菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)伺服參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化

高　峰　時(shí)　光　任鳳娟

(①沈陽(yáng)菲迪亞數(shù)控機(jī)床有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；②成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100)

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菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)伺服參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化

高峰①時(shí)光①任鳳娟②

(①沈陽(yáng)菲迪亞數(shù)控機(jī)床有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；②成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100)

根據(jù)菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，介紹了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的作用及相互關(guān)系，分析了相關(guān)控制環(huán)參數(shù)對(duì)機(jī)床性能的影響，總結(jié)了利用菲迪亞TMA(test machine application)測(cè)試工具進(jìn)行伺服動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法。實(shí)踐證明該方法可以有效地提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)試的工作效率。

菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；參數(shù)優(yōu)化

意大利菲迪亞(FIDIA)是國(guó)際著名的數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床設(shè)計(jì)和制造廠商，其在數(shù)控系統(tǒng)和高速銑削加工中心的設(shè)計(jì)、制造方面處于世界級(jí)領(lǐng)導(dǎo)地位，尤其在模具行業(yè)的復(fù)雜型面加工方面獨(dú)樹(shù)一幟。XPOWER驅(qū)動(dòng)器則是其為配合菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的高性能交流伺服系統(tǒng)。作為數(shù)控機(jī)床的重要功能單元，XPOWER伺服參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化直接影響到數(shù)控機(jī)床的精度和動(dòng)態(tài)性能。本文結(jié)合筆者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)XPOWER伺服系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程和方法進(jìn)行分析說(shuō)明。

1　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理

菲迪亞的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制回路包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，其中外環(huán)為位置環(huán)、中環(huán)為速度環(huán)、內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。位置環(huán)在CNC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，速度環(huán)和電流環(huán)在XPOWER伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)FFB總線實(shí)現(xiàn)下位伺服系統(tǒng)與上位CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和通訊。

1.1位置環(huán)

位置環(huán)包括位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、交流驅(qū)動(dòng)器及前饋補(bǔ)償器，采用的反饋測(cè)量元件是光柵尺或編碼器。位置環(huán)控制坐標(biāo)軸進(jìn)給，使坐標(biāo)軸進(jìn)行直線位移。前饋補(bǔ)償器的作用是減小位置環(huán)跟隨誤差，使跟隨誤差有效減小。菲迪亞系統(tǒng)中，當(dāng)提及位置環(huán)時(shí)，它與CNC密切相關(guān)，因?yàn)楣ぜ绦蚴怯蛇B續(xù)的位置(點(diǎn))組成，這些位置(點(diǎn))不斷地輸入到CNC中。因此也可以這樣描述位置環(huán)，它由CNC硬件、算法、軸、位置傳感器、CNC讀取工件程序中的位置(點(diǎn))和計(jì)數(shù)反饋上的校正誤差組成的[1]。

與位置環(huán)相關(guān)的CNC參數(shù)： AXVKVD(位置環(huán)動(dòng)態(tài)比例增益)、AXVKVS(位置環(huán)靜態(tài)比例增益)、FFWPERC(前饋百分比)、FFWD(前饋前置時(shí)間)，其中AXVKVD、 AXVKVS是優(yōu)化的主要目標(biāo)。

1.2速度環(huán)

菲迪亞系統(tǒng)中CNC將位置轉(zhuǎn)換為進(jìn)給量，同時(shí)計(jì)算軌跡誤差不斷地校正輸出的進(jìn)給量。速度環(huán)由速度調(diào)節(jié)器、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、速度傳感器、從CNC上讀取的進(jìn)給量和電動(dòng)機(jī)速度反饋的校正誤差組成。在速度環(huán)中，速度調(diào)節(jié)器用來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而達(dá)到指令速度要求。速度調(diào)節(jié)器的輸入來(lái)自位置調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，它的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，采用脈沖編碼器作為速度環(huán)的反饋元件。速度調(diào)節(jié)器采用比例-積分調(diào)節(jié)器，即PI調(diào)節(jié)器，能夠獲得滿意的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，也能合理地解決速度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度之間的矛盾。

速度環(huán)參數(shù)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)： S05002(速度環(huán)比例增益Kp)、S05003(速度環(huán)積分時(shí)間Tn)[2]。

1.3電流環(huán)

電流環(huán)的主要作用是把輸入到電流調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率，達(dá)到控制進(jìn)給軸的目的。引入電流反饋環(huán)節(jié)可以改善交流驅(qū)動(dòng)器的電氣特性，提高驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電流環(huán)由驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部需要的電流和電流反饋的校正誤差組成。

電流環(huán)參數(shù)主要包括伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)：S04002(電流環(huán)比例增益Kpi)、S04003(電流環(huán)積分時(shí)間Tni)。

2　XPOWER交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化的步驟

2.1調(diào)試軟件簡(jiǎn)介

針對(duì)菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試軟件主要有以下幾款：

TMA(test machine application)用于自動(dòng)測(cè)試檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能并生成數(shù)據(jù)分析報(bào)告，如圖2所示。Bruco軟件與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相配套，利用它可以修改Xpower驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)。另外，在菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)用戶(hù)界面中，集成了與TMA類(lèi)似的檢測(cè)工具ERCI、ERDI、ERRE、PART PROGRAM等，用于手動(dòng)調(diào)試。OSCILLOSCOPE示波器可以用來(lái)監(jiān)控各種系統(tǒng)參數(shù)和伺服參數(shù)。此外，還需要檢測(cè)聲音頻率的軟件Spectrum_inst或者SR5 v2.500 軟件(或更高版本)，用于測(cè)試機(jī)床共振頻率，進(jìn)行濾波。

2.2XPOWER驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化步驟

以GTS龍門(mén)五軸數(shù)控機(jī)床為例說(shuō)明XPOWER驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化步驟。

2.2.1利用TMA軟件START ALL進(jìn)行總體分析

首先設(shè)置好TMA的參數(shù)，利用TMA軟件總體測(cè)試機(jī)床動(dòng)態(tài)性能。打開(kāi)軟件，執(zhí)行START ALL。軟件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)程序，并生成相關(guān)分析報(bào)告。然后，點(diǎn)擊START ANALYSIS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖3至圖7所示。

2.2.2利用TMA軟件START SINGLE進(jìn)行分步分析

通過(guò)分析數(shù)據(jù)報(bào)告，可以分析機(jī)床動(dòng)態(tài)性能中存在的問(wèn)題，從而通過(guò)分步測(cè)試START SINGLE或數(shù)控系統(tǒng)界面上集成的相關(guān)工具對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

首先，進(jìn)行電流環(huán)的優(yōu)化。選擇正確的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，利用Bruco中電流環(huán)自動(dòng)優(yōu)化功能優(yōu)化即可。

其次，通過(guò)ERDI、ERCI進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的優(yōu)化。ERDI可以用來(lái)優(yōu)化單軸的速度環(huán)比例增益Kp和速度環(huán)積分時(shí)間Tn，如圖4所示。當(dāng)某個(gè)坐標(biāo)軸性能不好時(shí)，需要使用ERDI單獨(dú)做測(cè)試，再利用Bruco軟件修改相關(guān)參數(shù)。ERCI可以用來(lái)優(yōu)化坐標(biāo)軸的速度環(huán)比例增益Kp和位置環(huán)比例增益Kv，如圖4所示。觀察ERCI圓形軌跡的反向越?jīng)_峰值，通過(guò)Bruco增加Kp，反向越?jīng)_峰值會(huì)不斷減小。當(dāng)增加Kp值而圓形軌跡上的反向峰值不再明顯減小時(shí)，此時(shí)即為該坐標(biāo)軸Kp臨界值，然后取該值的70%～80%作為該軸的Kp值。在優(yōu)化的過(guò)程中，速度環(huán)比例增益Kp增大的同時(shí)，機(jī)床在某些頻率處會(huì)發(fā)出刺耳的尖叫聲或者伴有機(jī)床的振動(dòng)。利用Spectrum_inst軟件可以采集到共振的頻率，然后通過(guò)Bruco軟件的濾波器功能，設(shè)置頻率點(diǎn)和帶寬進(jìn)行屏蔽。位置環(huán)的優(yōu)化，則通過(guò)增加位置環(huán)比例增益Kv，觀察ERCI的圖形。當(dāng)圖形中出現(xiàn)鋸齒形波紋時(shí)，機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)即為Kv的極限值。然后，減小Kv值，使鋸齒紋變小，同時(shí)觀察圓軌跡的圓度進(jìn)行折衷，作為Kv的優(yōu)化值。

再次，通過(guò)觀察ERRE對(duì)加速度和速度環(huán)積分時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，如圖5所示。優(yōu)化加速度和積分時(shí)間是兩個(gè)相互影響的過(guò)程，通過(guò)增加加速度和減小積分時(shí)間，觀察其在ERRE四個(gè)區(qū)域開(kāi)始兩段和結(jié)束兩段的變化來(lái)進(jìn)行折衷，使各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)盡可能同步，如圖5所示。CTV用于檢測(cè)坐標(biāo)軸電動(dòng)機(jī)電流起動(dòng)、運(yùn)行、停止時(shí)的情況，從而設(shè)定加速度的限值，如圖6所示。

最后，通過(guò)PART PROGRAM進(jìn)行前看功能Look Ahead的優(yōu)化。目前Look Ahead最新版本為L(zhǎng)ook Ahead Five。通過(guò)相關(guān)指令優(yōu)化Look Ahead的相關(guān)參數(shù)如CCOMP、DYNA等，以此來(lái)控制數(shù)控機(jī)床切削復(fù)雜型面的運(yùn)動(dòng)性能，如圖7所示。

3　結(jié)語(yǔ)

菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化是對(duì)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)，其重點(diǎn)是在機(jī)床穩(wěn)定的前提下盡量提高速度環(huán)比例增益而減小積分時(shí)間常數(shù)[3]，并結(jié)合各軸加速度對(duì)積分時(shí)間進(jìn)行折衷，保證各軸間的同步性。實(shí)踐證明通過(guò)TMA等軟件測(cè)試并進(jìn)行上述方法優(yōu)化行之有效，能夠明顯地提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

[1]Practicai manualfor calibrating axes [P] . FIDIA S.p.A. San Mauro Torinese,Italy, 2003.

[2]Fidia xpower series drives bruco parameters user handbook [P] . FIDIA S.p.A. San Mauro Torinese,Italy, 2014,(2)38-39.

[3]吳子敬.驅(qū)動(dòng)優(yōu)化在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征中的應(yīng)用 [J] . 山東文學(xué), 2008(10):161-162.

(編輯孫德茂)

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Servo parameters tuning and optimizing for FIDIA CNC System

GAO Feng①, SHI Guang①, REN Fengjuan②

(① Shenyang FIDA NC&MACHINE Co.,Ltd., Shenyang 110142, CHN;②Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610100, CHN)

According to the characteristics of FIDIA CNC system and servo drive, the function and relationship of current loop, velocity loop and position loop are introduced and effect of control loop parameters on the performance of the machine tool is analyzed. Summarize the methods for using FIDIA TMA (test machine application) in tuning servo driver. Practice has proved that the method can effectively improve the dynamic performance of the machine tool and the efficiency of the machine debugging.

FIDIA CNC; servo drive system; parameters tuning

TG502

A

高峰，男，1980年生，碩士，電氣工程師，從事菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床的安裝、調(diào)試工作。

2016-01-19)

160551