伺服電機速度環(huán)、位置環(huán)、扭矩環(huán)的控制原理

1、.運動伺服一般都是三環(huán)控制系統(tǒng)，從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。1、 電流環(huán)：電流環(huán)的輸入是速度環(huán)PID調(diào)節(jié)后的那個輸出，電流環(huán)的輸入值和電流環(huán)的反饋值進行比較后的差值在電流環(huán)內(nèi)做PID調(diào)節(jié)輸出給電機，“電流環(huán)的輸出”就是電機的每相的相電流，“電流環(huán)的反饋”不是編碼器的反饋而是在驅(qū)動器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件（磁場感應(yīng)變?yōu)殡娏麟妷盒盘枺┓答伣o電流環(huán)的。電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在系統(tǒng)進行速度和位置控制的同時系統(tǒng)也在進行電流/轉(zhuǎn)矩的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。2、 速度環(huán)：速度環(huán)的輸入就是位

2、置環(huán)PID調(diào)節(jié)后的輸出以及位置設(shè)定的前饋值，速度環(huán)輸入值和速度環(huán)反饋值進行比較后的差值在速度環(huán)做PID調(diào)節(jié)（主要是比例增益和積分處理）后輸出到電流環(huán)。速度環(huán)的反饋來自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過“速度運算器”得到的。速度環(huán)控制包含了速度環(huán)和電流環(huán)。3、 位置環(huán)：位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖，外部的脈沖經(jīng)過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，位置環(huán)輸入值和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過偏差計數(shù)器的計算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)（比例增益調(diào)節(jié)，無積分微分調(diào)節(jié)）后輸出和位置給定的前饋值的和構(gòu)成速度環(huán)的給定。位置環(huán)的反饋也來自于編碼器。位置控制模式下系統(tǒng)進行了3個環(huán)的運算，系統(tǒng)運算量大，動

3、態(tài)響應(yīng)速度最慢。編碼器安裝于伺服電機尾部，它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，他采樣來自于電機的轉(zhuǎn)動而不是電機電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反饋沒有任何聯(lián)系。而電流環(huán)是在驅(qū)動器內(nèi)部形成的，即使沒有電機，只要在每相上安裝模擬負(fù)載（例如電燈泡）電流環(huán)就能形成反饋工作。三種控制模式位置控制：通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的數(shù)量來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機床、印刷機械等等。速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控

4、制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。 轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負(fù)載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）。

5、可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。PID各自對差值調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的影響：1、單獨的P（比例）就是將差值進行成比例的運算，它的顯著特點就是有差調(diào)節(jié)，有差的意義就是調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差，殘差具體值您可以通過比例關(guān)系計算出。增加比例將會有效減小殘差并增加系統(tǒng)響應(yīng)，但容易導(dǎo)致系統(tǒng)激烈震蕩甚至不穩(wěn)定。2、單獨的I（積分）就是使調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度與差值信號成正比，大家不難理解，如果差值大，則積分環(huán)節(jié)的變化速度大，這個環(huán)節(jié)的正比常數(shù)的比例倒數(shù)我們在伺服系統(tǒng)里通常叫它為積分時間常數(shù)，積分時間常數(shù)越小意

6、味著系統(tǒng)的變化速度越快，所以同樣如果增大積分速度（也就是減小積分時間常數(shù)）將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的震蕩過程。這個環(huán)節(jié)最大的好處就是被調(diào)量最后是沒有殘差的。3、PI（比例積分）就是綜合P和I的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差。4、單獨的D（微分）就是根據(jù)差值的方向和大小進行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)器的輸出與差值對于時間的導(dǎo)數(shù)成正比，微分環(huán)節(jié)只能起到輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其他調(diào)節(jié)結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)。它的好處是可以根據(jù)被調(diào)節(jié)量（差值）的變化速度來進行調(diào)節(jié)，而不要等到出現(xiàn)了很大的偏差后才開始動作，其實就是賦予了調(diào)節(jié)器以某種程度上的預(yù)見性，可以增加系統(tǒng)對微小變化

7、的響應(yīng)特性。5、PID綜合作用可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確穩(wěn)定的達(dá)到控制的期望。伺服的電流環(huán)的PID常數(shù)一般都是在驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)定好的，操作使用者不需要更改。速度環(huán)主要進行PI（比例和積分），比例就是增益，所以我們要對速度增益和速度積分時間常數(shù)進行合適的調(diào)節(jié)才能達(dá)到理想效果。位置環(huán)主要進行P（比例）調(diào)節(jié)。對此我們只要設(shè)定位置環(huán)的比例增益就好了。位置環(huán)、速度環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)沒有什么固定的數(shù)值，要根據(jù)外部負(fù)載的機械傳動連接方式、負(fù)載的運動方式、負(fù)載慣量、對速度、加速度要求以及電機本身的轉(zhuǎn)子慣量和輸出慣量等等很多條件來決定，調(diào)節(jié)的簡單方法是在根據(jù)外部負(fù)載的情況進行大體經(jīng)驗的范圍內(nèi)將增益參數(shù)從小往大調(diào)，積分時間常數(shù)從

8、大往小調(diào)，以不出現(xiàn)震動超調(diào)的穩(wěn)態(tài)值為最佳值進行設(shè)定。當(dāng)進行位置模式需要調(diào)節(jié)位置環(huán)時，最好先調(diào)節(jié)速度環(huán)（此時位置環(huán)的比例增益設(shè)定在經(jīng)驗值的最小值），調(diào)節(jié)速度環(huán)穩(wěn)定后，在調(diào)節(jié)位置環(huán)增益，適量逐步增加，位置環(huán)的響應(yīng)最好比速度環(huán)慢一點，不然也容易出現(xiàn)速度震蕩。比例增益變頻器的PID功能是利用目標(biāo)信號和反饋信號的差值來調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號和反饋信號無限接近，即差值很小，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調(diào)節(jié)信號具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進行放大。比例增益P就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P都給出一個可設(shè)置的數(shù)值

9、范圍，一般在初次調(diào)試時，P可按中間偏大值預(yù)置或者暫時默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細(xì)調(diào)。積分時間如上所述比例增益 P 越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經(jīng)過比例增益 P 放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間I太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應(yīng)長些。微分時間微分時間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間