菲迪亚数控系统伺服参数调整与优化

高　峰　时　光　任凤娟

(①沈阳菲迪亚数控机床有限公司，辽宁 沈阳 110142；②成都航空职业技术学院，四川 成都 610100)



菲迪亚数控系统伺服参数调整与优化

高峰①时光①任凤娟②

(①沈阳菲迪亚数控机床有限公司，辽宁 沈阳 110142；②成都航空职业技术学院，四川 成都 610100)

根据菲迪亚数控系统及伺服驱动器的特点，介绍了电流环、速度环和位置环的作用及相互关系，分析了相关控制环参数对机床性能的影响，总结了利用菲迪亚TMA(test machine application)测试工具进行伺服动态优化的方法。实践证明该方法可以有效地提高机床的动态性能和调试的工作效率。

菲迪亚数控系统；伺服驱动系统；参数优化

意大利菲迪亚(FIDIA)是国际著名的数控系统及机床设计和制造厂商，其在数控系统和高速铣削加工中心的设计、制造方面处于世界级领导地位，尤其在模具行业的复杂型面加工方面独树一帜。XPOWER驱动器则是其为配合菲迪亚数控系统研发的高性能交流伺服系统。作为数控机床的重要功能单元，XPOWER伺服参数的调整与优化直接影响到数控机床的精度和动态性能。本文结合笔者的实际工作经验对XPOWER伺服系统调试过程和方法进行分析说明。

1　伺服驱动系统的组成及工作原理

菲迪亚的进给伺服驱动系统是一个三环结构的闭环系统。闭环控制回路包括位置环、速度环和电流环，其中外环为位置环、中环为速度环、内环为电流环，其结构如图1所示。位置环在CNC系统中实现，速度环和电流环在XPOWER伺服驱动系统中实现。系统通过FFB总线实现下位伺服系统与上位CNC系统的数据传输和通讯。

1.1位置环

位置环包括位置调节器、速度调节器、电流调节器、交流驱动器及前馈补偿器，采用的反馈测量元件是光栅尺或编码器。位置环控制坐标轴进给，使坐标轴进行直线位移。前馈补偿器的作用是减小位置环跟随误差，使跟随误差有效减小。菲迪亚系统中，当提及位置环时，它与CNC密切相关，因为工件程序是由连续的位置(点)组成，这些位置(点)不断地输入到CNC中。因此也可以这样描述位置环，它由CNC硬件、算法、轴、位置传感器、CNC读取工件程序中的位置(点)和计数反馈上的校正误差组成的[1]。

与位置环相关的CNC参数： AXVKVD(位置环动态比例增益)、AXVKVS(位置环静态比例增益)、FFWPERC(前馈百分比)、FFWD(前馈前置时间)，其中AXVKVD、 AXVKVS是优化的主要目标。

1.2速度环

菲迪亚系统中CNC将位置转换为进给量，同时计算轨迹误差不断地校正输出的进给量。速度环由速度调节器、驱动器、电动机、速度传感器、从CNC上读取的进给量和电动机速度反馈的校正误差组成。在速度环中，速度调节器用来控制交流电动机的转动速度，从而达到指令速度要求。速度调节器的输入来自位置调节器的控制信号，它的输出作为电流调节器的输入，采用脉冲编码器作为速度环的反馈元件。速度调节器采用比例-积分调节器，即PI调节器，能够获得满意的静态和动态调速特性，也能合理地解决速度调节环节中系统的稳定性和精度之间的矛盾。

速度环参数主要包括伺服驱动参数： S05002(速度环比例增益Kp)、S05003(速度环积分时间Tn)[2]。

1.3电流环

电流环的主要作用是把输入到电流调节器的电流信号转换为交流电动机的输出功率，达到控制进给轴的目的。引入电流反馈环节可以改善交流驱动器的电气特性，提高驱动器的动态性能，增强系统的稳定性。电流环由驱动器、电动机、驱动器内部需要的电流和电流反馈的校正误差组成。

电流环参数主要包括伺服驱动参数：S04002(电流环比例增益Kpi)、S04003(电流环积分时间Tni)。

2　XPOWER交流伺服驱动系统优化的步骤

2.1调试软件简介

针对菲迪亚数控系统的调试软件主要有以下几款：

TMA(test machine application)用于自动测试检测数控机床的动态性能并生成数据分析报告，如图2所示。Bruco软件与驱动系统相配套，利用它可以修改Xpower驱动系统相关的参数。另外，在菲迪亚数控系统用户界面中，集成了与TMA类似的检测工具ERCI、ERDI、ERRE、PART PROGRAM等，用于手动调试。OSCILLOSCOPE示波器可以用来监控各种系统参数和伺服参数。此外，还需要检测声音频率的软件Spectrum_inst或者SR5 v2.500 软件(或更高版本)，用于测试机床共振频率，进行滤波。

2.2XPOWER驱动系统优化步骤

以GTS龙门五轴数控机床为例说明XPOWER驱动器的优化步骤。

2.2.1利用TMA软件START ALL进行总体分析

首先设置好TMA的参数，利用TMA软件总体测试机床动态性能。打开软件，执行START ALL。软件会自动执行相关程序，并生成相关分析报告。然后，点击START ANALYSIS进行数据分析，如图3至图7所示。

2.2.2利用TMA软件START SINGLE进行分步分析

通过分析数据报告，可以分析机床动态性能中存在的问题，从而通过分步测试START SINGLE或数控系统界面上集成的相关工具对伺服参数进行优化调整。

首先，进行电流环的优化。选择正确的电动机型号，利用Bruco中电流环自动优化功能优化即可。

其次，通过ERDI、ERCI进行速度环和位置环的优化。ERDI可以用来优化单轴的速度环比例增益Kp和速度环积分时间Tn，如图4所示。当某个坐标轴性能不好时，需要使用ERDI单独做测试，再利用Bruco软件修改相关参数。ERCI可以用来优化坐标轴的速度环比例增益Kp和位置环比例增益Kv，如图4所示。观察ERCI圆形轨迹的反向越冲峰值，通过Bruco增加Kp，反向越冲峰值会不断减小。当增加Kp值而圆形轨迹上的反向峰值不再明显减小时，此时即为该坐标轴Kp临界值，然后取该值的70%～80%作为该轴的Kp值。在优化的过程中，速度环比例增益Kp增大的同时，机床在某些频率处会发出刺耳的尖叫声或者伴有机床的振动。利用Spectrum_inst软件可以采集到共振的频率，然后通过Bruco软件的滤波器功能，设置频率点和带宽进行屏蔽。位置环的优化，则通过增加位置环比例增益Kv，观察ERCI的图形。当图形中出现锯齿形波纹时，机床产生振动，此时即为Kv的极限值。然后，减小Kv值，使锯齿纹变小，同时观察圆轨迹的圆度进行折衷，作为Kv的优化值。

再次，通过观察ERRE对加速度和速度环积分时间进行优化，如图5所示。优化加速度和积分时间是两个相互影响的过程，通过增加加速度和减小积分时间，观察其在ERRE四个区域开始两段和结束两段的变化来进行折衷，使各坐标轴的运动尽可能同步，如图5所示。CTV用于检测坐标轴电动机电流起动、运行、停止时的情况，从而设定加速度的限值，如图6所示。

最后，通过PART PROGRAM进行前看功能Look Ahead的优化。目前Look Ahead最新版本为Look Ahead Five。通过相关指令优化Look Ahead的相关参数如CCOMP、DYNA等，以此来控制数控机床切削复杂型面的运动性能，如图7所示。

3　结语

菲迪亚数控系统伺服驱动的优化是对电流环、速度环和位置环相关参数的调节，其重点是在机床稳定的前提下尽量提高速度环比例增益而减小积分时间常数[3]，并结合各轴加速度对积分时间进行折衷，保证各轴间的同步性。实践证明通过TMA等软件测试并进行上述方法优化行之有效，能够明显地提高机床的动态性能。

[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]吴子敬.驱动优化在提高系统动态特征中的应用 [J] . 山东文学, 2008(10):161-162.

(编辑孙德茂)

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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，硕士，电气工程师，从事菲迪亚数控系统及机床的安装、调试工作。

2016-01-19)

160551