數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動優(yōu)化方法_圖文

1、目前數(shù)控機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)主要有日本FANUC和德國SIEMENS系統(tǒng),如何提高伺服驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性,這也是維修及調(diào)試人員必須要做的一項(xiàng)很重要的工作。伺服驅(qū)動優(yōu)化的目的就是讓機(jī)電系統(tǒng)的匹配達(dá)到最佳,以獲得最優(yōu)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。在數(shù)控機(jī)床中,機(jī)電系統(tǒng)的不匹配通常會引起機(jī)床震動、加工零件表面過切、表面質(zhì)量不良等問題。尤其在磨具加工中,對伺服驅(qū)動的優(yōu)化是必須的。數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動包括3個反饋回路,即位置回路、速度回路以及電流回路,其組成的框圖如圖1所示。最內(nèi)環(huán)回路反應(yīng)速度最快,中間環(huán)節(jié)反應(yīng)速度必須高于最外環(huán),如果沒有遵守此原則,將會造成震動或反應(yīng)不良。 圖1伺服系統(tǒng)控制回路伺服優(yōu)化的一般原則是位置

2、控制回路不能高于速度控制回路的反應(yīng),因此,若要增加位置回路增益,必須先增加速度回路的增益。如果僅僅增加位置回路增益,機(jī)床很容易產(chǎn)生振動,造成速度指令及定位時間增加,而非減少。在做伺服優(yōu)化時必須知道機(jī)床的機(jī)械性能,因?yàn)橄到y(tǒng)優(yōu)化是建立在機(jī)械裝配性能之上的,即不僅要確保伺服驅(qū)動的反應(yīng),而且也必須確保機(jī)械系統(tǒng)具備高剛性。以日本FANUC0iC系統(tǒng)為例,詳細(xì)講解伺服驅(qū)動優(yōu)化過程。主要過程在伺服調(diào)整畫面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,畫面如圖2所示。 圖2FANUC伺服調(diào)整畫面首先將功能位參數(shù)P2003的位3設(shè)定1,回路增益參數(shù)P1825設(shè)定為3000,速度增益參數(shù)P2021從200增加,每加100后,用JOG移動坐標(biāo),看

3、是否震動,或看伺服波形(TCMD是否平滑。注:速度增益=負(fù)載慣量比(參數(shù)P2021+256/256*100。負(fù)載慣量比表示電機(jī)的慣量和負(fù)載的慣量比,直接和具體的機(jī)床相關(guān),一定要調(diào)整。伺服波形顯示:把參數(shù)P3112#0改為1(調(diào)整完后,一定要還原為0,關(guān)機(jī)再開機(jī)。采樣時間設(shè)定5000,如果調(diào)整X軸,設(shè)定數(shù)據(jù)為51,檢查實(shí)際速度。 圖3伺服波形設(shè)置畫面如果在起動時,波形不光滑(如圖4所示,則表示伺服增益不夠,需要再提高。如果在中間的直線上有波動,則可能由于高增益引起的震動,這可通過設(shè)定參數(shù)2066=-10(增加伺服電流環(huán)250um來改變。 圖4伺服波形顯示畫面1N脈沖抑制:當(dāng)在調(diào)整時,由于提高了速

4、度增益,而引起了機(jī)床在停止時也出現(xiàn)了小范圍的震蕩(低頻,從伺服調(diào)整畫面的位置誤差可看到,在沒有給指令(停止時,誤差在0左右變化。使用單脈沖抑制功能可以將此震蕩消除,按以下步驟調(diào)整:a參數(shù)2003#4=1,如果震蕩在0-1范圍變化,設(shè)定此參數(shù)即可。b參數(shù)2099設(shè)置為4004有關(guān)250um加速反饋的說明:電機(jī)與機(jī)床彈性連接,負(fù)載慣量比電機(jī)的慣量要大,在調(diào)整負(fù)載慣量比時候(大于512,會產(chǎn)生50-150HZ的振動,此時,不要減小負(fù)載慣量比的值,可設(shè)定此參數(shù)進(jìn)行改善。此功能把加速度反饋增益乘以電機(jī)速度反饋信號的微分值,通過補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩指令Tcmd,來達(dá)到抑制速度環(huán)的震蕩。5速度回路和位置回路的高增益,可

5、以改善伺服系統(tǒng)的響應(yīng)和剛性。因此可以減小機(jī)床的加工形狀誤差,提高定位速度。由于這一效果,使得伺服調(diào)整簡化。HRV2控制可以改善整個系統(tǒng)的伺服性能。伺服用HRV2調(diào)整后,可以用HRV3改善高速電流控制,因此可進(jìn)行高精度的機(jī)械加工。表1-1是標(biāo)準(zhǔn)HRV2高精度伺服設(shè)定控制設(shè)定參數(shù)。表:1HRV2高精度伺服控制設(shè)定參數(shù)參數(shù)號碼設(shè)定值意義設(shè)置說明20040X000011HRV2控制有效這三個參數(shù)通過電機(jī)參數(shù)初始化自動設(shè)定,進(jìn)行電機(jī)參數(shù)初始化時選擇的電機(jī)代碼號為電機(jī)代碼表中括號內(nèi)的電機(jī)代碼即可實(shí)現(xiàn)HRV2控制。2040標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值電流環(huán)路積分增益2041標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值電流環(huán)路比例增益2003#31PI 控制有

6、效2017#71速度環(huán)比例項(xiàng)高速處理功能如機(jī)床有震動可將該參數(shù)設(shè)為0。2006#41速度反饋?zhàn)x入1ms 有效2016#31停止時比例增益可變功能有效21192(1um 檢測20(0.1um 檢測停止時比例增益可變功能:停止判斷水平(檢測單位18255000伺服環(huán)路增益如機(jī)床有震動降低該參數(shù)數(shù)值。2021512速度環(huán)路增益如機(jī)床有震動降低該參數(shù)數(shù)值。2202#11切換切削/快速移動速度環(huán)路增益有效2107150切換時速度環(huán)路增益倍率SIEMENS810/840D 系統(tǒng)具有自動優(yōu)化功能,由驅(qū)動系統(tǒng)在負(fù)載狀態(tài)下自動測試和分析調(diào)節(jié)器的頻率特性,確保調(diào)節(jié)器的比例增益和積分時間常數(shù)。如果自動優(yōu)化的結(jié)果不夠

7、理想,達(dá)不到機(jī)床最佳控制效果,在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)行手工優(yōu)化。首先就SIEMENS810/840D 自動優(yōu)化的具體步驟做一詳細(xì)介紹。在優(yōu)化之前要使機(jī)床在JOG 方式下,在如圖5畫面可以選Without PLC ,這樣在優(yōu)化過程中PLC 不生效。 圖5840D自動優(yōu)化畫面SIEMENS840D中PCU50軸優(yōu)化具體步驟:1.菜單啟動驅(qū)動/伺服軸擴(kuò)展自動控制設(shè)置2.在自動控制設(shè)置窗口:設(shè)置好不帶PLC,上限、下限。3.按右側(cè)垂直菜單的啟動鍵,此時顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分1”確認(rèn)4.按“程序啟動鍵”,電機(jī)正轉(zhuǎn)。然后顯示“開始機(jī)械系統(tǒng)測量部分2”“確認(rèn)”5.再次按“程序啟動鍵”,電機(jī)反轉(zhuǎn)。然后顯示“啟動

8、當(dāng)前控制的測量”“確認(rèn)”6.再次按“程序啟動鍵”。然后顯示“控制器數(shù)據(jù)開始計算”“確認(rèn)”7.窗口顯示:保存驅(qū)動的引導(dǎo)文件參數(shù)號原值新值NUM_CURRENT_FILTERS120041CURRENT_FILTER_CONFIG1201EH0HCURRENT_FILTER_2_BANDWIDTH1214633500CURRENT_FILTER_3_BANDWIDTH1217387500CURRENT_FILTER_4_BANDWIDTH1220538500SPEEDCTRL_GAIN_1 SPEEDCTRL_INTEGRATOR_TIME_1 8. 9. 1407 1409 150 40 245

9、4 44 按右側(cè)垂直菜單的“保存”鍵，然后顯示“開始測量速度控制回路” “確認(rèn)” 再次按“程序啟動鍵”。手動適當(dāng)修改驅(qū)動參數(shù) 1407。 自動優(yōu)化的結(jié)果并不一定是一個理想的結(jié)果，大部分情況下進(jìn)行手工優(yōu)化。手工 優(yōu)化一般是先利用自動優(yōu)化的結(jié)果， 在原調(diào)節(jié)器比例增益和積分時間常數(shù)的基礎(chǔ) 上，更好地確定調(diào)節(jié)器比例增益和積分時間常數(shù)。最后還要根據(jù)測量的結(jié)果設(shè)定 各種濾波器控制數(shù)據(jù)，以消除驅(qū)動系統(tǒng)的共振點(diǎn)。 1. 速度控制環(huán)手動優(yōu)化 速度控制環(huán)優(yōu)化比例增益和積分時間常數(shù)兩個數(shù)據(jù)，先確定它的比例增益，再優(yōu) 化積分時間常數(shù)。如果把速度調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù) MD1409 調(diào)整到 500ms， 積 分環(huán)節(jié)實(shí)際上

10、處于無效狀態(tài)，這時 PI 速度調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為 P 調(diào)節(jié)器。為了確定比 例增益的初值， 可從一個較小的值開始， 逐漸增加比例增益， 直到機(jī)床發(fā)生共振， 可聽到伺服電機(jī)發(fā)出的嘯叫聲，將這時的比例增益乘以 0.5，作為首次測量的初 值。 參考頻率響應(yīng)是 Kp（MD1407）和 Tn（MD1409）優(yōu)化的最重要的方法。優(yōu)化 后顯示的幅值 （db） 和相位圖 1-6 中， 表示的是速度實(shí)際值是如何跟隨設(shè)定值的； 0db 表示實(shí)際速度和設(shè)定速度值是相同的幅值；0 相位表明實(shí)際速度跟隨設(shè)定值 具有最小的延時。手動優(yōu)化就是大量的、反復(fù)多次調(diào)整 Kp （ MD1407 ）和 Tn （MD1409）數(shù)值，目的就是使

11、頻率特性的幅值在 0db 處保持盡可能寬的范圍， 而不出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩情況，必要時也需要不斷調(diào)整濾波器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 圖 6 參考頻率響應(yīng)圖 2. 位置控制環(huán)的優(yōu)化 位置環(huán)優(yōu)化主要是位置調(diào)節(jié)器的優(yōu)化。 影響位置調(diào)節(jié)器的主要控制數(shù)據(jù)是它的伺 服增益因子， 因?yàn)橄到y(tǒng)的跟隨誤差與它有密切關(guān)系。調(diào)整位置調(diào)節(jié)器伺服增益因 子的前提條件是速度調(diào)節(jié)器有較高的比例增益， 因此速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化是位置調(diào) 節(jié)器特性調(diào)整的基礎(chǔ)。 調(diào)整伺服增益因子的目標(biāo)，應(yīng)使系統(tǒng)的跟隨誤差達(dá)到最小。增加伺服增益因子 可以減少系統(tǒng)的跟隨誤差， 但是伺服增益因子不能調(diào)整得太大，否則會導(dǎo)致系統(tǒng) 的超調(diào)，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。一般情況下，為了獲得較高的輪廓加工精度，應(yīng)盡 可能增大伺服增益因子。伺服增益因子在機(jī)床參數(shù) MD3220 中設(shè)置。 優(yōu)化位置調(diào)節(jié)器最簡單的方法是觀察它的跟隨特性，當(dāng)伺服增