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)，從內到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。1 1、 電流環(huán)：電流環(huán)的輸入是速度環(huán) PIDPID 調節(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)內做PIDPID 調節(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 饋而是在驅動器內部安裝在每相的 霍爾元件（磁場感應變?yōu)殡娏麟妷盒盘枺?反饋給電流環(huán)的。電流環(huán)就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動器的運算最 小，動態(tài)響應最快。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/轉矩的控制以達到對速度和位置的相 應控制

2、。2 2、 速度環(huán)：速度環(huán)的輸入就是位置環(huán) PIDPID 調節(jié)后的輸出以及位置設定的前饋值，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PIDPID 調節(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)的反饋來自丁 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 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PIDPID 調節(jié)（比例增益調節(jié)，無積分微分調節(jié)）后輸出和位置給定的前饋值的和構成速度環(huán)的給定。 位置

3、環(huán)的反饋也來自丁編碼器。位置控制模式下系統(tǒng)進行了3 3 個環(huán)的運算，系統(tǒng)運算量大，動態(tài)響應速度最慢。編碼器安裝丁伺服電機尾部，它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，他采樣來自丁電機 的轉動而不是電機電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反饋沒有任何聯(lián)系。而電流環(huán) 是在驅動器內部形成的，即使沒有電機，只要在每相上安裝模擬負載（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動速度的大小，通過脈沖的數(shù)量來確定轉動的角度，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。由丁位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用丁定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。速

4、度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉動速度的控制，在 有上位控制裝置的外環(huán) PIDPID 控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速， 位置信號就由直 接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在丁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。轉矩控制：轉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 定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V10V 對應 5Nm5Nm 的話，當外部模擬量設定為 5V5V 時電機軸輸出為

5、2.5Nm:2.5Nm:如果電機軸負載低丁 2.5Nm2.5Nm 時電機正 轉，外部負載等丁 2.5Nm2.5Nm 時電機不轉，大于 2.5Nm2.5Nm 時電機反轉（通常在有重力 負載情況下產生）。可以通過即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小， 也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。PIDPID 各自對差值調節(jié)對系統(tǒng)的影響：1 1、單獨的 P 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節(jié)，有差的意義就是調節(jié)過程結束后， 被調量不可能與設定值準確相等， 它們之 間一定有殘差，殘差具體值您可以通過比例關系計算出。 增加比例將會有效減小 殘差并增加系統(tǒng)響應，但容易導

6、致系統(tǒng)激烈震蕩甚至不穩(wěn)定。2 2、單獨的 I I （積分）就是使調節(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 好處就是被調量最后是沒有殘差的。3 3、PIPI （比例積分）就是綜合 P P 和 I I 的優(yōu)點，利用 P P 調節(jié)快速抵消干擾的影響， 同時利用 I I 調節(jié)消除殘差。4 4、單獨的 D D （微分）

7、就是根據(jù)差值的方向和大小進行調節(jié)的，調節(jié)器的輸出與差值對丁時間的導數(shù)成正比，微分環(huán)節(jié)只能起到輔助的調節(jié)作用， 它可以與其他 調節(jié)結合成 PDPD 和 PIDPID 調節(jié)。它的好處是可以根據(jù)被調節(jié)量（差值）的變化速度 來進行調節(jié)，而不要等到出現(xiàn)了很大的偏差后才開始動作， 其實就是賦予了調節(jié) 器以某種程度上的預見性，可以增加系統(tǒng)對微小變化的響應特性。5 5、PIDPID 綜合作用可以使系統(tǒng)更加準確穩(wěn)定的達到控制的期望。伺服的電流環(huán)的 PIDPID 常數(shù)一般都是在驅動器內部設定好的，操作使用者不需 要更改。速度環(huán)主要進行 PIPI （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

8、數(shù)進行合適的調節(jié)才能達到理想效果。位置環(huán)主要進行 P P （比例）調節(jié)。對此我們只要設定位置環(huán)的比例增益就好 了。位置環(huán)、速度環(huán)的參數(shù)調節(jié)沒有什么固定的數(shù)值，要根據(jù)外部負載的機械傳 動連接方式、負載的運動方式、負載慣量、對速度、加速度要求以及電機本身的 轉子慣量和輸出慣量等等很多條件來決定，調節(jié)的簡單方法是在根據(jù)外部負載的 情況進行大體經(jīng)驗的范圍內將增益參數(shù)從小往大調，積分時間常數(shù)從大往小調， 以不出現(xiàn)震動超調的穩(wěn)態(tài)值為最佳值進行設定。當進行位置模式需要調節(jié)位置環(huán)時， 最好先調節(jié)速度環(huán)（此時位置環(huán)的比例 增益設定在經(jīng)驗值的最小值），調節(jié)速度環(huán)穩(wěn)定后，在調節(jié)位置環(huán)增益，適量逐 步增加，位置環(huán)的響

9、應最好比速度環(huán)慢一點，不然也容易出現(xiàn)速度震蕩。比例增益變頻器的 PIDPID 功能是利用目標信號和反饋信號的差值來調節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無限接近， 即差值很小，從而滿足調節(jié)的精 度：另一方面，我們乂希望調節(jié)信號具有一定的幅度，以保證調節(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 P 就是用來設置差值 信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù) P P 都給出一個可設置的數(shù)值范圍，一 股在初次調試時，P P可按中間偏大值預置.或者暫時默認出廠值，待設備運轉時 再按實際情況細調。積分時間如上所述.比例增益 P P 越大，調節(jié)靈敏度越高，但由丁傳

10、動系統(tǒng)和控制電 路都有慣性，調節(jié)結果達到最佳值時不能立即停止，導致超調”，然后反過來調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I I ,其效果是，使經(jīng)過比例增益 P P 放大后的差值信號在積分時間內逐漸增大（或減?。?，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間 I I 太長，乂會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅 速恢復。因此，I I 的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小 時，積分時間應短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應長些。微分時間微分時間 D D 是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調節(jié)動作，從而縮短了 調節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。D D 的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時， 微分時間應短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時， 微