伺服電機的控制模式詳解

1.轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)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(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10V 對應(yīng) 5Nm 的話，當外部模擬量設(shè)定為 5V 時電機軸輸出為 2.5Nm:如果電機軸負載低于 2.5Nm 時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于 2.5Nm 時電機不轉(zhuǎn)，大于 2.5Nm 時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）。可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴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更改以確保材質(zhì)的受力不會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外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)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。

由于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(yīng)用于定位裝置。

3.速度模式

通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(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(zhuǎn)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)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統(tǒng)的定位精度。

4.全閉環(huán)控制模式

全閉環(huán)控制是相對于半閉環(huán)控制而言的。

首先我們來了解下半閉環(huán)控制，半閉環(huán)是指數(shù)控系統(tǒng)或 PLC發(fā)出速脈沖指令。伺服接受指令，然后執(zhí)行，在執(zhí)行的過程中，伺服本身的編碼器進行位置反饋給伺服，伺服自己進行偏差修正，伺服本身誤差可避免，但是機械誤差無法避免，因為控制系統(tǒng)不知道實際的位置。而全閉環(huán)是指伺服接受上位控制器發(fā)出速度可控的脈沖指令，伺服接受信號執(zhí)行，執(zhí)行的過程中，在機械裝置上有位置反饋的裝置，直接反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過比較，判斷出與實際偏差，給伺服指令，進行偏差修正，這樣控制系統(tǒng)通過頻率可控的脈沖信號完成伺服的速度環(huán)控制， 然后又通過位置傳感器（光柵尺、編碼器）完成伺服的位置環(huán)控制，這種把伺服電機、運動控制器、位置傳感器三者有機的結(jié)合在一起的控制模式稱之為全閉環(huán)控制。

伺服電機PID三環(huán)對伺服控制的影響

伺服電機一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是 3 個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從內(nèi)向外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。

1. 電流環(huán)：最內(nèi)的 PID 環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設(shè)定進行 PID 調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。

2. 速度環(huán)：通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋 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)控制時就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說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系統(tǒng)實際也在進行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達到對速度和位置的相應(yīng)控制。

3. 位置環(huán)：它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構(gòu)建，要根據(jù)實際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有 3 個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng)運算量最大，動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

三環(huán)的增益調(diào)整

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)的這個給定和“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)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(qū)動器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件（磁場感應(yīng)變?yōu)殡娏麟妷盒盘枺┓答伣o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“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進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)的反饋來自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過“速度運算器”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，直接寫數(shù)據(jù)到驅(qū)動器地址的伺服例外），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(shè)定”，設(shè)定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 PID 調(diào)節(jié)（比例增益調(diào)節(jié)，無積分微分環(huán)節(jié)）后輸出和位置給定的前饋信號的合值就構(gòu)成了上面講的速度環(huán)的給定。位置環(huán)的反饋也來自于編碼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、反饋沒有任何聯(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。

PID控制的概念

PID 是控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，指控制方式，指輸出與輸入之間的響應(yīng)方式，英文字母比例（P）、積分（I）、微分（D）。

PID 控制把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值， 這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID 控制可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值， 這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。可以通過數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定簡單來說 PID 控制就是反饋控制 通過測量關(guān)心的變量與期望值比較，然后用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

PID各自對差值調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的影響

1. 單獨的 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(diào)節(jié)，有差的意義就是調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準確相等，它們之間一定有殘差，殘差具體值可以通過比例關(guān)系計算出。增加比例將會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. 單獨的 I（積分）就是使調(diào)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(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，利用 P 調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用 I 調(diào)節(jié)消除殘差。

4. 單獨的 D（微分）就是根據(jù)差值的方向和大小進行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)器的輸出與差值對于時間的導(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）的變化速度來進行調(diào)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(diào)節(jié)器以某種程度上的預(yù)見性，可以增加系統(tǒng)對微小變化的響應(yīng)特性。

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，操作使用者不需要更改。

速度環(huán)主要進行 PI（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數(shù)進行合適的調(diào)節(jié)才能達到理想效果。

位置環(huán)主要進行 P（比例）調(diào)節(jié)。

對此我們只要設(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(zhuǎn)子慣量和輸出慣量等等很多條件來決定，調(diào)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(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)值為最佳值進行設(shè)定。

當進行位置模式需要調(diào)節(jié)位置環(huán)時，最好先調(diào)節(jié)速度環(huán)（此時位置環(huán)的比例增益設(shè)定在經(jīng)驗值的最小值），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，不然也容易出現(xiàn)速度震蕩。

增益調(diào)整的原則及注意事項

松下和三菱伺服都有自動增益功能。通常下都應(yīng)該設(shè)置成自動增益。不需要特別去調(diào)整了。但也有一些伺服需要手工調(diào)整。手工調(diào)整時需注意以下幾點位置環(huán)是調(diào)整靜態(tài)增益的，速度環(huán)是調(diào)整動態(tài)增益的。

簡單講就是，在馬達停止的時候調(diào)整位置環(huán)，在馬達運行時候調(diào)整速度環(huán)。

位置環(huán)增益，提高位置響應(yīng)的速度，也就是說找到位置的快慢，增益越高達到目標的時間越短，不是速度的關(guān)系，閉環(huán)系統(tǒng)在最后定位結(jié)束的地方是個高速震蕩的過程，在目標值附近快速震蕩，最后找到目標。增益高，這個震蕩結(jié)束就快，這個是伺服電機的重要性能指標之一。

速度環(huán)增益當然就是對應(yīng)速度，達到目標速度的性能。

看起來增益是越高越好，實際操作不是這樣，伺服系統(tǒng)增益過高會帶來共振，產(chǎn)生巨大的噪聲，造成電機猛烈的震動。建議把增益調(diào)得盡量低。馬達就不會亂叫了。因為大部分人使用伺服的時候，都不需要很高的響應(yīng)。只需要保證馬達不發(fā)生共振就行了。

過高的增益還會帶來超速，過載，過流等等的問題。因為理想的計算值與實際電機的能力還是有差距的， 包括電子元件的電流負荷能力和響應(yīng)能力等等。

編輯：黃飛

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