西門子802D控制器參數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究

吳響亮 曹文智 馬曉波

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110142)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正在向著高精度、高速度方向發(fā)展，以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。對(duì)于包含驅(qū)動(dòng)和伺服電動(dòng)機(jī)的整套數(shù)控系統(tǒng)來說，其最根本的任務(wù)就是對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制，這一任務(wù)是由其作為控制器的功能來實(shí)現(xiàn)的［3］。對(duì)于控制器來說，其優(yōu)化過程是控制器設(shè)計(jì)的重要組成部分，用來提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟隨精度。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來說，其控制器的優(yōu)化是根據(jù)機(jī)床的情況而進(jìn)行的，所以此優(yōu)化過程只能而且必須作為機(jī)床調(diào)試的一個(gè)環(huán)節(jié)。

一般在機(jī)床具體調(diào)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)給定對(duì)應(yīng)軸的默認(rèn)參數(shù)，但這些參數(shù)一般是為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行而比較保守，不能完全滿足加工要求，而控制器參數(shù)優(yōu)化技術(shù)正是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上盡可能地提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。數(shù)控系統(tǒng)也正是通過將采樣的實(shí)際值(電流、速度、位置等)和設(shè)定值進(jìn)行數(shù)字化的處理(例如快速傅里葉變換)反映出系統(tǒng)的特性，這樣我們才能對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下有更好的輸出。

1 優(yōu)化過程

控制器參數(shù)優(yōu)化主要依據(jù)頻率特性測(cè)試、階躍響應(yīng)測(cè)試和擾動(dòng)階躍響應(yīng)測(cè)試等。圖1給出了西門子802D控制器參數(shù)優(yōu)化流程圖。

1.1 電流環(huán)優(yōu)化

對(duì)于電流環(huán)的優(yōu)化一般只是觀察它的狀態(tài)，因?yàn)閷?duì)于使用西門子的驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)來說，電流環(huán)在出廠的時(shí)候就已經(jīng)做了很好的優(yōu)化。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)配置好后，會(huì)自動(dòng)給出優(yōu)化后的電流控制器參數(shù)［1］。通過觀察可以幫助我們檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器或電動(dòng)機(jī)配置是否正確。測(cè)量參數(shù)的設(shè)定主要是對(duì)輸入信號(hào)和測(cè)量要求的設(shè)定。對(duì)于輸入信號(hào)要根據(jù)系統(tǒng)的情況來定，信號(hào)太強(qiáng)可能損壞系統(tǒng)，信號(hào)太弱可能干擾比較大，所以有時(shí)候需要反復(fù)比較來選擇合適的數(shù)值，如果出來的波形和應(yīng)該出現(xiàn)的波形有明顯差距，要檢查測(cè)量參數(shù)是否正確。

1.2 速度環(huán)優(yōu)化

速度環(huán)是驅(qū)動(dòng)器核心，電流環(huán)是速度環(huán)的最內(nèi)環(huán)。速度環(huán)的優(yōu)化涉及速度環(huán)增益、積分時(shí)間、設(shè)定值濾波和參考模型等。西門子802D自帶優(yōu)化軟件IBN Tool提供兩種速度優(yōu)環(huán)化方法，一種為自動(dòng)優(yōu)化，一種為手動(dòng)優(yōu)化。

1.2.1 自動(dòng)優(yōu)化

IBN Tool提供自動(dòng)優(yōu)化功能，可以對(duì)比例增益(Kp:P1460)、積分時(shí)間常數(shù)(Tn:P1462)及電流設(shè)定值濾波進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，并生成特性圖供檢查，能滿足一般要求。但自動(dòng)優(yōu)化功能不提供對(duì)參考模型的設(shè)定，有3種優(yōu)化方案可供選擇:標(biāo)準(zhǔn)、較好動(dòng)態(tài)性(Kp最大)和較好阻尼(Kp最小)。優(yōu)化完成后，自動(dòng)將得到優(yōu)化的數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)，系統(tǒng)再自動(dòng)進(jìn)行速度環(huán)測(cè)量［1］。

1.2.2 手動(dòng)優(yōu)化

在進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化時(shí)，可以先設(shè)定較大的Tn(比如300 ms)，先對(duì)Kp進(jìn)行優(yōu)化，Kp優(yōu)化完成后再對(duì)Tn進(jìn)行優(yōu)化。通過頻率響應(yīng)測(cè)試來調(diào)整Kp，頻率特性通過Bode圖來表示。對(duì)于速度環(huán)，希望Bode圖中幅頻特性曲線的帶寬盡可能高，這樣系統(tǒng)的響應(yīng)速度就會(huì)加快。增大Kp值就可以獲得這樣的效果，但隨著Kp值增大，一般要求超出部分最高點(diǎn)不超過3 db(相當(dāng)于在時(shí)域中40%超調(diào))，并且可能會(huì)出現(xiàn)幅頻特性曲線中帶寬頻率之后原本在0 db線下的尖峰超過0 db;這樣的尖峰如果超過3 db系統(tǒng)就可能出現(xiàn)共振，如果想繼續(xù)增大Kp就需要使用帶阻形式的電流濾波器將這個(gè)尖峰濾掉。

積分控制是對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行累積，它會(huì)消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力。較小的Tn值會(huì)使Bode圖幅頻特性曲線的低頻段更接近0 db線，但隨著Tn減小，幅頻特性曲線拐點(diǎn)附近會(huì)向上移動(dòng)，一般情況，Tn在2～20 ms之間調(diào)整。

優(yōu)化完Kp和Tn后的Bode圖應(yīng)該是帶寬頻率盡可能高，帶寬頻率之前的幅頻特性曲線最高不超過3 db。但是為了更精細(xì)的調(diào)整，還需要通過階躍響應(yīng)來檢驗(yàn)已經(jīng)確定的參數(shù)。優(yōu)化后比較理想的頻率特性曲線如圖2所示。

1.3 位置環(huán)優(yōu)化

位置環(huán)控制是NC控制器的核心，加工程序經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算后得到目標(biāo)位置和位移速度，再經(jīng)精插補(bǔ)得到目標(biāo)位置、目標(biāo)加速度和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，最后生成加速度、速度和位置設(shè)定值。位置環(huán)采用比例控制，其中主要參數(shù)是位置環(huán)增益Kv，保證對(duì)設(shè)定值變化和干擾有轉(zhuǎn)好的響應(yīng)，主要體現(xiàn)在跟隨誤差和輪廓誤差小，穩(wěn)定性好。位置環(huán)優(yōu)化主要通過頻率特性測(cè)試來調(diào)整Kv，做到在階躍響應(yīng)不出現(xiàn)超調(diào)的情況下，盡量增大Kv，用以提高帶寬，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性［3］。

調(diào)整Kv后，要通過伺服跟蹤曲線來檢驗(yàn)Kv值是否合理。一般情況下通過NC程序讓伺服軸跟蹤一段方波序列信號(hào)。如果在測(cè)試時(shí)跟蹤曲線出現(xiàn)振蕩，可以降低加速度限制值。

2 圓度測(cè)試

單軸優(yōu)化后用圓測(cè)試來檢驗(yàn)2個(gè)軸的插補(bǔ)精度，希望輪廓誤差越小越好。圓測(cè)試中在過換象限點(diǎn)時(shí)有凸起和兩軸速度不匹配等問題。如圖3所示，在4個(gè)過象限點(diǎn)出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)有一個(gè)軸的速度由0開始加速，但由于摩擦的存在，造成加速滯后而形成了過象限點(diǎn)的凸起。可以用摩擦補(bǔ)償(MD32500，MD32520，MD32540)來彌補(bǔ)，補(bǔ)償?shù)脑砭褪窃谳S換向時(shí)提前加一個(gè)速度信號(hào)來彌補(bǔ)這種滯后［2］。如果參與圓插補(bǔ)的每個(gè)軸實(shí)際增益不一致，會(huì)導(dǎo)致加工結(jié)果為橢圓，如圖4所示，這種情況應(yīng)該調(diào)整各軸增益(MD32200)和加速度(MD32300)。另外對(duì)于速度不匹配問題，可以使用西門子動(dòng)態(tài)時(shí)間匹配功能，它的基本原理是在速度較快的軸上設(shè)置動(dòng)態(tài)時(shí)間匹配參數(shù)，這樣，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)這個(gè)參數(shù)適當(dāng)降低該軸的速度，使之與另一個(gè)軸的速度相匹配［1］。

經(jīng)上述流程優(yōu)化后的結(jié)果如圖5所示。

［1］Doc On CD［Z］.Siemens，2009.

［2］802D SL 簡(jiǎn)明調(diào)試手冊(cè)［Z］.Siemens，2005.

［3］白恩遠(yuǎn)，王俊元，孫愛國.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.