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

高　峰　時　光　任鳳娟

(①沈陽菲迪亞數(shù)控機床有限公司，遼寧 沈陽 110142；②成都航空職業(yè)技術(shù)學院，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時光①任鳳娟②

(①沈陽菲迪亞數(shù)控機床有限公司，遼寧 沈陽 110142；②成都航空職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 610100)

根據(jù)菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動器的特點，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)對機床性能的影響，總結(jié)了利用菲迪亞TMA(test machine application)測試工具進行伺服動態(tài)優(yōu)化的方法。實踐證明該方法可以有效地提高機床的動態(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)動系統(tǒng)；參數(shù)優(yōu)化

意大利菲迪亞(FIDIA)是國際著名的數(shù)控系統(tǒng)及機床設計和制造廠商，其在數(shù)控系統(tǒng)和高速銑削加工中心的設計、制造方面處于世界級領(lǐng)導地位，尤其在模具行業(yè)的復雜型面加工方面獨樹一幟。XPOWER驅(qū)動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)控機床的精度和動態(tài)性能。本文結(jié)合筆者的實際工作經(jīng)驗對XPOWER伺服系統(tǒng)調(diào)試過程和方法進行分析說明。

1　伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成及工作原理

菲迪亞的進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一個三環(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)中實現(xiàn)，速度環(huán)和電流環(huán)在XPOWER伺服驅(qū)動系統(tǒng)中實現(xiàn)。系統(tǒng)通過FFB總線實現(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)動器及前饋補償器，采用的反饋測量元件是光柵尺或編碼器。位置環(huán)控制坐標軸進給，使坐標軸進行直線位移。前饋補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，當提及位置環(huán)時，它與CNC密切相關(guān)，因為工件程序是由連續(xù)的位置(點)組成，這些位置(點)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)和計數(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(前饋前置時間)，其中AXVKVD、 AXVKVS是優(yōu)化的主要目標。

1.2速度環(huán)

菲迪亞系統(tǒng)中CNC將位置轉(zhuǎn)換為進給量，同時計算軌跡誤差不斷地校正輸出的進給量。速度環(huán)由速度調(diào)節(jié)器、驅(qū)動器、電動機、速度傳感器、從CNC上讀取的進給量和電動機速度反饋的校正誤差組成。在速度環(huán)中，速度調(diào)節(jié)器用來控制交流電動機的轉(zhuǎn)動速度，從而達到指令速度要求。速度調(diào)節(jié)器的輸入來自位置調(diào)節(jié)器的控制信號，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)動參數(shù)： S05002(速度環(huán)比例增益Kp)、S05003(速度環(huán)積分時間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)器的電流信號轉(zhuǎn)換為交流電動機的輸出功率，達到控制進給軸的目的。引入電流反饋環(huán)節(jié)可以改善交流驅(qū)動器的電氣特性，提高驅(qū)動器的動態(tài)性能，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電流環(huán)由驅(qū)動器、電動機、驅(qū)動器內(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)動參數(shù)：S04002(電流環(huán)比例增益Kpi)、S04003(電流環(huán)積分時間Tni)。

2　XPOWER交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化的步驟

2.1調(diào)試軟件簡介

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

TMA(test machine application)用于自動測試檢測數(shù)控機床的動態(tài)性能并生成數(shù)據(jù)分析報告，如圖2所示。Bruco軟件與驅(qū)動系統(tǒng)相配套，利用它可以修改Xpower驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)。另外，在菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)用戶界面中，集成了與TMA類似的檢測工具ERCI、ERDI、ERRE、PART PROGRAM等，用于手動調(diào)試。OSCILLOSCOPE示波器可以用來監(jiān)控各種系統(tǒng)參數(shù)和伺服參數(shù)。此外，還需要檢測聲音頻率的軟件Spectrum_inst或者SR5 v2.500 軟件(或更高版本)，用于測試機床共振頻率，進行濾波。

2.2XPOWER驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化步驟

以GTS龍門五軸數(shù)控機床為例說明XPOWER驅(qū)動器的優(yōu)化步驟。

2.2.1利用TMA軟件START ALL進行總體分析

首先設置好TMA的參數(shù)，利用TMA軟件總體測試機床動態(tài)性能。打開軟件，執(zhí)行START ALL。軟件會自動執(zhí)行相關(guān)程序，并生成相關(guān)分析報告。然后，點擊START ANALYSIS進行數(shù)據(jù)分析，如圖3至圖7所示。

2.2.2利用TMA軟件START SINGLE進行分步分析

通過分析數(shù)據(jù)報告，可以分析機床動態(tài)性能中存在的問題，從而通過分步測試START SINGLE或數(shù)控系統(tǒng)界面上集成的相關(guān)工具對伺服參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。

首先，進行電流環(huán)的優(yōu)化。選擇正確的電動機型號，利用Bruco中電流環(huán)自動優(yōu)化功能優(yōu)化即可。

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

再次，通過觀察ERRE對加速度和速度環(huán)積分時間進行優(yōu)化，如圖5所示。優(yōu)化加速度和積分時間是兩個相互影響的過程，通過增加加速度和減小積分時間，觀察其在ERRE四個區(qū)域開始兩段和結(jié)束兩段的變化來進行折衷，使各坐標軸的運動盡可能同步，如圖5所示。CTV用于檢測坐標軸電動機電流起動、運行、停止時的情況，從而設定加速度的限值，如圖6所示。

最后，通過PART PROGRAM進行前看功能Look Ahead的優(yōu)化。目前Look Ahead最新版本為Look Ahead Five。通過相關(guān)指令優(yōu)化Look Ahead的相關(guān)參數(shù)如CCOMP、DYNA等，以此來控制數(shù)控機床切削復雜型面的運動性能，如圖7所示。

3　結(jié)語

菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動的優(yōu)化是對電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)，其重點是在機床穩(wěn)定的前提下盡量提高速度環(huán)比例增益而減小積分時間常數(shù)[3]，并結(jié)合各軸加速度對積分時間進行折衷，保證各軸間的同步性。實踐證明通過TMA等軟件測試并進行上述方法優(yōu)化行之有效，能夠明顯地提高機床的動態(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)動優(yōu)化在提高系統(tǒng)動態(tài)特征中的應用 [J] . 山東文學, 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)及機床的安裝、調(diào)試工作。

2016-01-19)

160551