数控系统产生振荡的原因及排除方法

    数控系统的振荡现象已成为数控全闭环系统的共同性问题。尤其在卧式带立柱的Z轴和旋转数控工作台B轴，其系统出现振荡的频率较高。该问题已成为影响数控设备正常使用和高度的重要因素之一。

    1、产生振荡的原因分析

    产生振荡的原因有很多，陈了机械方面存在不可消除的传动间隙、弹性变形、摩擦阻力等诸多因素外，伺服系统的有关参数的影响也是重要的一方面。

    伺服系统有交流和直流之分，本文主要讨论直流伺服系统因参数影响引起的振荡。大部分数控机床采用的是全闭环方式，其控制原理图如图1所示。

图1 伺服全闭环系统

    由图1可看出，引起伺报系统振动的原因大致有四种情况：

    a. 位置环不良又引起输出电压不稳；
    b. 速度环不良引起的振动；
    c. 伺服系统可调定位器太人引起电压输出失真；
    d. 传动机械装置（如丝杆）间隙太大。

    这些控制环的输出参数量失真或机械传动装置间隙太大都是引起振动的主要因素。它们都可以通过伺服控制系统进行参数优化。

    2、消除振动的基本方法

    有些数控伺服系统采用的是半闭环装置，而全闭环伺服系统必须是在期局部半闭环系统不发生振动的前提下进行参数调整，所以两者大同小异，本文为避免重复，暂只讨论全闭环情况下的参数优化方法。

    2.1 降低位置环增益

    在伺服系统中有参考的标准值，例如FANUCO-C系列为3 000，西门子3系统为 1666，出现振荡可适当降低增益，但不能降太多，因为要保证系统的稳态误差。

    2.2 降低负载惯量比

    负载惯量比一般设置在发生振动时所示参数的70%左右，如不能消除故障，不宜继续降低该参数值。

    2.3 加入比例微积分器（PID）

    比例微积分器是一个多功能控制器，它个仅能有效地对电流电压信号进行比例增益，同时可调节输出信号滞后或超的问题，振荡故障有时因输出电流电压发生滞后或超前情况而产生，这时可通过PID来调节输出电流电压相位。

    2.4 采用高频抑制功能

    以上讨论的是有关低频振荡时参数优化方法，而有时数控系统会因机械上某些振荡原因产生反馈信号中含有高频谐波，这使输出转矩量不恒定，从而产生振动。

    对于这种高频振荡情况，可在速度环上加入一阶低通滤波环节，即为转矩滤波器。其控制原理如图2所小。

图2 转矩滤波功能图

    图2表明，速度指令与速度反馈信号经速度控制器转化为转矩信号，转矩信号通过一阶滤波环节将高频成分截止，从而得到有效的转矩控制信号。通过调节参数可将机械产生的100Hz以上的频率截止，从而达到消除高频振荡的效果。

    2.5 采用双位置反馈功能

    双反馈是一种改变控制方式的方法，可在同一个系统选择半闭环或全闭环方式，其原理图如图3所示。

图3 双位置反馈控制原理图

    由图3可看出，误差控制器ER1和ER2分别被用于全闭环和半闭环系统中。一阶延时环节的传递函数为（1＋τS）-1，可见实际误差ER主要取决于一阶延时环节中时间常数τ，的取值：

    若τ＝O，则（1+τs）-1＝1，ER＝ER1＋（ER2－ER1）＝ ER2，可见在此情况下该系统处于全闭环控制误差，从而可以利用全闭环的误差控制方法来消除振动故障；

    若τ＝∞，则(1+τs）-1＝O，ER＝ER1，可见在此情况下该系统处于半闭环控制误差，从而可以利用半闭环的误差控制方法来消除振动故障。

    综上所述，利用双位置反馈可使系统在全闭环和半闭环两种方式下进行，从而大大提高了系统的调节范围，也增加了系统的调节参数。从时间常数上可知，该系统可在停止状态下进行全闭环误差调整，在过渡状态下可进行半闭环调整。现以 FANUCO－C为例，将具体参数调整过程进行简单介绍。

    首先设置参数P84ll＃（DPFB）为1，即为选择双位置反馈功能；P8449为位置反馈的最大振幅，一般设置为0；P8478（分子）和P8479（分母）为上图中位置转换环节的常数设置，可根据要求设置；P8480为一阶延时环节的参数设置代号，其设置范围为10 ms～300 ms，一般设定为100ms左右；P8481为零点幅度，一般情况下为0，但因振荡可适当调高一点。

    双位置反馈功能是一种比较灵活的误差修正方式，在系统调试过程中有很好的参数优化和保证系统稳定性的功能。

    2.6 采用机械反馈功能

    在保证半闭环稳定性后，使用全闭环系统来调整系统有关参数。若其机械环节引起的弹性振荡故障，需采用机械反馈环节来调整参数，可达到很好的效果。其原理控制图如图4所示。

    其中：K1V为速度积分增益；K2V为速度比例增益；α为机械速度反馈增益。

图4 机械速度反馈控制原理图

    由图4可看出，电机与工作台之间的弹性机械装置可能产生变形，而位置检测主要来自位置编码器，速度反馈直接来自电机编码器。从整个全闭环过程来看，因机械弹性装置的形变产生全闭环中位置反馈滞后于其它速度环节，从而引起系统振荡。

    如果依图4中加入机械速度反馈环节，使机械速度滞后得到补偿，从而达到消除振荡的效果。例如对于FANUCO－C系统来说，将参数P8421＃l设置为1后就可启用机械速度反馈装置。然后根据要求设置其它有关参数，可参照其系统参数说明书来调节。

    以上主要讨论了几种消除数控系统振荡故障的基本方法，根据不同系统可选择不同的方式进行参数优化。主要是要了解振荡的原因才能采取相应的消除方式进行调整，不可盲目进行参数修改，以免影响到整个系统的稳定性与可靠性。

    3、结论

    本文讨论了几种消除数控振荡故障的常见方法，各种控制环节都有详细的控制理论做依据，在保证控制系统的稳定性和可靠性的同时，有效的消除振荡问题，提高生产效率。当然，在有些控制环节还存在一些问题，需要以后继续加深了解和解决。

    数控系统振荡问题是数控机床调试或运行中常见的故障，对于生产加工过程，及时处理好故障问题，以保证生产正常运行。同时对于进口加工中心需要重点维护，对于出现常见的振荡问题，需要长时间的积累和对问题的理性判断才能做到有效的维护和保养。所以，对于各种不同的数控系统需要采用不同的诊断方法，根据数控系统的特点制定有效的故障排除措施，提高生产运行能力，保证加工效率。

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