基于西門子840Dsl系統的伺服泵運動控制實現

謝浩煒，張賢軍

（中航西飛漢中航空零組件制造有限公司，陜西 漢中 723213）

數控機床在工業生產中發揮出重要價值，隨著科技進步，機床加工精度和效率明顯提高。為滿足多元化生產需要，以西門子840Dsl系統為基礎，應用伺服電機泵進行運動控制，通過使用雙向伺服泵技術進行運動控制，能夠提高運動控制的響應效率和精度，充分滿足高標準的生產需要。因此本文提出了運動控制方案，對于機床生產精度的提高具有突出價值。

1 伺服泵運動原理

基于西門子840Dsl系統的伺服泵運動控制設計，是根據雙向伺服泵驅動和液壓系統原理完成的。在滑塊部件實際運動中，可以總結為以下五種工況：①快下。滑塊向下快速定位到達目標位置，運動時，下腔支撐失效，伺服泵提供滑塊支撐力；泵反轉時，滑塊失去支撐落下；泵抽取油液補充上腔，由于上腔截面較下腔大，需要對優良進行補充。②保壓。保持壓力，將板料壓緊，Y2閥通電后，伺服泵出現反轉，供油給上腔，在液壓系統和補液量保證平衡后，電機進入堵轉，形成上腔壓力[1]。③工進。向下帶載慢速運動，Y2閥通電，伺服泵發生反轉，供油給上腔；在上腔壓力超過下腔壓力后，導通支撐閥，讓下腔油液回流至流油箱中，滑塊發生向下運動。④回程。滑塊向上運動至目標位置，所有閥門處于失電狀態下，伺服泵正常正轉，供油給下腔，將滑塊抬升向上，上腔油液被抽取至下腔，另外一部分通過補充油液排出油箱。⑤卸荷。讓壓緊力釋放，滑塊向上運動到達指定位置，Y2閥通電后，伺服泵正常運轉，電機反向扭矩，釋放上腔壓力后，油液被抽取至下腔，滑塊上移。

2 基于西門子840Dsl系統的伺服泵運動控制實現

2.1 電流環控制

為了讓機床順利運轉，減少振動，從內至外調整三環回路，各伺服軸調整后檢查伺服軸參數匹配情況，避免加工精度發生偏差，如果圓弧插補存在問題造成工件過切或者少切問題，表面會形成刀紋影。對電流環控制的測試主要對頻率響應進行測試，檢測電流環增益值是否處于合理范圍內，驅動電機出廠時已經經過調整，無需二次調試。根據電流環頻率測試，檢出控制參數、匹配情況的程度，如果加工時出現伺服軸轉或者機床振動問題，表示匹配性差。控制時先明確伺服軸電機，明確電機數據，利用機床控制數據的功能，自動載入數據。通常情況下載入機床數據范圍較廣。調試前檢查載入數據，測試頻率響應時振幅一般不超過0 dB，測量頻率響應要求達到-180°，相位點頻率大于等于1 000 Hz。對電流環進行頻率響應測試時，加強對工作人員的安全保護，由于電機不受力，轉矩達到最小值，機床軸會脫離系統控制，需要加固機床軸。

2.2 速度環控制

調整測試速度環前，需要關掉速度環濾波器，速度環濾波器不會影響系統穩定性，但會影響編碼器和光柵尺的分析結果，造成結果不準確。為了讓伺服系統精準定位，需要提高速度環動態性能、抗干擾性以及調速范圍，加工期間發現振動或不穩定問題，需要對速度環伺服匹配問題進行調整。通過對速度控制器積分時間、比例增的調整，能夠保證系統動態性能保持最優狀態。速度環設定比例增益是按照電機型號，大轉矩電機速度環增益值較高，一般情況下積分時間為10 ms，調試時優先選擇驅動系統相對應的電機[2]。調試中由于增益值較小，積分時間長，為避免調整后電機共振出現嘯叫，先根據頻率特性找到機床共振點，分析參數值寫入Tn和Kp參數中。進行頻率響應檢測是通過找到極點和零點實現，零點為相位差和幅值的最小值，極點是幅值和相位差的最大值。調整伺服時盡量規避極點，減少零點的出現。要想保證系統整體的穩定性，需要在幅頻特性曲線降低區段消除零點以及極點，通過添加濾波器消除零點和極點，擴大工作區域。

進行頻率響應測試要根據響應圖形對增益值進行調整，多次測試頻率響應，對增益值進行調整，最后明確臨界極點，使用帶阻濾波器，將極點降低至0。根據測試曲線對相頻和幅頻進行觀察，明確誤差情況，如果振幅和速度相同，在幅頻曲線中以0 dB表示。調試時濾波器根據測量結果設定以獲得最佳參數值，幅頻曲線出現低谷和尖峰，并且尖峰大于0 dB，使用帶寬濾波器消除尖峰，不能消除低谷。積分時間設定十分關鍵，若幅頻曲線大于0 dB，根據機床剛性特征，一般情況下積分時間為2～20 ms。最佳調整結果為幅頻曲線接近于0 dB，幅頻響應值小于5 dB。測試時電機和工作臺連接，需要將機電降低至0以下。將機床增益值和積分時間準確記錄，在時間常數設為0的情況下檢測增益值，可以避免檢測時受到系統的影響。使用速度環檢測，得到速度環波形圖，觀察響應是否出現過沖。判斷時間參數合理性通過干擾階躍檢測判斷，隨著時間參數減小，波動動作速度加快，縮短驅動控制時間。如果直線電機沒有傳動環節，設定積分時間為2 ms，控制過沖現象。若機床配置不良造成摩擦阻力過大，需要調整偏移量消除摩擦。

2.3 位置環控制

機床調試維護中，改變參數值優先對位置環參數檢查，很多參數會影響位置環控制器，包括電流環和速度環。調試位置環前檢測機床坐標是否為真實坐標值，檢查誤差值是否為1。調整位置環控制器找出最佳增益值，用伺服跟蹤對伺服軸穩定性和過沖問題進行檢測，設定加速度限幅控制速度最大值。檢測圓度能夠判斷兩服軸，畫圓換向時兩軸配合程度。在系統中添加速度濾波器，隨時修正尺寸，讓控制機床取得更好的畫圓效果。為控制幅頻不過沖，測試后對控制器參考頻率進行測試?？刂破黜憫鶕恢铆h增益值確定，增益值會對誤差和精度產生影響，跟隨誤差和增益值成反比關系，增益值越大，誤差越小。

在機床調試中，增益值為1～10，機床調整的位置環增益值設定相同，選擇最小參數，才能測試得到最佳精度。如果伺服軸增益值需要設定不同值，必須添加動態適配功能，用于減小兩軸跟隨誤差。在調整伺服時未考慮到機床負載情況，實際加工時較為復雜，機床運行不穩定?？梢栽跈C床保持大負載運行狀態中調試，保證伺服軸偏移值足夠大，對摩擦力起到抑制作用。如果設定偏置參數過小，會造成測試結果誤差過大。時間參數設定不超過15 ms，若時間參數設定過大，過度調節位置環控制器，會造成調試結果不準確。通過設定生效參數和時間參數，調整寫入參數最佳值，位置控制環根據速度環濾波器平衡。位置環加速通過調整加速度參數對加速度特性進行控制，即改變加速度提高穩定性。設置加速度能夠平穩過渡機床啟動和停止時間，保證機床加工質量以及動態響應。使用機床程序進行加速度控制，用跟隨功能設置最大加速度，判斷參數設定合理性。通過對機械性能的設定，能夠同時控制加速度和動態響應。

2.4 運動控制

系統根據液壓原理，接收控制和運動指令換算，由于下腔和油缸截面不同，在不同工況下滑塊切換傳動比以及速比。在不同工況下，壓力和滑塊運動的變化和油泵轉動不一致，切換工況后控制質量和壓力反饋、實際位置方向相反。西門子系統運動指令是經過CNC運動規劃和插補后，生成指令發送給伺服驅動，對力矩、速度以及電流環控制。在NCU和驅動之間添加控制單元，截取速度指令。利用西門子系統進行泵轉速換算-線速度以及閉環PID的處理，通過總線控制驅動。DCC程序應用于報文接口以及變量之間，NCU指令通過報文接口傳遞數據，處理數據后輸出為變量，由伺服驅動執行[3]。

3 結論

綜上所述，基于西門子840Dsl系統進行伺服泵運動控制方案設計，通過二次開發應用DCC實現對伺服泵系統的高精度控制。常規機床數控系統使用直線軸以及泵控液壓軸兩種系統，彌補了常規控制系統在液壓控制的不足。目前在工業生產中已經得到應用，但仍然存在很多改進的空間。未來還需要進一步優化控制程序，提高控制精度以及響應效率，滿足更高標準和多元化的生產需要。