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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
参数号码
设定值
意义
设置说明
2004
0X000011
HRV2 控制有效
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。
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#3
1
PI控制有效

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

2119
2（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。

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
4
1
CURRENT_FILTER_CONFIG
1201
EH
0H
CURRENT_FILTER_2_SUPPR_FREQ
1213
1266
3500
CURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH
1214
633
500
CURRENT_FILTER_3_SUPPR_FREQ
1216
774
3500
CURRENT_FILTER_3_ BANDWIDTH
1217
387
500
CURRENT_FILTER_4_SUPPR_FREQ
1219
1077
3500
CURRENT_FILTER_4_ BANDWIDTH
1220
538
500
SPEEDCTRL_GAIN_1
1407
150
2454
SPEEDCTRL_INTEGRATOR_TIME_1
1409
40
44

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。

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。其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落