三環(huán)控制原理

1、三環(huán)控制原理1、首先電流環(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，我們稱為電流環(huán)給定”吧,然后呢就是電流環(huán)的這個(gè)給定和電流環(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。2、速度環(huán)：速度環(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，我們稱為速度設(shè)定”，這個(gè)速度設(shè)定”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）后輸出就是上面講到的電流環(huán)的給定速度環(huán)的反饋來(lái)自于編碼器的

2、反饋后的值經(jīng)過(guò)速度運(yùn)算器”得到的。3、位置環(huán)：位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖（通常情況下，直接寫(xiě)數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)器地址的伺服例外），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”，設(shè)定和來(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)積分微分環(huán)節(jié)）后輸出和位置給定的前饋信號(hào)的合值就構(gòu)成了上面講的速度環(huán)的給定。位置環(huán)的反饋也來(lái)自于編碼器。編碼器安裝于伺服電機(jī)尾部，它和電流環(huán)沒(méi)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(méi)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(méi)有電機(jī)，只要在每相上安裝模擬負(fù)載（例如電燈泡

3、）電流環(huán)就能形成反饋工作。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

4、，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(méi)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)節(jié)，而不要等到出現(xiàn)了很大的偏差后才開(kāi)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(jiàn)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

5、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(méi)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

6、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。如果您對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒(méi)有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。如果對(duì)位置和速度有一定的精度要求，而對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩不是很關(guān)心，用轉(zhuǎn)矩模式不太方便，用速度或位置模式比較好。如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，用速度控制效果會(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或者，基本沒(méi)有實(shí)時(shí)性的要求，用位置控制方式對(duì)上位控制器沒(méi)有很高的要求。就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快；位置模

7、式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢（比如 PLC,或低端運(yùn)動(dòng)控制器），就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器）；如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開(kāi)，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。1、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

8、的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時(shí)電機(jī)軸輸出為 2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm 時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^(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)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。2、位置控制：位置控制模式一般是通過(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)脈沖的個(gè)數(shù)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

9、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。3、速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(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，增加整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。4、談?wù)?3 環(huán)，伺服電機(jī)一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是 3 個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋 PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的 PID 環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，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。第 2 環(huán)是速度環(huán)，通過(guò)檢測(cè)的電機(jī)編碼器的信號(hào)來(lái)進(jìn)行負(fù)反饋 PID 調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi) PID輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說(shuō)任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電