1、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
2、、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
3、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
4、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
5、） ，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 4004) 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
6、，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参数号码 设定值 意义 设置说明2004 0X000011 HRV2 控制有效2040 标准设定值 电流环路积分增益2041 标准设定值 电流环路比例增益这三个参数通过电机参数初始化自动设定，进行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。2003#3 1 PI 控制有效
7、2017#7 1 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#4 1 速度反馈读入 1ms 有效 2016#3 1 停止时比例增益可变功能有效 21192（1um 检测）20（0.1um检测）停止时比例增益可变功能：停止判断水平（检测单位） 1825 5000 伺服环路增益 如机床有震动降低该参数数值。2021 512 速度环路增益 如机床有震动降低该参数数值。2202#1 1 切换切削/快速移动速度环路增益有效 2107 150 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
8、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。D ate: 31.03.2011File: 06 S tart-up_ax es .27SINUMERIKSiemens AG 2000. Al l rights res erv ed.SITRAIN Training forAuto mation and D riv es840D的 自 动 优
9、 化图 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：保存驱动的引导文件 参数号 原值 新值NUM_CURRENT_FILTERS 1200
10、4 1CURRENT_FILTER_CONFIG 1201 EH 0HCURRENT_FILTER_2_SUPPR_FREQ 1213 1266 3500CURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH 1214 633 500CURRENT_FILTER_3_SUPPR_FREQ 1216 774 3500CURRENT_FILTER_3_ BANDWIDTH 1217 387 500CURRENT_FILTER_4_SUPPR_FREQ 1219 1077 3500CURRENT_FILTER_4_ BANDWIDTH 1220 538 500SPEEDCTRL_GAIN_1 1407
11、 150 2454SPEEDCTRL_INTEGRATOR_TIME_1 1409 40 448. 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
12、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
13、）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。图 1-6 参考频率响应图2. 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基础。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，否则会导致系统的超调，甚至出现振荡现象。一般
14、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佳。如图1-7 所示。Date: 11.04.2011File: 08_Start_up_Diagnosis.13SINUMERIKSiemens AG 2000. All rights reserved. SITRAINTraining frAutomatisierungs-und Antriebstechnik服 务 显 示 -轴 服 务图 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。
