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

1、運(yùn)動(dòng)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(gè)輸出，電流環(huán)的輸入值和電流環(huán)的反饋值進(jìn)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(jī)，“電流環(huán)的輸出”就是電機(jī)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(dòng)器內(nèi)部安裝在每相的 霍爾元件 （磁場(chǎng)感應(yīng)變?yōu)殡娏麟妷盒盘?hào)）反饋給電流環(huán)的。電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)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(jìn)行速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)也在進(jìn)行電流/ 轉(zhuǎn)矩的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。2、 速度環(huán)：速

2、度環(huán)的輸入就是位置環(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(jìn)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(lái)自于 編碼器的反饋后的值經(jīng)過(guò)“速度運(yùn)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(guò)平滑濾波處理和電子齒輪計(jì)算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，位置環(huán)輸入值和來(lái)自編碼器反饋的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)偏差計(jì)數(shù)器的計(jì)算后的數(shù)值在經(jīng)過(guò)位置環(huán)的PID 調(diào)節(jié)（比例增益調(diào)節(jié)，無(wú)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(lái)自于編碼器。位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn)行

3、了3 個(gè)環(huán)的運(yùn)算，系統(tǒng)運(yùn)算量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度最慢。編碼器安裝于伺服電機(jī)尾部， 它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系， 他采樣來(lái)自于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而不是電機(jī)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(dòng)器內(nèi)部形成的， 即使沒有電機(jī)， 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(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小， 通過(guò)脈沖的數(shù)量來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 ，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)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(jī)床、印刷機(jī)械等等。速度模式：通過(guò)模擬量的輸入 或脈沖的頻率 都

4、可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制， 在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位， 但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。 位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)， 此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速， 位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了， 這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò) 外部模擬量的輸入 或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小， 具體表現(xiàn)為例如 10V對(duì)應(yīng) 5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時(shí)電機(jī)軸輸出為 : 如果電機(jī)軸負(fù)載低于時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)， 外部負(fù)載等于時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)

5、，大于時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生） 。可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小， 也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。PID 各自對(duì)差值調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響：1、單獨(dú)的 P（比例）就是將差值進(jìn)行成比例的運(yùn)算，它的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)，有差的意義就是調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)比例關(guān)系計(jì)算出。 增加比例將會(huì)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(dú)的 I （積分）就是使調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變化速度與差值信號(hào)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(gè)環(huán)節(jié)的正

6、比常數(shù)的比例倒數(shù)我們?cè)谒欧到y(tǒng)里通常叫它為積分時(shí)間常數(shù)， 積分時(shí)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(shí)間常數(shù)）將會(huì)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(guò)程。 這個(gè)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(diǎn)，利用 P 調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用 I 調(diào)節(jié)消除殘差。4、單獨(dú)的 D（微分）就是根據(jù)差值的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)器的輸出與差值對(duì)于時(shí)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(lái)進(jìn)行調(diào)

7、節(jié)，而不要等到出現(xiàn)了很大的偏差后才開始動(dòng)作，其實(shí)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(duì)微小變化的響應(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(dòng)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(jìn)行 PI （比例和積分），比例就是增益，所以我們要對(duì)速度增益和速度積分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)才能達(dá)到理想效果。位置環(huán)主要進(jìn)行 P（比例）調(diào)節(jié)。對(duì)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(jī)械傳動(dòng)連接方式、負(fù)載的運(yùn)動(dòng)方式、負(fù)載慣量、對(duì)速度、加速度要求以及電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子慣

8、量和輸出慣量等等很多條件來(lái)決定， 調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單方法是在根據(jù)外部負(fù)載的情況進(jìn)行大體經(jīng)驗(yàn)的范圍內(nèi)將增益參數(shù)從小往大調(diào)，積分時(shí)間常數(shù)從大往小調(diào)，以不出現(xiàn)震動(dòng)超調(diào)的穩(wěn)態(tài)值為最佳值進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)進(jìn)行位置模式需要調(diào)節(jié)位置環(huán)時(shí)， 最好先調(diào)節(jié)速度環(huán) （此時(shí)位置環(huán)的比例增益設(shè)定在經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)，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(hào)和反饋信號(hào)的差值來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)無(wú)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(hào)具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度

9、。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號(hào)進(jìn)行放大。比例增益 P 就是用來(lái)設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)的。 任何一種變頻器的參數(shù)P 都給出一個(gè)可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時(shí)， P 可按中間偏大值預(yù)置或者暫時(shí)默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況細(xì)調(diào)。積分時(shí)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(dòng)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(shí)不能立即停止， 導(dǎo)致“超調(diào)”， 然后反過(guò)來(lái)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(guò)比例增益 P 放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)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(shí)間 I 太長(zhǎng)，又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此， I 的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。微分時(shí)間微分時(shí)間D 是根據(jù)差值信號(hào)變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷。D 的取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)， 微分時(shí)間應(yīng)短些； 反之，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間