关于伺服电机的控制模式及增益调整

伺服电机的控制模式详解

转矩控制

速度模式

位置控制

全闭环控制模式

伺服电机PID三环对伺服控制的影响

三环的增益调整

PID控制的概念

PID各自对差值调节对系统的影响

伺服电机的控制模式详解

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 10V 对应 5Nm 的话，当外部模拟量设定为 5V 时电机轴输出为 2.5Nm:如果电机轴负载低于 2.5Nm 时电机正转，外部负载等于 2.5Nm 时电机不转，大于 2.5Nm 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。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

速度模式

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 PID 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，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。

位置控制

位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，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。

由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。

全闭环控制模式

全闭环控制是相对于半闭环控制而言的。

首先我们来了解下半闭环控制，半闭环是指数控系统或 PLC发出速脉冲指令。伺服接受指令，然后执行，在执行的过程中，伺服本身的编码器进行位置反馈给伺服，伺服自己进行偏差修正，伺服本身误差可避免，但是机械误差无法避免，因为控制系统不知道实际的位置。而全闭环是指伺服接受上位控制器发出速度可控的脉冲指令，伺服接受信号执行，执行的过程中，在机械装置上有位置反馈的装置，直接反馈给控制系统，控制系统通过比较，判断出与实际偏差，给伺服指令，进行偏差修正，这样控制系统通过频率可控的脉冲信号完成伺服的速度环控制，然后又通过位置传感器（光栅尺、编码器）完成伺服的位置环控制，这种把伺服电机、运动控制器、位置传感器三者有机的结合在一起的控制模式称之为全闭环控制。

伺服电机PID三环对伺服控制的影响

伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是 3 个闭环负反馈PID调节系统。从内向外分别为电流环、速度环、位置环。

电流环：最内的 PID 环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行 PID 调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，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。

速度环：通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈 PID 调节，它的环内 PID 输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

位置环：它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。

三环的增益调整

首先电流环： 电流环的输入是速度环 PID 调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做 PID 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。

速度环： 速度环的输入就是位置环 PID 调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID 调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。

位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），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”，设定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 PID 调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码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。

PID控制的概念

PID 是控制系统中的重要参数，指控制方式，指输出与输入之间的响应方式，英文字母比例（P）、积分（I）、微分（D）。

PID 控制把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID 控制可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID 反馈回路却可以保持系统的稳定简单来说 PID 控制就是反馈控制通过测量关心的变量与期望值比较，然后用这个误差纠正调节控制系统。

PID各自对差值调节对系统的影响

单独的 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，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。

单独的 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。

PI（比例积分）就是综合 P 和 I 的优点，利用 P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用 I 调节消除残差。

单独的 D（微分）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于时间的导数成正比，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 PD 和 PID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。

伺服的电流环的 PID 常数一般都是在驱动器内部设定好的，操作使用者不需要更改。

速度环主要进行 PI（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数进行合适的调节才能达到理想效果。

位置环主要进行 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，位置环的响应最好比速度环慢一点，不然也容易出现速度震荡。

增益调整的原则及注意事项

松下和三菱伺服都有自动增益功能。通常下都应该设置成自动增益。不需要特别去调整了。但也有一些伺服需要手工调整。手工调整时需注意以下几点位置环是调整静态增益的，速度环是调整动态增益的。

简单讲就是，在马达停止的时候调整位置环，在马达运行时候调整速度环。

位置环增益，提高位置响应的速度，也就是说找到位置的快慢，增益越高达到目标的时间越短，不是速度的关系，闭环系统在最后定位结束的地方是个高速震荡的过程，在目标值附近快速震荡，最后找到目标。增益高，这个震荡结束就快，这个是伺服电机的重要性能指标之一。

速度环增益当然就是对应速度，达到目标速度的性能。

看起来增益是越高越好，实际操作不是这样，伺服系统增益过高会带来共振，产生巨大的噪声，造成电机猛烈的震动。建议把增益调得尽量低。马达就不会乱叫了。因为大部分人使用伺服的时候，都不需要很高的响应。只需要保证马达不发生共振就行了。

过高的增益还会带来超速，过载，过流等等的问题。因为理想的计算值与实际电机的能力还是有差距的，包括电子元件的电流负荷能力和响应能力等等。