机啸叫，使加工无法进行，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，对驱动参数进行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佳，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、加工零件表面过切、表面质量不良等问题。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个反馈回路，即位置回路、速度回路以及电流回路，其组成的框图如图1-1所示。最内环回路反应速度最快，中间环节反应速度必须高于最外环，如果没有遵守此原则，将会造成震动或反应不良。

图1-1 伺服系统控制回路

伺服优化的一般原则是位置控制回路不能高于速度控制回路的反应，因此，若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，造成速度指令及定位时间增加，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应，而且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行优化调整，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,一定要还原为0)，关机再开机。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），则表示伺服增益不够，需要再提高。如果在中间的直线上有波动，则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范围的震荡（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0-1范围变化，设定此参数即可。

b) 参数2099设置为400

4) 有关250um加速反馈的说明：

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，可设定此参数进行改善。

此功能把加速度反馈增益乘以电机速度反馈信号的微分值，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，因此可进行高精度的机械加工。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

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，达不到机床最佳控制效果，在此基础上需要进行手工优化。

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不生效。

Date:31.03.2011

File:06 S tart-up_axes.27 l rights reserved.SIT RAIN Auto mation

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“开始机械系统测量部分1”

→确认

4.按“程序启动键”，电机正转。然后显示“开始机械系统测量部分

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：

8.按右侧垂直菜单的“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，大部分情况下进行手工优化。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基础上，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Kp（MD1407）和Tn（MD1409）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相同的幅值；0相位表明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、反复多次调整Kp（MD1407）和Tn （MD1409）数值，目的就是使频率特性的幅值在0db处保持尽可能宽的范围，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行优化。