西門子840D伺服系統控制參數優化分析與研究

摘要：在分析現代機械加工制造行業中高精密數控機床伺服系統控制參數優化重要性的基礎上，簡要介紹應用普遍的西門子840D伺服系統，著重研究西門子840D伺服系統控制參數優化的原理與方法。對使用840D伺服系統的圓柱齒輪加工機床的位置環、電流環與速度環進行優化，通過對比優化前后的加工效果和同步誤差，證明伺服系統控制參數優化可以提高齒輪齒面加工精度和光潔度以及加工效率。

關鍵詞：伺服系統；控制參數；840D

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A

1引言

現代高精度數控機床是實現各種復雜曲面零件的精密加工的最重要的關鍵設備，很多精密數控機床的直線軸都采用當今最先進的直接驅動（直驅）技術，由伺服電機直接驅動進給裝置，通過多種方式的插補技術很好滿足了加工高精度和高表面光潔度復雜工件的要求。直驅技術其優點是動態響應特性好、運行速度快，精度高。由于驅動部件跟負載間直接連接，無需做額外的硬件連接誤差補償。因此直驅技術在各種中、高端的機床產品和模具生產機床中得到了廣泛的應用[1]。

直驅技術雖然具有上述優點，但是由于省去了電機跟負載端的機械傳動鏈，傳動比近似為1：1，這也使得電機對負載變化顯得格外敏感[2]，同時負載的固有頻率容易引起伺服電機驅動系統產生共振現象，引起機床在加工零部件過程中表現出震動和抖動以及加工噪聲等現象。因此需要對伺服系統的速度環、電流環、位置環控制參數進行優化[3]。

2西門子840D伺服系統簡介

西門子840D伺服系統是西門子公司于上世紀90年代推出的高檔產品。它保留了前兩代產品高效的三CPU結構：人機通信CPU（MMCCPU）、數字控制CPU（NCCPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLCCPU）。840D伺服系統具有數字化驅動、可控制的軸多、操作系統視窗化、軟件內容豐富、五軸聯動模塊化設計等優點。西門子840D伺服系統控制框圖如圖1所示，主要包括：

1）數字控制單元NCU，集成了SINUMERIK 840D 數控CPU 和SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相應的數控軟件和PLC 控制軟件。帶有MPI 或Profibus 接口，RS232 接口，手輪及測量接口，PCMCIA 卡插槽等。是數控系統的控制和信息處理中心，負責運動位置的計算和控制。

2）人機交互單元，完成操作員與機床以及交互單元與PLC和NC之間通信，帶有CPU、內存等，可以用來存儲數據。

3）操作面板OP，顯示系統與PLC參數，提供人機友好交互界面；編輯、修改程序及參數；實現軟功能操作。

4）PLC模塊，包括電源模塊接口、輸入輸出和信號模塊。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的，PLC不僅有邏輯運算、計時、計數、順序控制等功能，還具有數字和模擬量的輸入輸出、功率驅動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。

3伺服系統優化

在機床實際加工生產過程中，由于系統的慣性和連接元件的彈性形變會產生給定值與實際值的差異，這個差異主要表現在系統的動態誤差方面。影響系統動態特性因素有：直線位移部分的質量、轉動部分的慣性、傳遞鏈過程的摩擦力以及連接元件的彈性形變等。

上述影響的因素誤差，可以將機床伺服驅動系統的傳遞過程看成 “線性環節”和“彈性環節”的組合。線性環節（即時域響應）為伺服驅動全閉環控制系統各個環節，彈性環節（即頻域響應）認為是很多頻率組合起來的輸入端。由于機床固有的“慣性”，這些頻率會對機床傳遞環節的輸出產生影響，有的輸入頻率會被壓抑，從而降低了系統的動態特性；而有的輸入頻率被放大，就會引起“共振”現象[4]。這些頻率的存在是造成機床不穩定的因素，驅動系統控制參數優化首先要找出這些影響的頻率，從頻譜上找出共振點頻率，再通過添加電子濾波器的方法來抑制這些共振頻率，增加系統的穩定性。然后再通過提高系統的增益來改善系統的動態特性，消除抑制頻率部分的影響。

840D伺服控制系統由電流環、速度環和位置環組成。其中，位置環是一個比例調節器，在優化過程中調試起來相對容易；速度環和電流環由比例積分調節器組成，是驅動控制參數優化的重點，速度環又是驅動控制參數優化的重中之重。關鍵在于提高速度環的動態特性，提高速度環比例環節的增益，減低積分環節的時間參數可以提高速度環的動態特性，首先是如何找到驅動部分的共振頻率。

在伺服驅動控制系統的輸入端施加一個涵蓋很寬頻率的噪聲信號， 再檢測輸出端的響應信號， 根據它們的關系繪制一個輸入和輸出的關系圖，為了計算方便一般用波特圖的方式來表示。圖的上半部分是表示輸出和輸入幅值的比， 下半部分是輸出和輸入信號的相位差。理想的情況是輸出的幅值等于輸入信號的幅值， 而且沒有相位差， 但實際中的圖形都會有偏差， 圖2就是一個實際的波特圖[5]。

從圖中可以看出圖形的低頻部分輸入和輸出的幅值比在0dB附近， 大于0dB表示輸入的幅值小于輸出的幅值， 也就是有點超調，根據公式，增益=20*lg（輸出/輸入），當達到3dB的時候超調的值接近40%， 系統有振蕩的危險；當輸入與輸出的比值小于0dB表示輸出被衰減，當為-10dB時， 衰減幅度達到70%， 這時的輸出基本為0。驅動軸正常工作時， 根據電動機的速度可以推算出電動機輸入的電源的頻率， 一般在幾十到幾百赫茲左右。在系統加減速過程中， 電動機輸入的電源頻率會有很寬的范圍， 一般能到千赫左右。在波特圖中， 當幅值比從0dB往下降且相位滯后接近180°時， 這個頻率稱為拐點頻率。這個頻率越高， 驅動的動態特性越好， 反之越低[6]。

伺服驅動系統控制參數優化目的就是盡量讓拐點頻率提高， 讓幅值比曲線更接近于0dB[7]。顯然如果增加速度環的增益可以使波特圖線往上翹，系統會振蕩， 此時電動機會發出嘯叫的聲音。這時如果能采取相應的辦法把尖峰去掉， 就能達到既增加速度環增益， 又不影響系統的穩定的目的[8]。數控系統能通過添加相應的電子濾波器的方法來實現。

4應用實例

西門子840D數控系統的應用非常廣泛。為了驗證伺服系統控制參數優化效果，我們選取一臺使用西門子840D伺服系統的圓柱齒輪滾齒機作為實驗對象。

該機床由840D伺服系統控制五個軸（兩個旋轉軸和三個直線軸），利用系統提供的電子齒輪箱功能控制兩個旋轉軸的耦合運動，從而實現連續滾切，所以伺服系統控制的這兩個旋轉軸需要有非常好的動態性能。在沒有進行伺服驅動系統控制參數優化之前，出現旋轉軸響應不及時而導致的振動、卡刀等現象。分別對伺服系統的位置環、速度環和電流環控制參數進行優化。

1）電流環優化

圖3為電流環優化前后結果，圖中上部分為優化前結果，下部分為優化后結果。電流環優化主要用于對電流的濾波調節[9]，通過控制流程圖可以看出，內部電流環的調節會影響外部速度環的性能[10]，因此為了防止電流的不穩定波對電動機造成影響，設置濾波器類型為低通濾波，將MD1120（電流環控制器P增益）的參數從26.6調節為40，優化后幅頻曲線更平穩，且衰減頻率更趨向高頻，使得電機性能更高。

2）速度環優化

圖4為優化前后結果對比，從圖中可以看出：優化前，幅頻曲線在800Hz附近存在一個明顯的共振點，且曲線在20Hz后就立即衰減，修改MD1407，速度環控制器P增益從280逐步增加至1400，并設置濾波器類型為頻率800Hz帶阻濾波器，優化后，測試結果曲線0dB段盡量往高頻延伸，且高頻震蕩并沒有超出0dB，說明伺服系統響應更快，抗干擾能力越強。

3）位置環優化

位置環直接面向機床軸的實際位置，調節位置環增益MD32200（位置環控制器P增益），可優化位置環控制器的反應速度，更加精確地到達數控系統設定的位置，提高機床定位精度。將MD32200的參數從2改為5，優化前后結果如圖5所示。優化后位置環增益在高頻更趨近與平穩，且測試結果曲線0dB往高頻延伸。

在對伺服系統的位置環、速度環以及電流環進行優化后，兩個旋轉軸之間的同步誤差也由0.21°降低到0.09°，切削效果改善明顯，不再出現嘯叫和卡刀的現象，并且齒輪表面光潔度和精度也得到顯著提高。

5結語

伺服系統控制參數的優化對于高檔數控機床是非常重要的，它能夠提高機床的動態特性，充分地發揮機床的性能，使加工更平穩、更高效。

本文分析了西門子840D伺服系統控制參數優化的原理與方法，選擇圓柱齒輪滾齒機作為實驗對象，對伺服系統的位置環、速度環以及電流環分別進行了優化。優化后機床的加工效果明顯改善、同步誤差明顯的降低。本文對西門子840D伺服系統控制參數的優化具有參考價值。

參考文獻

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