HRV3控制對于提高加工精度的研究*

劉志華 朱麗輝 李 琳 謝小四

（云南機電職業技術學院電氣工程系，云南昆明 650203）

HRV控制從硬件和軟件方面對交流電動機矢量控制進行優化，實現伺服裝置的高性能化，從而使數控機床的加工達到高速和高精。

1 HRV控制工作原理

HRV是“高響應矢量”（High Response Vector）的意義。其工作原理圖如圖1。

HRV控制功能改進了數字伺服電流環的特性。由于減少電流環中的控制延遲從而提高了電動機在高速旋轉時的速度控制特性。同時，在高速運行或穩定旋轉時，削減了死區電流，減少了電動機的熱損耗。在高速加工時減小了電流環的延遲，所以對于電動機高速旋轉時速度環的電流特性也得到提高，當電動機工作在1 500 r/min以上的高速加工時，加工工件形狀有明顯的改善。

使用HRV控制和高速速度環增益可以提高伺服系統的剛性，并且可以實現高增益的速度控制。利用高增益的速度環控制可提高抵抗外界干擾。

通過位置環、速度環的高增益化，可以改善伺服系統的響應性和剛性，從而可以在機床上減小切削外形誤差，加快定位速度。同時，可以使伺服調整變得簡單。只要將伺服HRV控制與CNC的前饋控制、AI輪廓控制、AI納米輪廓控制、高精度輪廓控制串聯就可以得到更加理想的結果。

圖2表示伺服HRV控制的增益調整結果，通過比較可以看出:提高基于伺服HRV控制的電流環路的響應，有利于減少速度控制和位置控制響應時間，從而在不使用反向間隙加速功能調節時也能減小象限凸起。

2 HRV3控制的設定

HRV3控制增加了排除低剛性機床的低頻振動的外力干擾過濾器，通過伺服放大器、檢測器的高精度化來實現平順的進給。由于采用高速DSP，可以在標準系統上實現比以往更加高速的電流控制周期。因此，HRV3控制也叫做“高速HRV電流控制”。

為觀察HRV3控制對于加工精度的改進，采用以下設備進行驗證:L650立式加工中心，Fanuc 0iMD數控系統，SVPM20/20/40伺服驅動器和βis12/2000伺服電動機。

2.1 伺服HRV3控制的設定

（1）加減速調整，見表1。

表1 加減速調整

（2）減小形狀誤差的設定，見表2。

（3）使用HRV3時的設定，見表3。

2.2 HRV3設定注意事項

（1）對于軸卡，如果使用HRV3控制，一條FSSB光纜只能連接4個坐標軸的放大器（都是單軸放大器）和一個獨立位置檢測器接口（必須是C205型）。同時，同一條FSSB線上所有伺服軸必須使用相同的HRV3控制方式（FSSB周期=電流采樣周期），也就是1～4軸必須都是HRV3（62.5 μs），而第五軸可以使用HRV2 或 HRV1（125 μs/250 μs）進行控制。

表2 減小形狀誤差的參數設定

表3 使用HRV3（高速HRV）時設定的參數

（2）如果使用HRV3控制，伺服電動機轉矩限制中，電動機的最大電流鉗制在放大器的最大電流值的70%。

（3）采用HRV3控制模式時，加工程序中必須指定HRV3控制即 G05.4Q1，否則為一般控制模式，HRV3控制不起作用。

（4）HRV3方式的診斷，可在診斷號700里觀察，如果參數設置正確并且相應的硬件支持HRV3控制方式，數控系統電源斷電重新啟動后，在診斷號700#1變為1時，表示可以使用HRV3功能。在診斷號700#1為1狀態下使用指令G05.4Q1時，診斷號700#0在切削進給指令時變為1，表示電流控制周期為高速，使用了HRV3增益倍率。

（5）當HRV3有效時，從電動機一側能聽到較高頻率的噪聲（相對于一般控制方式），在使用HRV2控制時也有這種聲音，這是由于控制電動機的電流頻率變高了，是正常的聲音，不會對電動機造成損害。

3 相關參數調整后研究

3.1 頻率響應

為了實現高速高精控制，修改好相應的參數后，可能會帶來機床特性的一些變化。如:使用了HRV3控制后，可能會出現伺服軸高頻共振的問題，所以對相關的參數須進一步的調整，通過利用伺服調整軟件Servo Guide觀察相關軸運動的波形，找到共振點中心頻率、帶寬等，如果是低頻振動，可以設定2067參數，利用TCMD來抑制振動，設定值與截止頻率有關系，一般設在2000，如果是高頻振動，則可以利用HRV濾波器來消除高頻振動，消除共振后，就可以設置更高的速度環增益，不過修改后要重新測量頻率響應，重復幾次，直到滿足要求為止。

在此次實驗中，沒有調整相關的HRV濾波器前，出現了高頻振動，經過不斷調整相關參數和使用了HRV濾波器后，削除了高頻振動，圖3、圖4為調整后測得的X軸、Y軸頻率響應特性波形。

3.2 觀測TMCD，SPEED、ERR的波形

利用Servo Guide檢測各軸直線運動的TMCD及速度波形，確定位置環的增益為250。走直線程序主要觀測TMCD、SPEED、ERR的波形，如果加速時間太短或增益設定太高，則TMCD波形會有較大的沖擊或波動，好的波形在加減速的地方電流波形平滑過渡，而在直線部分從頭到尾幅度應該相同，如果逐漸變粗，表示增益過高。圖5為調整好的X軸直線運動波形。

3.3 測量X軸－Y軸圓弧運動軌跡的誤差波形

利用 Servo Guide測量X軸－Y軸圓弧運動軌跡的誤差波形。如果上面的直線運動調整得比較好，則圓弧運動就相對容易。在調整過程中，如果圓弧顯示變形，可能是由于背隙補償造成，可以在測試前將1851號參數改成1，如果圓弧的半徑誤差比較大，可以設定前饋系數，利用前饋功能來縮短由于伺服系統的跟蹤延遲導致的誤差;如果象限有凸起或過切，可以通過調整速度增益和背隙加速等參數來調整。在高速加工時相對于一般加工，高速加工時減小了電流環延遲，電動機高速旋轉時速度環的電流特性也得到了提高，當電動機工作在1 500 r/min以上進行高速加工時，加工工件的形狀有了明顯的改善。圖6是采用了HRV3控制高速加工時的形狀誤差。

4 HRV高精度矢量控制系統的試件切削

相關參數調整完成后，在主軸上裝一直徑為10 mm的立銑刀，用X軸與Y軸同時插補，循圓測試，試切削工件為鑄鐵，循圓直徑為300 mm，切削速度F為3 000 mm/min，主軸旋轉速度S為4 000 r/min。切削完成后，經檢測加工表面的粗糙度與精度達到了相應的要求，比未采用HRV3控制的加工工件最大誤差減小了近 70 μm。

5 結語

經調整機床的HRV3的高精控制相關參數與伺服軌跡的進一步調整后，進行試切削加工，加工的試件產品經檢驗比未采用HRV3控制的機床進行加工的精度和速度得到了提高。說明采用HRV3控制可以提高機床的加工精度與速度。

［1］FANUC ACSERVO MOTOR βi series參數說明書［Z］.FANUC，2009.

［2］0I－D 簡明聯機調試手冊［Z］.FANUC，2009.

［3］FANUC0I－D 參數手冊［Z］.FANUC，2009.

［4］陳伯時.自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［5］朱仕學.HRV控制對數控機床加工質量的作用及方法［J］.制造業自動化，2009，31（5）.