西門子840D伺服系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化分析與研究

摘要：在分析現(xiàn)代機械加工制造行業(yè)中高精密數(shù)控機床伺服系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化重要性的基礎(chǔ)上，簡要介紹應(yīng)用普遍的西門子840D伺服系統(tǒng)，著重研究西門子840D伺服系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化的原理與方法。對使用840D伺服系統(tǒng)的圓柱齒輪加工機床的位置環(huán)、電流環(huán)與速度環(huán)進行優(yōu)化，通過對比優(yōu)化前后的加工效果和同步誤差，證明伺服系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化可以提高齒輪齒面加工精度和光潔度以及加工效率。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；控制參數(shù)；840D

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A

1引言

現(xiàn)代高精度數(shù)控機床是實現(xiàn)各種復(fù)雜曲面零件的精密加工的最重要的關(guān)鍵設(shè)備，很多精密數(shù)控機床的直線軸都采用當(dāng)今最先進的直接驅(qū)動（直驅(qū)）技術(shù)，由伺服電機直接驅(qū)動進給裝置，通過多種方式的插補技術(shù)很好滿足了加工高精度和高表面光潔度復(fù)雜工件的要求。直驅(qū)技術(shù)其優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)特性好、運行速度快，精度高。由于驅(qū)動部件跟負載間直接連接，無需做額外的硬件連接誤差補償。因此直驅(qū)技術(shù)在各種中、高端的機床產(chǎn)品和模具生產(chǎn)機床中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

直驅(qū)技術(shù)雖然具有上述優(yōu)點，但是由于省去了電機跟負載端的機械傳動鏈，傳動比近似為1：1，這也使得電機對負載變化顯得格外敏感[2]，同時負載的固有頻率容易引起伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，引起機床在加工零部件過程中表現(xiàn)出震動和抖動以及加工噪聲等現(xiàn)象。因此需要對伺服系統(tǒng)的速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)控制參數(shù)進行優(yōu)化[3]。

2西門子840D伺服系統(tǒng)簡介

西門子840D伺服系統(tǒng)是西門子公司于上世紀90年代推出的高檔產(chǎn)品。它保留了前兩代產(chǎn)品高效的三CPU結(jié)構(gòu)：人機通信CPU（MMCCPU）、數(shù)字控制CPU（NCCPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLCCPU）。840D伺服系統(tǒng)具有數(shù)字化驅(qū)動、可控制的軸多、操作系統(tǒng)視窗化、軟件內(nèi)容豐富、五軸聯(lián)動模塊化設(shè)計等優(yōu)點。西門子840D伺服系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，主要包括：

1）數(shù)字控制單元NCU，集成了SINUMERIK 840D 數(shù)控CPU 和SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相應(yīng)的數(shù)控軟件和PLC 控制軟件。帶有MPI 或Profibus 接口，RS232 接口，手輪及測量接口，PCMCIA 卡插槽等。是數(shù)控系統(tǒng)的控制和信息處理中心，負責(zé)運動位置的計算和控制。

2）人機交互單元，完成操作員與機床以及交互單元與PLC和NC之間通信，帶有CPU、內(nèi)存等，可以用來存儲數(shù)據(jù)。

3）操作面板OP，顯示系統(tǒng)與PLC參數(shù)，提供人機友好交互界面；編輯、修改程序及參數(shù)；實現(xiàn)軟功能操作。

4）PLC模塊，包括電源模塊接口、輸入輸出和信號模塊。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的，PLC不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能。

3伺服系統(tǒng)優(yōu)化

在機床實際加工生產(chǎn)過程中，由于系統(tǒng)的慣性和連接元件的彈性形變會產(chǎn)生給定值與實際值的差異，這個差異主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的動態(tài)誤差方面。影響系統(tǒng)動態(tài)特性因素有：直線位移部分的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動部分的慣性、傳遞鏈過程的摩擦力以及連接元件的彈性形變等。

上述影響的因素誤差，可以將機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的傳遞過程看成 “線性環(huán)節(jié)”和“彈性環(huán)節(jié)”的組合。線性環(huán)節(jié)（即時域響應(yīng)）為伺服驅(qū)動全閉環(huán)控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，彈性環(huán)節(jié)（即頻域響應(yīng)）認為是很多頻率組合起來的輸入端。由于機床固有的“慣性”，這些頻率會對機床傳遞環(huán)節(jié)的輸出產(chǎn)生影響，有的輸入頻率會被壓抑，從而降低了系統(tǒng)的動態(tài)特性；而有的輸入頻率被放大，就會引起“共振”現(xiàn)象[4]。這些頻率的存在是造成機床不穩(wěn)定的因素，驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化首先要找出這些影響的頻率，從頻譜上找出共振點頻率，再通過添加電子濾波器的方法來抑制這些共振頻率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然后再通過提高系統(tǒng)的增益來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，消除抑制頻率部分的影響。

840D伺服控制系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成。其中，位置環(huán)是一個比例調(diào)節(jié)器，在優(yōu)化過程中調(diào)試起來相對容易；速度環(huán)和電流環(huán)由比例積分調(diào)節(jié)器組成，是驅(qū)動控制參數(shù)優(yōu)化的重點，速度環(huán)又是驅(qū)動控制參數(shù)優(yōu)化的重中之重。關(guān)鍵在于提高速度環(huán)的動態(tài)特性，提高速度環(huán)比例環(huán)節(jié)的增益，減低積分環(huán)節(jié)的時間參數(shù)可以提高速度環(huán)的動態(tài)特性，首先是如何找到驅(qū)動部分的共振頻率。

在伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的輸入端施加一個涵蓋很寬頻率的噪聲信號， 再檢測輸出端的響應(yīng)信號， 根據(jù)它們的關(guān)系繪制一個輸入和輸出的關(guān)系圖，為了計算方便一般用波特圖的方式來表示。圖的上半部分是表示輸出和輸入幅值的比， 下半部分是輸出和輸入信號的相位差。理想的情況是輸出的幅值等于輸入信號的幅值， 而且沒有相位差， 但實際中的圖形都會有偏差， 圖2就是一個實際的波特圖[5]。

從圖中可以看出圖形的低頻部分輸入和輸出的幅值比在0dB附近， 大于0dB表示輸入的幅值小于輸出的幅值， 也就是有點超調(diào)，根據(jù)公式，增益=20*lg（輸出/輸入），當(dāng)達到3dB的時候超調(diào)的值接近40%， 系統(tǒng)有振蕩的危險；當(dāng)輸入與輸出的比值小于0dB表示輸出被衰減，當(dāng)為-10dB時， 衰減幅度達到70%， 這時的輸出基本為0。驅(qū)動軸正常工作時， 根據(jù)電動機的速度可以推算出電動機輸入的電源的頻率， 一般在幾十到幾百赫茲左右。在系統(tǒng)加減速過程中， 電動機輸入的電源頻率會有很寬的范圍， 一般能到千赫左右。在波特圖中， 當(dāng)幅值比從0dB往下降且相位滯后接近180°時， 這個頻率稱為拐點頻率。這個頻率越高， 驅(qū)動的動態(tài)特性越好， 反之越低[6]。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化目的就是盡量讓拐點頻率提高， 讓幅值比曲線更接近于0dB[7]。顯然如果增加速度環(huán)的增益可以使波特圖線往上翹，系統(tǒng)會振蕩， 此時電動機會發(fā)出嘯叫的聲音。這時如果能采取相應(yīng)的辦法把尖峰去掉， 就能達到既增加速度環(huán)增益， 又不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定的目的[8]。數(shù)控系統(tǒng)能通過添加相應(yīng)的電子濾波器的方法來實現(xiàn)。

4應(yīng)用實例

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。為了驗證伺服系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化效果，我們選取一臺使用西門子840D伺服系統(tǒng)的圓柱齒輪滾齒機作為實驗對象。

該機床由840D伺服系統(tǒng)控制五個軸（兩個旋轉(zhuǎn)軸和三個直線軸），利用系統(tǒng)提供的電子齒輪箱功能控制兩個旋轉(zhuǎn)軸的耦合運動，從而實現(xiàn)連續(xù)滾切，所以伺服系統(tǒng)控制的這兩個旋轉(zhuǎn)軸需要有非常好的動態(tài)性能。在沒有進行伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化之前，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸響應(yīng)不及時而導(dǎo)致的振動、卡刀等現(xiàn)象。分別對伺服系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制參數(shù)進行優(yōu)化。

1）電流環(huán)優(yōu)化

圖3為電流環(huán)優(yōu)化前后結(jié)果，圖中上部分為優(yōu)化前結(jié)果，下部分為優(yōu)化后結(jié)果。電流環(huán)優(yōu)化主要用于對電流的濾波調(diào)節(jié)[9]，通過控制流程圖可以看出，內(nèi)部電流環(huán)的調(diào)節(jié)會影響外部速度環(huán)的性能[10]，因此為了防止電流的不穩(wěn)定波對電動機造成影響，設(shè)置濾波器類型為低通濾波，將MD1120（電流環(huán)控制器P增益）的參數(shù)從26.6調(diào)節(jié)為40，優(yōu)化后幅頻曲線更平穩(wěn)，且衰減頻率更趨向高頻，使得電機性能更高。

2）速度環(huán)優(yōu)化

圖4為優(yōu)化前后結(jié)果對比，從圖中可以看出：優(yōu)化前，幅頻曲線在800Hz附近存在一個明顯的共振點，且曲線在20Hz后就立即衰減，修改MD1407，速度環(huán)控制器P增益從280逐步增加至1400，并設(shè)置濾波器類型為頻率800Hz帶阻濾波器，優(yōu)化后，測試結(jié)果曲線0dB段盡量往高頻延伸，且高頻震蕩并沒有超出0dB，說明伺服系統(tǒng)響應(yīng)更快，抗干擾能力越強。

3）位置環(huán)優(yōu)化

位置環(huán)直接面向機床軸的實際位置，調(diào)節(jié)位置環(huán)增益MD32200（位置環(huán)控制器P增益），可優(yōu)化位置環(huán)控制器的反應(yīng)速度，更加精確地到達數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的位置，提高機床定位精度。將MD32200的參數(shù)從2改為5，優(yōu)化前后結(jié)果如圖5所示。優(yōu)化后位置環(huán)增益在高頻更趨近與平穩(wěn)，且測試結(jié)果曲線0dB往高頻延伸。

在對伺服系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán)進行優(yōu)化后，兩個旋轉(zhuǎn)軸之間的同步誤差也由0.21°降低到0.09°，切削效果改善明顯，不再出現(xiàn)嘯叫和卡刀的現(xiàn)象，并且齒輪表面光潔度和精度也得到顯著提高。

5結(jié)語

伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)化對于高檔數(shù)控機床是非常重要的，它能夠提高機床的動態(tài)特性，充分地發(fā)揮機床的性能，使加工更平穩(wěn)、更高效。

本文分析了西門子840D伺服系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化的原理與方法，選擇圓柱齒輪滾齒機作為實驗對象，對伺服系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán)分別進行了優(yōu)化。優(yōu)化后機床的加工效果明顯改善、同步誤差明顯的降低。本文對西門子840D伺服系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)化具有參考價值。

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