数控系统伺服驱动优化方法

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。

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 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2所示。

图2 FANUC伺服调整画面

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。

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。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3伺服波形设置画面

如果在起动时，波形不光滑(如图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4 伺服波形显示画面

1)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 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5画面可以选Without PLC，这样在优化过程中PLC不生效。

图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。

图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7所示。

图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。