菲迪亞數控系統伺服參數調整與優化

高　峰　時　光　任鳳娟

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

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菲迪亞數控系統伺服參數調整與優化

高峰①時光①任鳳娟②

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

根據菲迪亞數控系統及伺服驅動器的特點，介紹了電流環、速度環和位置環的作用及相互關系，分析了相關控制環參數對機床性能的影響，總結了利用菲迪亞TMA(test machine application)測試工具進行伺服動態優化的方法。實踐證明該方法可以有效地提高機床的動態性能和調試的工作效率。

菲迪亞數控系統；伺服驅動系統；參數優化

意大利菲迪亞(FIDIA)是國際著名的數控系統及機床設計和制造廠商，其在數控系統和高速銑削加工中心的設計、制造方面處于世界級領導地位，尤其在模具行業的復雜型面加工方面獨樹一幟。XPOWER驅動器則是其為配合菲迪亞數控系統研發的高性能交流伺服系統。作為數控機床的重要功能單元，XPOWER伺服參數的調整與優化直接影響到數控機床的精度和動態性能。本文結合筆者的實際工作經驗對XPOWER伺服系統調試過程和方法進行分析說明。

1　伺服驅動系統的組成及工作原理

菲迪亞的進給伺服驅動系統是一個三環結構的閉環系統。閉環控制回路包括位置環、速度環和電流環，其中外環為位置環、中環為速度環、內環為電流環，其結構如圖1所示。位置環在CNC系統中實現，速度環和電流環在XPOWER伺服驅動系統中實現。系統通過FFB總線實現下位伺服系統與上位CNC系統的數據傳輸和通訊。

1.1位置環

位置環包括位置調節器、速度調節器、電流調節器、交流驅動器及前饋補償器，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跟隨誤差，使跟隨誤差有效減小。菲迪亞系統中，當提及位置環時，它與CNC密切相關，因為工件程序是由連續的位置(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，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)和計數反饋上的校正誤差組成的[1]。

與位置環相關的CNC參數： AXVKVD(位置環動態比例增益)、AXVKVS(位置環靜態比例增益)、FFWPERC(前饋百分比)、FFWD(前饋前置時間)，其中AXVKVD、 AXVKVS是優化的主要目標。

1.2速度環

菲迪亞系統中CNC將位置轉換為進給量，同時計算軌跡誤差不斷地校正輸出的進給量。速度環由速度調節器、驅動器、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。在速度環中，速度調節器用來控制交流電動機的轉動速度，從而達到指令速度要求。速度調節器的輸入來自位置調節器的控制信號，它的輸出作為電流調節器的輸入，采用脈沖編碼器作為速度環的反饋元件。速度調節器采用比例-積分調節器，即PI調節器，能夠獲得滿意的靜態和動態調速特性，也能合理地解決速度調節環節中系統的穩定性和精度之間的矛盾。

速度環參數主要包括伺服驅動參數： S05002(速度環比例增益Kp)、S05003(速度環積分時間Tn)[2]。

1.3電流環

電流環的主要作用是把輸入到電流調節器的電流信號轉換為交流電動機的輸出功率，達到控制進給軸的目的。引入電流反饋環節可以改善交流驅動器的電氣特性，提高驅動器的動態性能，增強系統的穩定性。電流環由驅動器、電動機、驅動器內部需要的電流和電流反饋的校正誤差組成。

電流環參數主要包括伺服驅動參數：S04002(電流環比例增益Kpi)、S04003(電流環積分時間Tni)。

2　XPOWER交流伺服驅動系統優化的步驟

2.1調試軟件簡介

針對菲迪亞數控系統的調試軟件主要有以下幾款：

TMA(test machine application)用于自動測試檢測數控機床的動態性能并生成數據分析報告，如圖2所示。Bruco軟件與驅動系統相配套，利用它可以修改Xpower驅動系統相關的參數。另外，在菲迪亞數控系統用戶界面中，集成了與TMA類似的檢測工具ERCI、ERDI、ERRE、PART PROGRAM等，用于手動調試。OSCILLOSCOPE示波器可以用來監控各種系統參數和伺服參數。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驅動系統優化步驟

以GTS龍門五軸數控機床為例說明XPOWER驅動器的優化步驟。

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，利用TMA軟件總體測試機床動態性能。打開軟件，執行START ALL。軟件會自動執行相關程序，并生成相關分析報告。然后，點擊START ANALYSIS進行數據分析，如圖3至圖7所示。

2.2.2利用TMA軟件START SINGLE進行分步分析

通過分析數據報告，可以分析機床動態性能中存在的問題，從而通過分步測試START SINGLE或數控系統界面上集成的相關工具對伺服參數進行優化調整。

首先，進行電流環的優化。選擇正確的電動機型號，利用Bruco中電流環自動優化功能優化即可。

其次，通過ERDI、ERCI進行速度環和位置環的優化。ERDI可以用來優化單軸的速度環比例增益Kp和速度環積分時間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軟件修改相關參數。ERCI可以用來優化坐標軸的速度環比例增益Kp和位置環比例增益Kv，如圖4所示。觀察ERCI圓形軌跡的反向越沖峰值，通過Bruco增加Kp，反向越沖峰值會不斷減小。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。在優化的過程中，速度環比例增益Kp增大的同時，機床在某些頻率處會發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。位置環的優化，則通過增加位置環比例增益Kv，觀察ERCI的圖形。當圖形中出現鋸齒形波紋時，機床產生振動，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的優化值。

再次，通過觀察ERRE對加速度和速度環積分時間進行優化，如圖5所示。優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四個區域開始兩段和結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的優化。目前Look Ahead最新版本為Look Ahead Five。通過相關指令優化Look Ahead的相關參數如CCOMP、DYNA等，以此來控制數控機床切削復雜型面的運動性能，如圖7所示。

3　結語

菲迪亞數控系統伺服驅動的優化是對電流環、速度環和位置環相關參數的調節，其重點是在機床穩定的前提下盡量提高速度環比例增益而減小積分時間常數[3]，并結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化行之有效，能夠明顯地提高機床的動態性能。

[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.驅動優化在提高系統動態特征中的應用 [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，從事菲迪亞數控系統及機床的安裝、調試工作。

2016-01-19)

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