伺服電機速度環(huán)位置環(huán)扭矩環(huán)控制原理

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)、地點環(huán)。1、電流環(huán)：電流環(huán)的輸入是速度環(huán)PID調治后的那個輸出，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PID調治輸出給電機，“電流環(huán)的輸出”就是電機的每相的相電流，“電流環(huán)的反應”不是編碼器的反應而是在驅動器內部安裝在每相的霍爾元件（磁場感覺變?yōu)殡娏麟妷盒盘枺┓磻o電流環(huán)的。電流環(huán)就是控制電機轉矩的，因此在轉矩模式下驅動器的運算最小，動向響應最快。任何模式都必然使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在系統(tǒng)進行速度和地點控制的同時系統(tǒng)也在進行電流/轉矩的控制以達到對速度和地點的相應控制。2、速度環(huán)：速度環(huán)的輸入就是地點環(huán)PID調治后的輸出以及地點設定的前饋值，速度環(huán)輸入值和速度環(huán)反應值進行比較后的差值在速度環(huán)做PID調治（主假如比率增益和積分處理）后輸出到電流環(huán)。速度環(huán)的反應來自于編碼器的反應后的值經過“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、地點環(huán)：地點環(huán)的輸入就是外面的脈沖，外面的脈沖經過圓滑濾波辦理和電子齒輪計算后作為“地點環(huán)的設定”，地點環(huán)輸入值和來自編碼器反應的脈沖信號經過誤差計數(shù)器的計算后的數(shù)值在經過地點環(huán)的PID調治（比率增益調治，無積分微分調治）后輸出和地點給定的前饋值的和組成速度環(huán)的給定。地點環(huán)的反應也來自于編碼器。地點控制模式下系統(tǒng)進行了3個環(huán)的運算，系統(tǒng)運算量大，動向響應速度最慢。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動而不是電機電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反應沒有任何聯(lián)系。而電流環(huán)是在驅動器內部形成的，即便沒有電機，只需在每相上安裝模擬負載（比方電燈泡）電流環(huán)就能形成反應工作。三種控制模式地點控制：經過外面輸入的脈沖的頻次來確定轉動速度的大小，經過脈沖的數(shù)量來確定轉動的角度，也有些伺服可以經過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于地點模式可以對速度和地點都有很嚴格的控制，因此一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。速度模式：經過模擬量的輸入或脈沖的頻次都可以進行轉動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必然把電機的地點信號或直接負載的地點信號給上位反應以做運算用。地點模式也支持直接負載外環(huán)檢測地點信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，地點信號就由直接的最后負載端的檢測裝置來供給了，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。轉矩控制：轉矩控制方式是經過外面模擬量的輸入或直接的地點的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，詳細表現(xiàn)為比方10V對應5Nm的話，當外面模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:假如電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉，外面負載等于2.5Nm時電機不轉，大于2.5Nm時電機反轉（平時在有重力負載情況下產生）?？梢越涍^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可經過通訊方式改變對應的地點的數(shù)值來實現(xiàn)。PID各自對差值調治對系統(tǒng)的影響：1、獨自的P（比率）就是將差值進行成比率的運算，它的顯然特點就是有差調治，有差的意義就是調治過程結束后，被調量不能能與設定值正確相等，它們之間必然有殘差，殘差具體值您可以經過比率關系計算出。增加比率將會有效減小殘差并增加系統(tǒng)響應，但簡單致使系統(tǒng)強烈震蕩甚至不牢固。2、獨自的I（積分）就是使調治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，假如差值大，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)的比率倒數(shù)我們在伺服系統(tǒng)里平時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，因此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)的牢固程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的震蕩過程。這個環(huán)節(jié)最大的利處就是被調量最后是沒有殘差的。3、PI（比率積分）就是綜合P和I的優(yōu)點，利用P調治快速抵消攪亂的影響，同時利用I調治除去殘差。4、獨自的D（微分）就是依據差值的方向和大小進行調治的，調治器的輸出與差值關于時間的導數(shù)成正比，微分環(huán)節(jié)只能起到協(xié)助的調治作用，它可以與其他調治聯(lián)合成PD和PID調治。它的利處是可以依據被調治量（差值）的變化速度來進行調治，而不要等到出現(xiàn)了很大的誤差后才開始動作，其實就是恩賜了調治器以某種程度上的預示性，可以增加系統(tǒng)對微小變化的響應特點。5、PID綜合作用可以使系統(tǒng)更為正確牢固的達到控制的希望。伺服的電流環(huán)的PID常數(shù)一般都是在驅動器內部設定好的，操作使用者不需要改正。速度環(huán)主要進行PI（比率和積分），比率就是增益，因此我們要對速度增益和速度積分時間常數(shù)進行合適的調治才能達到理想收效。地點環(huán)主要進行P（比率）調治。對此我們只需設定地點環(huán)的比率增益就好了。地點環(huán)、速度環(huán)的參數(shù)調治沒有什么固定的數(shù)值，要依據外面負載的機械傳動連結方式、負載的運動方式、負載慣量、對速度、加快度要求以及電機自己的轉子慣量和輸出慣量等等好多條件來決定，調治的簡單方法是在依據外面負載的情況進行大概經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)值為最正確值進行設定。當進行地點模式需要調治地點環(huán)時，最好先調治速度環(huán)（此時地點環(huán)的比率增益設定在經驗值的最小值），調治速度環(huán)牢固后，在調治地點環(huán)增益，合適漸漸增加，地點環(huán)的響應最好似速度環(huán)慢一點，不然也簡單出現(xiàn)速度震蕩。比率增益變頻器的PID功能是利用目標信號和反應信號的差值來調治輸出頻次的，一方面，我們希望目標信號和反應信號無量湊近，即差值很小，進而知足調治的精度：

另一方面，我們又希望調治信號擁有必然的幅度，

以保證調治的敏捷度。解決這一矛盾的方法就是早先將差值信號進行放大。比率增益

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都給出一個可設置的數(shù)值范圍，一般在初次調試時，P可按中間偏大值預置．或許暫時默認出廠值，待設施運轉時再按實質情況細調。積分時間如上所述．比率增益P越大，調治敏捷度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調治結果達到最正確值時不可以馬上停止，

致使“超調”，此后反過來調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié)

I，其收效是，使經過比率增益

P放大后的差值信號在積分時間內漸漸增大

(

或減小

)

，進而減緩其變化速度，防范振蕩。但積分時間

I太長，又會當反應信號急巨變化時，被控物理量難以快速恢復。因此，

I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)相關：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是依據差值信號變化的速率，提早給出一個相應的調治動作，進而縮短了調治時間，戰(zhàn)勝因積分時間過長而使恢復滯后的缺點。

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