伺服电机速度环位置环扭矩环控制原理

运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、地点环。1、电流环：电流环的输入是速度环PID调治后的那个输出，电流环的输入值和电流环的反馈值进行比较后的差值在电流环内做PID调治输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反应”不是编码器的反应而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感觉变为电流电压信号）反应给电流环的。电流环就是控制电机转矩的，因此在转矩模式下驱动器的运算最小，动向响应最快。任何模式都必然使用电流环，电流环是控制的根本，在系统进行速度和地点控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和地点的相应控制。2、速度环：速度环的输入就是地点环PID调治后的输出以及地点设定的前馈值，速度环输入值和速度环反应值进行比较后的差值在速度环做PID调治（主假如比率增益和积分处理）后输出到电流环。速度环的反应来自于编码器的反应后的值经过“速度运算器”得到的。速度环控制包含了速度环和电流环。3、地点环：地点环的输入就是外面的脉冲，外面的脉冲经过圆滑滤波办理和电子齿轮计算后作为“地点环的设定”，地点环输入值和来自编码器反应的脉冲信号经过误差计数器的计算后的数值在经过地点环的PID调治（比率增益调治，无积分微分调治）后输出和地点给定的前馈值的和组成速度环的给定。地点环的反应也来自于编码器。地点控制模式下系统进行了3个环的运算，系统运算量大，动向响应速度最慢。编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反应没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即便没有电机，只需在每相上安装模拟负载（比方电灯泡）电流环就能形成反应工作。三种控制模式地点控制：经过外面输入的脉冲的频次来确定转动速度的大小，经过脉冲的数量来确定转动的角度，也有些伺服可以经过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于地点模式可以对速度和地点都有很严格的控制，因此一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。速度模式：经过模拟量的输入或脉冲的频次都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必然把电机的地点信号或直接负载的地点信号给上位反应以做运算用。地点模式也支持直接负载外环检测地点信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，地点信号就由直接的最后负载端的检测装置来供给了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。转矩控制：转矩控制方式是经过外面模拟量的输入或直接的地点的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，详细表现为比方10V对应5Nm的话，当外面模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:假如电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外面负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（平时在有重力负载情况下产生）。可以经过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可经过通讯方式改变对应的地点的数值来实现。PID各自对差值调治对系统的影响：1、独自的P（比率）就是将差值进行成比率的运算，它的显然特点就是有差调治，有差的意义就是调治过程结束后，被调量不能能与设定值正确相等，它们之间必然有残差，残差具体值您可以经过比率关系计算出。增加比率将会有效减小残差并增加系统响应，但简单致使系统强烈震荡甚至不牢固。2、独自的I（积分）就是使调治器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，假如差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比率倒数我们在伺服系统里平时叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，因此同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的牢固程度，直到最后出现发散的震荡过程。这个环节最大的利处就是被调量最后是没有残差的。3、PI（比率积分）就是综合P和I的优点，利用P调治快速抵消搅乱的影响，同时利用I调治除去残差。4、独自的D（微分）就是依据差值的方向和大小进行调治的，调治器的输出与差值关于时间的导数成正比，微分环节只能起到协助的调治作用，它可以与其他调治联合成PD和PID调治。它的利处是可以依据被调治量（差值）的变化速度来进行调治，而不要等到出现了很大的误差后才开始动作，其实就是恩赐了调治器以某种程度上的预示性，可以增加系统对微小变化的响应特点。5、PID综合作用可以使系统更为正确牢固的达到控制的希望。伺服的电流环的PID常数一般都是在驱动器内部设定好的，操作使用者不需要改正。速度环主要进行PI（比率和积分），比率就是增益，因此我们要对速度增益和速度积分时间常数进行合适的调治才能达到理想收效。地点环主要进行P（比率）调治。对此我们只需设定地点环的比率增益就好了。地点环、速度环的参数调治没有什么固定的数值，要依据外面负载的机械传动连结方式、负载的运动方式、负载惯量、对速度、加快度要求以及电机自己的转子惯量和输出惯量等等好多条件来决定，调治的简单方法是在依据外面负载的情况进行大概经验的范围内将增益参数从小往大调，积分时间常数从大往小调，以不出现震动超调的稳态值为最正确值进行设定。当进行地点模式需要调治地点环时，最好先调治速度环（此时地点环的比率增益设定在经验值的最小值），调治速度环牢固后，在调治地点环增益，合适渐渐增加，地点环的响应最好似速度环慢一点，不然也简单出现速度震荡。比率增益变频器的PID功能是利用目标信号和反应信号的差值来调治输出频次的，一方面，我们希望目标信号和反应信号无量凑近，即差值很小，进而知足调治的精度：

另一方面，我们又希望调治信号拥有必然的幅度，

以保证调治的敏捷度。解决这一矛盾的方法就是早先将差值信号进行放大。比率增益

P就是用来设置差值信号的放大系数的。

任何一种变频器的参数P都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置．或许暂时默认出厂值，待设施运转时再按实质情况细调。积分时间如上所述．比率增益P越大，调治敏捷度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调治结果达到最正确值时不可以马上停止，

致使“超调”，此后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节

I，其收效是，使经过比率增益

P放大后的差值信号在积分时间内渐渐增大

(

或减小

)

，进而减缓其变化速度，防范振荡。但积分时间

I太长，又会当反应信号急巨变化时，被控物理量难以快速恢复。因此，

I的取值与拖动系统的时间常数相关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。微分时间微分时间D是依据差值信号变化的速率，提早给出一个相应的调治动作，进而缩短了调治时间，战胜因积分时间过长而使恢复滞后的缺点。

D的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，

微分时间应短些；反之，拖动系统的时