应用探讨——在驱动产品调试过程中优化的重要性

在西门子驱动家族中，无论是SIMOREG DC-MASTER，MICROMASTER，SIMOVERT MASTERDRIVES还是SINAMICS，在其调试过程中有一个环节都是非常重要的，那就是“优化”。想必大家对“优化”这个名词术语很熟悉吧，那么什么是“优化”呢？“优化”就是自学习，自辨识，自识别的过程，根据已知基本数据测试出更详细更准确的所需数据。电流调节器的优化，速度调节器的优化，位置调节器的优化，电机模型等效电路识别，静态识别，饱和特性识别，磁化特性识别等等都是“优化”。
为什么在这里特别强调做优化的重要性呢？因为这将直接影响着我们调试的结果，比如系统的稳定性，系统的动态响应，速度的控制精度以及转矩的控制精度等等。在调试的过程中大家一定遇到过各种各样与“优化”相关的问题，也一定收获了许多宝贵的经验，让我们针对“优化”展开我们的讨论与分享吧。内容不限，只有与“优化”相关就好，诸如以下内容：
1. 不做优化将会导致哪些不良的结果？
2. 根据不同的应用，需要做哪些优化？
3. 做优化都需要注意什么？
4. 为什么优化执行不下去？
5. 做完优化后，优化的结果是否准确？
6. 如何再手动优化？
“生活的全部意义在于无穷地探索尚未知道的东西，在于不断地增加更多的知识”。左拉所言应该是我们每一位工程师的座右铭，让我们从“优化”开始吧！

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优化过程是变频器自动测量电机参数，精确建立电机模型的过程；不优化会导致电机在整个的转速范围内，即是在空载运行中也有明显的电磁噪声、振动，电机运行不平滑稳定。

优化时，一定要遵循手册给出的引导流程进行，特别是电机铭牌数据必须要准确输入。如果电机的铭牌数据输入有误，电机建模就不会精确，控制起来也不会有好的运行效果。电机的铭牌数据包括：额定电压、额定电流、额定功率、额定转速、额定功率因数。如果是矢量控制，还有一个额定励磁电流需要确定。

不优化或者优化不好最明显的问题就是电机振动，运行不平稳。
1，情况：我的一台s120变频器，电机运行都很好，但是后来因为变频器CIB板损坏(变频器是120A的)，无备件只有更换为175AD的变频器，当时因为急用未做优化，开启直接使用正常。但是停机后再爬行时，仔细听电机时，发现减速机处有响声，减速机连接机械处抖动，经过研究怀疑就是因为上次未优化造成，经过优化后，不在抖动，电机运行平稳。
结论：如果更换电机或变频器时，按照西门子要求，必须优化。但经过实际使用，如果更换的是同型号电机或者变频器，可不必优化。如果型号不同，则必须优化。
2，情况：一台s120变频器可能当时优化不好，负载比较高，同样是减速机处抖动，电机温度高，利用短暂停机重新优化，优化后还是同样问题，再次优化问题依旧。没有办法只有照常使用。大的停机时，再次优化，步骤同前，问题解决。分析原因。
结论：与电机当时温度可能有关，短暂停机时电机温度大概在60-70度，而大的停机时电机温度是室温。电机不同的温度时优化结果不同。

优化时，电机铭牌的参数准确是非常重要的，铭牌参数不全，可能会导致优化失败，以前碰到过一次，是大连电机厂的电机，铭牌丢了，后来找设备厂的电机合同，通过电机厂查到这台电机的铭牌。

优化前注意的几个地方：
1、电机到负载之间的机械联结装置，比如电机、负载之间减俗速器、联轴器或者传动皮带等机械联结机构，看是否存在正常、有无卡死或堵塞等情况。
2、测速反馈装置的接线是否正确，安装方式是否合规范。
3、电机铭牌参数、加减速等变频器参数、等设置是否恰当。

变频器通过往电机的绕组中注入一定频率、一定幅值的电压/电流信号，然后在线检测电机当时所反映出来的一些电气信息，从而计算得出电机的模型参数，以达到对电机进行识别、辨识的目的。
电机的识别、测试、优化无外乎三个组成部分——
第一部分，叫做电机的静态识别和优化。此步骤中，电机不带电，只通过输入的电机铭牌数据，变频器进行电机等效电路的数学模型建立；
第二部分，叫做电机的动态识别和优化，此步骤中，变频器需要启动，电机流过电流。变频器对电机等效电路中的各个参数进行准确的计算和确定。如果是矢量控制，接下来还有做电机磁化曲线的辨识，绘制磁化曲线的相关参数。此操作变频器需要启动，电机流过电流；
第三部分，叫做调节器优化，启动变频器，电机旋转，确定和计算电机的转动惯量、调节器增益、积分时间。
上述三步骤，第一步不做，西门子的变频器将根本不能工作。第二步不做，电机运行不会正常，而且会报故障；第三步不做，电机可以工作，但转速和电流在运行时将会出现波动等不稳定的情况。
总之，有了电机识别、优化，可以更精准的实现变频器对受控电机的控制，满足其使用需要。

电机优化条件：电机冷态，抱闸没有闭合、有效措施确保机械系统无危险.

优化分静态优化和动态优化，动态优化时需要确认现场机械在可控范围。

关于6RA70，不优化电流环，觉得电流在运行时会震荡，又是会短时过流。
不优化速度环，速度会震荡，
弱磁时，必须优化。
优化前，注意装置与电机是否匹配，包括输出电压，以及输出电流。注意调节p076来匹配电机。
优化过后应该试运行，看电流，速度反馈是否震荡，符合要求。
优化速度环，如果编码器有问题，或者A，B反向，速度环将优化不过去。
调节P154，P155，可手动优化电流环。
调节P254，P255，可手动优化速度环。

自动优化完成后手动优化很关键，特别是优化电流环和优化速度环。以适应现场工艺要求。

在S120的优化中，尤其是动态优化，尤其注意要将TORQUE LIMIT切到固定限幅值，而不是切到PLC的给定限幅值上，如果连到PLC的给定限幅值，这时候传动会报错，优化不能进行下去

还有就是注意P值不要太大，有时候空载的时候P值过大可能曲线比较完美，但是加上负载后P值过大就会造成速度震荡厉害，根据现场的实际情况，有时候肯能波形超调有点大，但是这时候可以不用改P,I,因为加上负载后，会对波头有一定的抑制作用

S120在做静态辨识时需要通过参数P625合理设置电机使用环境的温度，因此最好在电机长时间冷态的情况下，设置P625为实际的环境温度后再进行优化。

S120带感应电机动态优化后参数必须保存到CF卡上，可以通过START调试软件“COPY RAM TO ROM”进行，也可通过设定参数实现。
另外系统自动辨识后，还要根据具体工艺情况使用TRACE功能对速度环参数进行微调。

传动优化说明：
一、优化 电枢和励磁电流环优化

　　将励磁控制风机电源投入 装置内控状态下在PMU上选择P051=25 整流装置进入07.0或07.1状态等待操作柜门上选择关输入合闸命令和解封命令，当装置状态01.0时执行优化运行开始优化过程要保证电机锁死，优化运行结束时驱动装置回到07.2状态.整个过程大约40S。电流限幅将不起作用电流峰值与电机额定电流有关. 以下参数自动被设置： - P110 P111：电枢回路电阻，电感 - P112：励磁回路电阻 - P155 P156：电枢电流调节器P，I增益 - P255 P256：励磁电流调节器P，I增益 - P826:自然换相时间的校正 电流环优化前设定P159=0.01P160=0(缺省值)，优化结束后，重新定义P159， P160为如下数值，保证SCR正反桥可靠换向。以后电流环优化前需将两个参数恢复工厂缺省值。 P159=0.2 电枢自动翻转的转换阈值% P160=0.02 附加的无转矩时间间隔S 速度环优化 将励磁控制风机电源投入 在电枢反馈方式下启动电机，检查观察R024参数保证正向速度给定与实际轧制方向一致，RO24参数应和P402给定值一致。将P140=1，切换到编码器反馈试车。 编码器脉冲信号正常的情况下，停车后修改P080=0，P083=2，P140=1，P143=电机基速，启动电机，装置内控状态下在PMU上选择P051=26 整流装置进入07.0或07.1状态等待操作柜门上选择关输入合闸命令和解封命令，装置状态01.0时执行优化运行开始优化运行结束时驱动装置回到 07.2状态.整个过程大约6S。电机以45%的额定电枢电流加速达到20%的最大电机速度，速调优化得到P225，P226，P228。 这种优化在带上机械负载后必须重新做(因为最高转速值有大的变化)! 记录调试结果

二. 励磁电流调整

　　启动电机，运行至20%，50%，80%的速度，观察R038（电枢电压），R037 （EMF实际值显示） 根据理论计算值与实际值比较，调整P102参数，完成励磁电流的标定。 记录调试结果

三. 励磁特性优化

　　令P143=电机最高转速，P081=1，P051=27进行弱磁优化运行。 启动电机至高速，检查P038，P019，P024是否稳定. 弱磁优化运行后，P169=0，P170=1选择转矩限幅和转矩控制。记录优化结果
3. 内外控参数的设置

　　P055=112，P057=112，将1#组参数拷贝到2#组，选择内外控观察R056， R058参数组选择情况 P171.2= 150%，P172.2= -150% P644.2=3002 外控速度给定。

　　P648.01(B)= 9 P648.02(B)= 3001 内外控时控制字的选择 P649.01(B)=9 P649.02(B)= 9 P676.1(B)=P676.2=17用开关量输入端子39作为功能数据组FDS选择 P677.1(B)=P677.2=0.（选择3#组、4#组，该选择功能禁止） P690.1(B)=P690.2=17用开关量输入端子39作为功能数据组BDS选择 P641.1(B)=P641.2=17用开关量输入端子39作为选择斜坡函数发生器旁路与否内控状态选1#组，外控状态选2#组.，或令P641.01=0， P641.02=1

四. 速度环手动优化

　　1.在装置内控方式下设置以下参数 P634.01=190基本速度给定 P634.02=203 速度振荡给定

　　2.设置振荡环节和模拟输出口 参数名 意义 设定值 说明 P480 正向振幅 5% -200/200 P481 正向振幅时间 2S 0-300S P482 反向振幅 0% -200/200 P483 反向振幅时间 2S 0-300S P750 1415端子输出 K203(给定振幅) 模拟输出3 P755 1617端子输出 K167(实际速度) 模拟输出4

　　3.将装置合闸且运行使能3738高电平后从P402加入给定速度当速度稳定后加入P480振幅5%速度振荡开始根据速度波形调节速度环PI增益 P225P226P228等相关参数直到获得满意的动态响应. 测试过程应保证速度环不饱和.在适当时候使能速度环PI参数自适应功能.停车时应先撤消振幅后再通过速度给定P402给定为0。

　　4.恢复上述设定值记录调试结果

五. 抗扰动性手动优化

　　1.在装置内控方式下设置以下参数 P502=203 电流振荡给定

　　2.设置振荡环节和模拟输出口 参数名 意义 设定值 说明 P480 正向振幅 10% -200/200 P481 正向振幅时间 3S 0-300S P482 反向振幅 0% -200/200 P483 反向振幅时间 3S 0-300S P750 1415端子输出 K116(实际电流) 模拟输出3 P755 1617端子输出 K167(实际速度) 模拟输出4

　　3.将装置合闸且运行使能3738高电平后从P402加入给定速度当速度稳定后加入P480振幅5%电流扰动振荡开始观察速度扰动恢复波形和电机电流波形。调节速度环PI增益P225P226P228等相关参数直到获得满意的扰动响应. 测试过程应保证速度环不饱和.在适当时候使能速度环PI参数自适应功能. 停车时应先撤消振幅后再通过速度给定P402给定为0。

优化其实就是建立数学模型，是调试中不可或缺的手段。
但并是不优化可以解决所有的问题。我们可以相信优化中的测量数据，但要根据不同的工艺修改优化后形成的速度环、电流环等PID参数。

对于6SE70的优化性能，与以下参数有关:
1、为加快速度/转矩响应，改善动态性能，在考虑系统的快速性的同时，还要考虑转矩限幅和最大电流限幅，与以下参数有关:
P116:设置装置启动时间的功能参数(与系统惯性有关，自动优化)
p223:速度反馈实际值滤波
p235:速度调节器增益kp1
p236:速度调节器增益kp2
p240:速度调节器积分时间
p283:电流调节器增益
p284:电流调节器积分时间
2、
为了使电机转速平缓增加或减少,要考虑负载惯量大小和工艺要求。负载惯量大时，加减速时间应长些。负载惯量小时，加减速时间应短些。以变频器启动和停止时不发生过流和过压为准。 可以调节以下两个参数：
p462:上升时间
p464:下降时间
3、p602:励磁建立时间，即在脉冲使能与斜坡函数发生器使能之间的等待时间。
p603:异步电动机从停止到再启动的去磁等待时间(对于同步电动机必须设为0)，在该时间内再启动被禁止，因此对于快速系统启停要通过设置p561，用逆变器使能信号控制。
p604:0 取消平滑加速功能，以便电机内的磁场尽快建立，但因电机内部剩磁的影响，发出运行命令后，电机开始有可能反转。
p278:低速时的静态加速转矩(用于p100=3频率控制)
p279:低速时的动态加速转矩(用于p100=3频率控制)
p280:对低速时的加速转矩分量的滤波。
p471:大于0 ，使速度调节器前馈控制起作用。
p291:磁通设定值(用于p100=3、4、5时的矢量控制)，适当增加可以提高启动转矩。

西门子的传动控制产品，不论是直流的系列还是交流的系列，调试过程中“优化辨识”是一个最基本的工作，也是一个必须要做的工作。因为作为参数工厂化设置的装置，是一个智能化的控制器，其输入与电网；输出与电机直接连接后，是不能工作的。因为此时电机与装置软件之间没有建立任何的控制关系，仅仅是硬件的接口连接。
既然是智能化的控制器，就必须要针对自己实际的控制对象，有一个相互“认识”“了解”的辨识。在控制器内部建立一个电机的数学模型。实现有的放矢的闭环自动控制。
调试过程中，优化和辨识工作结束以后，应该对其优化的结果进行检验，看看是否符合要求。也就是要建立一个优化辨识后的检验标准。一般都是通过空载运行和空载加减速过程，观测系统运行状态来评价优化辨识工作的效果。
辨识与优化的调试，仅是简单的操作流程，也隐含着传动控制理论的基础知识，同时还具有很高的趣味性。让你通过操作过程，体验传动控制理论与实践的结合与联系。通过这个工作，你会有“专家应用”的满足感，彰显自己在专业技术上的个性化体现。
针对个传动装置的辨识与优化方法和步骤，说明书讲的非常详细、非常清晰。没必要在这里赘述。
对于优化辨识后的检验和修改，有必要共享自己的经验。
比如，直流系统，电流环的优化，并不是要点，采用装置的自动辨识即可。只是要注意，此优化过程，电机轴不能有转动。必要时一定要机械锁死。有时候电流环的优化过不去，与电机轴动有关。
直流系统的转速环优化，要注意优化后的检查，PI参数“不合理”，要重新修改与调节器指标相关的系数，再优化，直至认为在比较合理范围为止。
直流系统励磁电流的绘制，很重要。精准的磁化曲线，可以保证控制系统的弱磁点在一个准确的位置（针对弱磁升速应用场合）。
直流系统，我是推荐进行惯性补偿优化的。因为任何一个传动系统，都会有输出轴连接的惯性系，他会在系统动态过程产生附加的阻力矩。做惯性补偿，可以使系统在阶跃给定的动态过程中，缓冲负载的冲击性，抑制系统超调。当然惯性补偿的特点是缓冲，带来的问题是延长了稳定时间。这也是闭环传动系统的矛盾。需要找到快速和平稳的平衡点。如果没有惯性补偿功能，电机与负载之间在动态过程的冲击是明显的。
关于交流系统的优化与辨识。
对于标量控制（V/F控制），基本没什么要点。只是做好静动态辨识即可工作了。
对于矢量控制，优化的要点是励磁电流的确定和磁化曲线的绘制。这个如果不精准，系统工作其误差就大。特别是基频以上的调速，控制效果会很差。
而交流系统的转速调节器优化，类似直流的辨识过程与修改和判别操作。

看到大家对优化的讨论在此抛砖引玉说说驱动的优化。首先说明为什么优化？优化从应用中讲调整驱动特性，更适合加工的需要。通常在驱动初期调整时，需人工设定各轴机床参数：丝杆螺距，传动比，最大速度，最大加速度，最大加加速度及前馈控制参数，为提高工件表面的加工效果，实现设备最佳的工作状态需进行驱动优化调整位置控制参数，位置设定值滤波器参数，也就是电流控制器参数和速度控制器参数和相应滤波器参数，也就是通常所说的电流环速度环。驱动优化可通过软件先进行电流环优化（如使用西门子电机在正确进行驱动配置情况下则不需进行电流环优化），2进行速度环优化，3位置环优化4检测优化结果，通常进行圆度测试，通过圆度测试检测优化后轴插补效果，优化各轴位置环匹配的特性。
优化方法：以802D SL为例，需借助软件StartUp-Tool 过程如下：1.各轴回零点，并设置口令“EVENING”2.工作台上夹紧安放工件。3.将机床移动常加工位置。4.启动软件StartUp-Tool 。5选择Optimiz/test.6.通过垂直软键Axis+,Axis-来切换相应优化的轴。7.选择水平软键，》选择Auto ctrl setting并且进入自动优化界面。8.将驱动设置为不受PLC控制。Without Plc 9.设置行程监控有效，将行程限制在安全行程内。10.选择所需的优化模式。11.按启动键开始第一步的优化测量。12.当弹出Start mecanical sysetm measurement part1对话框，检查轴路径上是否有干涉，没有单击“OK"13.界面左下角出现Press NC START时则再次确认机床安全后，单击机床控制面板上的循环启动键，此时轴会有移动并发出噪音。14.第一步测量结束后开始测量第二步，步骤与第一步相同。15.第二步测量结束后开始电流环测量，测量步骤与前两步相同，注意，垂直轴需在工作台上垫上木板等防止下滑。16，电流环测量结束后，开始计算控制器参数点击OK。17，系统会将计算后结果与原参数同时显示出来单击保存。18.测试完成后，系统会进入到速度环测试特性。点击OK开始，19.测试结束后，系统会显示出波特图，供调试人员进一步手动优化使用。
通过以上优化后，可进行圆度插补测试。通过以上优化测试，可改变曲面加工刀纹不均现象，改善轴插补的特性。以上优化仅供参考！