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(nèi)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(diào)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(nèi)做PID調(diào)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(yīng)”不是編碼器的反應(yīng)而是在驅(qū)動器內(nèi)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?yīng)給電流環(huán)的。電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，因此在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動向響應(yīng)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(zhuǎn)矩的控制以達到對速度和地點的相應(yīng)控制。2、速度環(huán)：速度環(huán)的輸入就是地點環(huán)PID調(diào)治后的輸出以及地點設(shè)定的前饋值，速度環(huán)輸入值和速度環(huán)反應(yīng)值進行比較后的差值在速度環(huán)做PID調(diào)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(yīng)來自于編碼器的反應(yīng)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、地點環(huán)：地點環(huán)的輸入就是外面的脈沖，外面的脈沖經(jīng)過圓滑濾波辦理和電子齒輪計算后作為“地點環(huán)的設(shè)定”，地點環(huán)輸入值和來自編碼器反應(yīng)的脈沖信號經(jīng)過誤差計數(shù)器的計算后的數(shù)值在經(jīng)過地點環(huán)的PID調(diào)治（比率增益調(diào)治，無積分微分調(diào)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(yīng)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(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、反應(yīng)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(yīng)工作。三種控制模式地點控制：經(jīng)過外面輸入的脈沖的頻次來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，經(jīng)過脈沖的數(shù)量來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以經(jīng)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(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：經(jīng)過模擬量的輸入或脈沖的頻次都可以進行轉(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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是經(jīng)過外面模擬量的輸入或直接的地點的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，詳細表現(xiàn)為比方10V對應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外面模擬量設(shè)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(zhuǎn)，外面負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（平時在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢越?jīng)過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可經(jīng)過通訊方式改變對應(yīng)的地點的數(shù)值來實現(xiàn)。PID各自對差值調(diào)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(diào)治，有差的意義就是調(diào)治過程結(jié)束后，被調(diào)量不能能與設(shè)定值正確相等，它們之間必然有殘差，殘差具體值您可以經(jīng)過比率關(guān)系計算出。增加比率將會有效減小殘差并增加系統(tǒng)響應(yīng)，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(diào)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(diào)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(diào)治快速抵消攪亂的影響，同時利用I調(diào)治除去殘差。4、獨自的D（微分）就是依據(jù)差值的方向和大小進行調(diào)治的，調(diào)治器的輸出與差值關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)成正比，微分環(huán)節(jié)只能起到協(xié)助的調(diào)治作用，它可以與其他調(diào)治聯(lián)合成PD和PID調(diào)治。它的利處是可以依據(jù)被調(diào)治量（差值）的變化速度來進行調(diào)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(diào)治器以某種程度上的預(yù)示性，可以增加系統(tǒng)對微小變化的響應(yīng)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(qū)動器內(nèi)部設(shè)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(diào)治才能達到理想收效。地點環(huán)主要進行P（比率）調(diào)治。對此我們只需設(shè)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(diào)治沒有什么固定的數(shù)值，要依據(jù)外面負載的機械傳動連結(jié)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(zhuǎn)子慣量和輸出慣量等等好多條件來決定，調(diào)治的簡單方法是在依據(jù)外面負載的情況進行大概經(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)從大往小調(diào)，以不出現(xiàn)震動超調(diào)的穩(wěn)態(tài)值為最正確值進行設(shè)定。當(dāng)進行地點模式需要調(diào)治地點環(huán)時，最好先調(diào)治速度環(huán)（此時地點環(huán)的比率增益設(shè)定在經(jīng)驗值的最小值），調(diào)治速度環(huán)牢固后，在調(diào)治地點環(huán)增益，合適漸漸增加，地點環(huán)的響應(yīng)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(yīng)信號的差值來調(diào)治輸出頻次的，一方面，我們希望目標信號和反應(yīng)信號無量湊近，即差值很小，進而知足調(diào)治的精度：

另一方面，我們又希望調(diào)治信號擁有必然的幅度，

以保證調(diào)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(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)值范圍，一般在初次調(diào)試時，P可按中間偏大值預(yù)置．或許暫時默認出廠值，待設(shè)施運轉(zhuǎn)時再按實質(zhì)情況細調(diào)。積分時間如上所述．比率增益P越大，調(diào)治敏捷度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)治結(jié)果達到最正確值時不可以馬上停止，

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

I，其收效是，使經(jīng)過比率增益

P放大后的差值信號在積分時間內(nèi)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(dāng)反應(yīng)信號急巨變化時，被控物理量難以快速恢復(fù)。因此，

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

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