伺服电机速度环、位置环、扭矩环的控制原理

1、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、位置环。1 1、 电流环：电流环的输入是速度环 PIDPID 调节后的那个输出，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PIDPID 调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的 相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反 馈而是在驱动器内部安装在每相的 霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号） 反馈给电流环的。电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最 小，动态响应最快。任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在系统进 行速度和位置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位置的相 应控制

2、。2 2、 速度环：速度环的输入就是位置环 PIDPID 调节后的输出以及位置设定的前馈值，速度环输入值和速度环反馈值进行比较后的差值在速度环做PIDPID 调节（主要是比例增益和积分处理）后输出到电流环。速度环的反馈来自丁 编码器的反 馈后的值经过“速度运算器”得到的。速度环控制包含了速度环和电流环。3 3、 位置环：位置环的输入就是 外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，位置环输入值和来自编码器反馈的脉 冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PIDPID 调节（比例增益调节，无积分微分调节）后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。 位置

3、环的反馈也来自丁编码器。位置控制模式下系统进行了3 3 个环的运算，系统运算量大，动态响应速度最慢。编码器安装丁伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自丁电机 的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环 是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯 泡）电流环就能形成反馈工作。三种控制模式位置控制：通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的数量来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋 值。由丁位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用丁定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。速

4、度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在 有上位控制装置的外环 PIDPID 控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位 置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载 外环检测位置信号,此时的电机轴端的编码器只检测电机转速， 位置信号就由直 接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在丁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：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设 定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V10V 对应 5Nm5Nm 的话，当外部模拟量设定为 5V5V 时电机轴输出为

5、2.5Nm:2.5Nm:如果电机轴负载低丁 2.5Nm2.5Nm 时电机正 转，外部负载等丁 2.5Nm2.5Nm 时电机不转，大于 2.5Nm2.5Nm 时电机反转（通常在有重力 负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小， 也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。PIDPID 各自对差值调节对系统的影响：1 1、单独的 P P （比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后， 被调量不可能与设定值准确相等， 它们之 间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。 增加比例将会有效减小 残差并增加系统响应，但容易导

6、致系统激烈震荡甚至不稳定。2 2、单独的 I I （积分）就是使调节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，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的 比例倒数我们在伺服系统里通常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，所以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稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程。这个环节最大的 好处就是被调量最后是没有残差的。3 3、PIPI （比例积分）就是综合 P P 和 I I 的优点，利用 P P 调节快速抵消干扰的影响， 同时利用 I I 调节消除残差。4 4、单独的 D D （微分）

7、就是根据差值的方向和大小进行调节的，调节器的输出与差值对丁时间的导数成正比，微分环节只能起到辅助的调节作用， 它可以与其他 调节结合成 PDPD 和 PIDPID 调节。它的好处是可以根据被调节量（差值）的变化速度 来进行调节，而不要等到出现了很大的偏差后才开始动作， 其实就是赋予了调节 器以某种程度上的预见性，可以增加系统对微小变化的响应特性。5 5、PIDPID 综合作用可以使系统更加准确稳定的达到控制的期望。伺服的电流环的 PIDPID 常数一般都是在驱动器内部设定好的，操作使用者不需 要更改。速度环主要进行 PIPI （比例和积分），比例就是增益，所以我们要对速度增 益和速度积分时间常

8、数进行合适的调节才能达到理想效果。位置环主要进行 P P （比例）调节。对此我们只要设定位置环的比例增益就好 了。位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值，要根据外部负载的机械传 动连接方式、负载的运动方式、负载惯量、对速度、加速度要求以及电机本身的 转子惯量和输出惯量等等很多条件来决定，调节的简单方法是在根据外部负载的 情况进行大体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佳值进行设定。当进行位置模式需要调节位置环时， 最好先调节速度环（此时位置环的比例 增益设定在经验值的最小值），调节速度环稳定后，在调节位置环增益，适量逐 步增加，位置环的响

9、应最好比速度环慢一点，不然也容易出现速度震荡。比例增益变频器的 PIDPID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近， 即差值很小，从而满足调节的精 度：另一方面，我们乂希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解 决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。 比例增益 P 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 P 都给出一个可设置的数值范围，一 股在初次调试时，P P可按中间偏大值预置.或者暂时默认出厂值，待设备运转时 再按实际情况细调。积分时间如上所述.比例增益 P P 越大，调节灵敏度越高，但由丁传

10、动系统和控制电 路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节 I I ,其效果是，使经过比例增益 P P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大（或减小），从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I I 太长，乂会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅 速恢复。因此，I I 的取值与拖动系统的时间常数有关：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 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了 调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D 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，拖动系统的时间常数较大时， 微