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3伺服系統控制原理

3.1三閉環控制

APR(Automatic Current Regulator)——位置調節器；

ASR(Automatic Speed Regulator)——速度調節器；

ACR(Automatic Voltage Regulator)——電流調節器；

運動伺服一般都是三環控制系統（串級PID），從內到外依次是電流環、速度環和位置環。電流環反應速度Zui快，速度環的反應速度必須高于位置環，否則將會造成電機運轉的振動或反映不良，即電流環增益值高于速度環增益值，速度環增益值高于位置環增益值。伺服驅動器的設計可盡量確保電流環具備良好的反應性能，故用戶只需調整位置環、速度環的增益即可。

似乎有些產品會將電流環稱之為模型環，例如三菱等。

第一環為電流環，Zui內環，此環完全在伺服驅動器內部進行，其PID常數已被設定，無需更改。電流環的輸入是速度環PID調節后的輸出，電流環的輸出就是電機的每相的相電流。電流環的功能為對輸入值和電流環反饋值的差值進行PD/PID調節。電流環的反饋來自于驅動器內部每相的霍爾元件。電流閉環控制可以抑制起、制動電流，加速電流的響應過程。

第二環為速度環，中環。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。電流環的功能為對輸入值和速度環反饋值的差值（即速度差）進行PI調節。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”的計算后得到的。

第三環為位置環，Zui外環。位置環的輸入就是外部的脈沖。位置環的功能為對輸入值和位置環反饋值的差值（即滯留脈沖）進行P調節。位置環的反饋來自于編碼器反饋的脈沖信號經過“偏差計數器”的計算后得到的。位置調節器APR其輸出限幅值是電流的Zui大值，決定著電動機的Zui高轉速。

位置環、速度環的參數調節沒有什么固定的數值，由很多因素決定。

多環控制系統調節器的設計方法是：從內環到外環，逐個設計各環調節器，使每個控制環都是穩定的，從而保證整個控制系統的穩定性；每個環節都有自己的控制對象，分工明確，易于調整。這種設計的缺點在于對Zui外環控制作用的響應不會很快。

3.2伺服系統的增益參數調整

按照設備需求選擇好合適的控制模式后，需要對伺服增益參數進行合理的調整，使得伺服驅動器能快速、準確的驅動電機，Zui大限度發揮機械性能。伺服增益通過多個參數進行調整，它們之間會相互影響。

關于位置或速度響應頻率的選擇必須由機臺的剛性及應用的場合來決定，一般而言，高頻度定位的機臺或要求精密加工的機臺需要設定較高的響應頻率，但設定較高的響應頻率容易引發機臺的共振，因此有高響應需求的場合需要剛性較高的機臺以避免機械共振。在未知機臺的容許響應頻率時，可逐步加大增益設定以提高響應頻率直到共振音產生時，再調低增益設定值。

1.位置比例增益（KPP）

本參數決定位置回路的應答性，KPP 值設定越大位置回路響應頻率越高，對于位置命令的追隨性越佳，位置誤差量越小，定位整定時間越短，但是過大的設定會造成機臺產生抖動或定位會有過沖（Overshoot）的現象。

2.位置前饋增益（PFG）

可降低位置誤差量并縮短定位的整定時間，但過大的設定容易造成定位過沖的現象。

3.速度比例增益（KVP）

本參數決定速度控制回路的應答性，KVP 設越大速度回路響應頻率越高，對于速度命令的追隨性越佳，但是過大的設定容易引發機械共振。

速度回路的響應頻率必須比位置回路的響應頻率高 4~6 倍，當位置響應頻率比速度響應頻率高時，機臺會產生抖動

或定位會有過沖（Overshoot）的現象。

4.速度積分時間常數（KVI）

KVI 越大對固定偏差消除能力越佳，過大的設定容易引發機臺的抖動。

3.3控制方式

伺服的控制方式有3種，分別是位置控制、速度控制和轉矩控制。不同控制方式下執行的環控制有所不同。

轉矩控制：是指伺服驅動器僅對電機的轉矩進行控制

速度控制：是指驅動器僅對電機的轉速和轉矩進行控制

位置控制：是指驅動器對電機的轉速、轉角和轉矩進行控制

1、轉矩控制（電流環/單環 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。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。主要應用于需要嚴格控制轉矩的場合，在轉矩模式下驅動器的運算Zui小，動態響應Zui快。

單環控制難以滿足伺服系統的動態要求，一般不采用。

2、速度控制（速度環、電流環/雙環 控制）：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。速度控制包含了速度環和電流環。任何模式都必須使用電流環，電流環是控制的跟本。

3、位置控制（三環控制）：伺服中Zui常用的控制。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（稱之為脈沖伺服）；也有些伺服可以通過總線通訊方式直接對速度和位移進行賦值（稱之為總線伺服）。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。

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Zui大，動態響應速度也Zui慢。