伺服電動缸控制方式簡介

伺 服 電 動 缸 是 將 伺 服 電 機 與 絲 杠 一 體 化 設 計 的 模 塊 化 產 品 ，將 伺 服 電 機的 旋 轉 運 動 轉 換 成 直 線 運 動 ， 同 時 將 伺 服 電 機 最 佳 優 點 ： 精 確 轉 速 控 制 ， 精確 轉 數 控 制 ， 精 確 扭 矩 控 制 轉 變 成 精 確 速 度 控 制 ， 精 確 位 置 控 制 ， 精 確 推 力控 制 ； 實 現 高 精 度 直 線 運 動 系 列 的 全 新 革 命 性 產 品 。

一 般 伺 服 都 有 三 種 控 制 方 式 ： 速 度 控 制 方 式 ， 轉 矩 控 制 方 式 ， 位 置 控 制方 式 。

速 度 控 制 和 轉 矩 控 制 都 是 用 模 擬 量 來 控 制 的 。位 置 控 制 是 通 過 發 脈 沖 來控 制 的 。 具 體 采 用 什 么 控 制 方 式 要 根 據 客 戶 的 要 求 ， 滿 足 何 種 運 動 功 能 來 選擇 。

如 果 您 對 電 機 的 速 度 、 位 置 都 沒 有 要 求 ， 只 要 輸 出 一 個 恒 轉 矩 ， 當 然 是用 轉 矩 模 式 。

如 果 對 位 置 和 速 度 有 一 定 的 精 度 要 求 ， 而 對 實 時 轉 矩 不 是 很 關 心 ， 用 轉矩 模 式 不 太 方 便 ， 用 速 度 或 位 置 模 式 比 較 好 。 如 果 上 位 控 制 器 有 比 較 好 的 閉環 控 制 功 能 ， 用 速 度 控 制 效 果 會 好 一 點 。 如 果 本 身 要 求 不 是 很 高 ， 或 者 ， 基本 沒 有 實 時 性 的 要 求 ， 用 位 置 控 制 方 式 對 上 位 控 制 器 沒 有 很 高 的 要 求 。就 伺 服 驅 動 器 的 響 應 速 度 來 看 ， 轉 矩 模 式 運 算 量 最 小 ， 驅 動 器 對 控 制 信 號 的響 應 最 快 ； 位 置 模 式 運 算 量 最 大 ， 驅 動 器 對 控 制 信 號 的 響 應 最 慢 。

對 運 動 中 的 動 態 性 能 有 比 較 高 的 要 求 時 ， 需 要 實 時 對 電 機 進 行 調 整 。那么 如 果 控 制 器 本 身 的 運 算 速 度 很 慢（ 比 如 PLC ，或 低 端 運 動 控 制 器 ），就 用 位置 方 式 控 制 。 如 果 控 制 器 運 算 速 度 比 較 快 ， 可 以 用 速 度 方 式 ， 把 位 置 環 從 驅動 器 移 到 控 制 器 上 ， 減 少 驅 動 器 的 工 作 量 ， 提 高 效 率 （ 比 如 大 部 分 中 高 端 運動 控 制 器 ）；如 果 有 更 好 的 上 位 控 制 器 ，還 可 以 用 轉 矩 方 式 控 制 ，把 速 度 環 也從 驅 動 器 上 移 開 ， 這 一 般 只 是 高 端 專 用 控 制 器 才 能 這 么 干 ， 而 且 ， 這 時 完 全不 需 要 使 用 伺 服 電 機 。

換 一 種 說 法 是 ：

1、 轉 矩 控 制 ： 轉 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 定 電 機 軸 對 外 的 輸 出 轉 矩 的 大 小 ，具 體 表 現 為 例 如 10V 對 應 5Nm 的 話 ，當 外 部 模 擬 量 設 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 ， 外 部 負 載 等 于 2.5Nm 時 電 機 不 轉 ， 大 于 2.5Nm 時 電 機 反 轉 （ 通常 在 有 重 力 負 載 情 況 下 產 生 ）。可 以 通 過 即 時 的 改 變 模 擬 量 的 設 定 來 改 變 設 定的 力 矩 大 小 ， 也 可 通 過 通 訊 方 式 改 變 對 應 的 地 址 的 數 值 來 實 現 。 應 用 主 要 在對 材 質 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 設備 ， 轉 矩 的 設 定 要 根 據 纏 繞 的 半 徑 的 變 化 隨 時 更 改 以 確 保 材 質 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 轉動 速 度 的 大 小 ， 通 過 脈 沖 的 個 數 來 確 定 轉 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 用 于 定 位 裝 置 。 應 用 領 域 如 數 控 機 床 、 印 刷 機 械 等等 。

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 動 速 度 的 控制 ， 在 有 上 位 控 制 裝 置 的 外 環 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 檢 測 位 置 信 號 ， 此 時 的 電 機 軸 端 的 編 碼 器 只 檢 測 電 機 轉速 ， 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 點 在 于可 以 減 少 中 間 傳 動 過 程 中 的 誤 差 ， 增 加 了 整 個 系 統 的 定 位 精 度 。

談 談 三 環 控 制 ：

伺 服 電 機 一 般 為 三 個 環 控 制 ， 所 謂 三 環 就 是 3 個 閉 環 負 反 饋 PID 調 節 系統 。

最 內 的 PID 環 就 是 電 流 環 ， 此 環 完 全 在 伺 服 驅 動 器 內 部 進 行 ， 通 過 霍 爾裝 置 檢 測 驅 動 器 給 電 機 的 各 相 的 輸 出 電 流 ， 負 反 饋 給 電 流 的 設 定 進 行 PID 調節 ，從 而 達 到 輸 出 電 流 盡 量 接 近 等 于 設 定 電 流 ，電 流 環 就 是 控 制 電 機 轉 矩 的 ，所 以 在 轉 矩 模 式 下 驅 動 器 的 運 算 最 小 ， 動 態 響 應 最 快 。

第 2 環 是 速 度 環 ，通 過 檢 測 的 電 機 編 碼 器 的 信 號 來 進 行 負 反 饋 PID 調 節 ，它 的 環 內 PID 輸 出 直 接 就 是 電 流 環 的 設 定 ， 所 以 速 度 環 控 制 時 就 包 含 了 速 度環 和 電 流 環 ， 換 句 話 說 任 何 模 式 都 必 須 使 用 電 流 環 ， 電 流 環 是 控 制 的 根 本 ，在 速 度 和 位 置 控 制 的 同 時 系 統 實 際 也 在 進 行 電 流 （ 轉 矩 ） 的 控 制 以 達 到 對 速度 和 位 置 的 相 應 控 制 。

第 3 環 是 位 置 環 ， 它 是 最 外 環 ， 可 以 在 驅 動 器 和 電 機 編 碼 器 間 構 建 也 可以 在 外 部 控 制 器 和 電 機 編 碼 器 或 最 終 負 載 間 構 建 ， 要 根 據 實 際 情 況 來 定 。 由于 位 置 控 制 環 內 部 輸 出 就 是 速 度 環 的 設 定 ， 位 置 控 制 模 式 下 系 統 進 行 了 所 有3 個 環 的 運 算 ， 此 時 的 系 統 運 算 量 最 大 ， 動 態 響 應 速 度 也 最 慢 。

運 動 伺 服 一 般 都 是 三 環 控 制 系 統 ， 從 內 到 外 依 次 是 電 流 環 速 度 環 位 置 環 。

1、 首 先 電 流 環 ： 電 流 環 的 輸 入 是 速 度 環 PID 調 節 后 的 那 個 輸 出 ， 我 們 稱為 “電 流 環 給 定 ”吧 ，然 后 呢 就 是 電 流 環 的 這 個 給 定 和 “電 流 環 的 反 饋 ”值 進行 比 較 后 的 差 值 在 電 流 環 內 做 PID 調 節 輸 出 給 電 機 ， “電 流 環 的 輸 出 ”就 是電 機 的 每 相 的 相 電 流 ， “電 流 環 的 反 饋 ”不 是 編 碼 器 的 反 饋 而 是 在 驅 動 器 內部 安 裝 在 每 相 的 霍 爾 元 件 （ 磁 場 感 應 變 為 電 流 電 壓 信 號 ） 反 饋 給 電 流 環 的 。

2、速 度 環 ：速 度 環 的 輸 入 就 是 位 置 環 PID 調 節 后 的 輸 出 以 及 位 置 設 定 的前 饋 值 ，我 們 稱 為 “速 度 設 定 ”，這 個 “速 度 設 定 ”和 “速 度 環 反 饋 ”值 進 行比 較 后 的 差 值 在 速 度 環 做 PID 調 節 （ 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 的 給 定 ”。 速 度 環 的 反 饋 來 自 于 編 碼 器 的 反 饋 后 的 值經 過 “速 度 運 算 器 ”得 到 的 。

3、 位 置 環 ：位 置 環 的 輸 入 就 是 外 部 的 脈 沖 （ 通 常 情 況 下 ，直 接 寫 數 據 到驅 動 器 地 址 的 伺 服 例 外 ），外 部 的 脈 沖 經 過 平 滑 濾 波 處 理 和 電 子 齒 輪 計 算 后 作為 “位 置 環 的 設 定 ”， 設 定 和 來 自 編 碼 器 反 饋 的 脈 沖 信 號 經 過 偏 差 計 數 器 的計 算 后 的 數 值 在 經 過 位 置 環 的 PID 調 節 （ 比 例 增 益 調 節 ， 無 積 分 微 分 環 節 ）后 輸 出 和 位 置 給 定 的 前 饋 信 號 的 合 值 就 構 成 了 上 面 講 的 速 度 環 的 給 定 。 位 置環 的 反 饋 也 來 自 于 編 碼 器 。

編 碼 器 安 裝 于 伺 服 電 機 尾 部 ， 它 和 電 流 環 沒 有 任 何 聯 系 ， 他 采 樣 來 自 于電 機 的 轉 動 而 不 是 電 機 電 流 ， 和 電 流 環 的 輸 入 、 輸 出 、 反 饋 沒 有 任 何 聯 系 。而 電 流 環 是 在 驅 動 器 內 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 就 能 形 成 反 饋 工 作 。

談 談 PID 各 自 對 差 值 調 節 對 系 統 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 節 ， 有 差 的 意 義 就 是 調 節 過 程 結 束 后 ， 被 調 量 不 可 能 與 設 定 值 準 確 相等 ， 它 們 之 間 一 定 有 殘 差 ， 殘 差 具 體 值 您 可 以 通 過 比 例 關 系 計 算 出 。。。 增 加比 例 將 會 有 效 減 小 殘 差 并 增 加 系 統 響 應 ， 但 容 易 導 致 系 統 激 烈 震 蕩 甚 至 不 穩定 。

2、 單 獨 的 I （ 積 分 ） 就 是 使 調 節 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 節 的 變 化 速 度 大 ， 這 個 環 節 的正 比 常 數 的 比 例 倒 數 我 們 在 伺 服 系 統 里 通 常 叫 它 為 積 分 時 間 常 數 ， 積 分 時 間常 數 越 小 意 味 著 系 統 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 ） 將 會 降 低 控 制 系 統 的 穩 定 程 度 ， 直 到 最 后 出 現 發 散 的 震蕩 過 程 ，。。。 這 個 環 節 最 大 的 好 處 就 是 被 調 量 最 后 是 沒 有 殘 差 的 。

3、 PI（ 比 例 積 分 ）就 是 綜 合 P 和 I 的 優 點 ，利 用 P 調 節 快 速 抵 消 干 擾 的影 響 ， 同 時 利 用 I 調 節 消 除 殘 差 。

4、 單 獨 的 D（ 微 分 ） 就 是 根 據 差 值 的 方 向 和 大 小 進 行 調 節 的 ， 調 節 器 的輸 出 與 差 值 對 于 時 間 的 導 數 成 正 比 ， 微 分 環 節 只 能 起 到 輔 助 的 調 節 作 用 ， 它可 以 與 其 他 調 節 結 合 成 PD 和 PID 調 節 。。。它 的 好 處 是 可 以 根 據 被 調 節 量（ 差值 ） 的 變 化 速 度 來 進 行 調 節 ， 而 不 要 等 到 出 現 了 很 大 的 偏 差 后 才 開 始 動 作 ，其 實 就 是 賦 予 了 調 節 器 以 某 種 程 度 上 的 預 見 性 ， 可 以 增 加 系 統 對 微 小 變 化 的響 應 特 性 。

伺 服 的 電 流 環 的 PID 常 數 一 般 都 是 在 驅 動 器 內 部 設 定 好 的 ， 操 作 使 用 者 不 需要 更 改 。

速 度 環 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 進 行 合 適 的 調 節 才 能 達 到 理 想 效 果 。

位 置 環 主 要 進 行 P（ 比 例 ） 調 節 。。。 對 此 我 們 只 要 設 定 位 置 環 的 比 例 增益 就 好 了 。

位 置 環 、 速 度 環 的 參 數 調 節 沒 有 什 么 固 定 的 數 值 ， 要 根 據 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 子 慣 量 和 輸 出 慣 量 等 等 很 多 條 件 來 決 定 ， 調 節 的 簡 單 方 法 是 在 根據 外 部 負 載 的 情 況 進 行 大 體 經 驗 的 范 圍 內 將 增 益 參 數 從 小 往 大 調 ， 積 分 時 間常 數 從 大 往 小 調 ， 以 不 出 現 震 動 超 調 的 穩 態 值 為 最 佳 值 進 行 設 定 。

當 進 行 位 置 模 式 需 要 調 節 位 置 環 時 ， 最 好 先 調 節 速 度 環 （ 此 時 位 置 環 的比 例 增 益 設 定 在 經 驗 值 的 最 小 值 ）， 調 節 速 度 環 穩 定 后 ， 在 調 節 位 置 環 增 益 ，適 量 逐 步 增 加 ， 位 置 環 的 響 應 最 好 比 速 度 環 慢 一 點 ， 不 然 也 容 易 出 現 速 度 震蕩 。