伺服電動缸控制方式簡介

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

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

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

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

如 果 對 位 置 和 速 度 有 一 定 的 精 度 要 求 ， 而 對 實(shí) 時 轉(zhuǎn) 矩 不 是 很 關(guān) 心 ， 用 轉(zhuǎn)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(huán) 控 制 功 能 ， 用 速 度 控 制 效 果 會 好 一 點(diǎn) 。 如 果 本 身 要 求 不 是 很 高 ， 或 者 ， 基本 沒 有 實(shí) 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(qū) 動 器 的 響 應(yīng) 速 度 來 看 ， 轉(zhuǎn) 矩 模 式 運(yùn) 算 量 最 小 ， 驅(qū) 動 器 對 控 制 信 號 的響 應(yīng) 最 快 ； 位 置 模 式 運(yùn) 算 量 最 大 ， 驅(qū) 動 器 對 控 制 信 號 的 響 應(yīng) 最 慢 。

對 運(yùn) 動 中 的 動 態(tài) 性 能 有 比 較 高 的 要 求 時 ， 需 要 實(shí) 時 對 電 機(jī) 進(jìn) 行 調(diào) 整 。那么 如 果 控 制 器 本 身 的 運(yùn) 算 速 度 很 慢（ 比 如 PLC ，或 低 端 運(yùn) 動 控 制 器 ），就 用 位置 方 式 控 制 。 如 果 控 制 器 運(yùn) 算 速 度 比 較 快 ， 可 以 用 速 度 方 式 ， 把 位 置 環(huán) 從 驅(qū)動 器 移 到 控 制 器 上 ， 減 少 驅(qū) 動 器 的 工 作 量 ， 提 高 效 率 （ 比 如 大 部 分 中 高 端 運(yùn)動 控 制 器 ）；如 果 有 更 好 的 上 位 控 制 器 ，還 可 以 用 轉(zhuǎn) 矩 方 式 控 制 ，把 速 度 環(huán) 也從 驅(qū) 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(jī) 。

換 一 種 說 法 是 ：

1、 轉(zhuǎn) 矩 控 制 ： 轉(zhuǎn) 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(shè) 定 電 機(jī) 軸 對 外 的 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 的 大 小 ，具 體 表 現(xiàn) 為 例 如 10V 對 應(yīng) 5Nm 的 話 ，當(dāng) 外 部 模 擬 量 設(shè) 定 為 5V 時 電 機(jī) 軸 輸 出 為 2.5Nm: 如 果 電 機(jī) 軸 負(fù) 載 低 于 2.5Nm時 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn) ， 外 部 負(fù) 載 等 于 2.5Nm 時 電 機(jī) 不 轉(zhuǎn) ， 大 于 2.5Nm 時 電 機(jī) 反 轉(zhuǎn) （ 通常 在 有 重 力 負(fù) 載 情 況 下 產(chǎn) 生 ）?？?以 通 過 即 時 的 改 變 模 擬 量 的 設(shè) 定 來 改 變 設(shè) 定的 力 矩 大 小 ， 也 可 通 過 通 訊 方 式 改 變 對 應(yīng) 的 地 址 的 數(shù) 值 來 實(shí) 現(xiàn) 。 應(yīng) 用 主 要 在對 材 質(zhì) 的 受 力 有 嚴(yán) 格 要 求 的 纏 繞 和 放 卷 的 裝 置 中 ， 例 如 饒 線 裝 置 或 拉 光 纖 設(shè)備 ， 轉(zhuǎn) 矩 的 設(shè) 定 要 根 據(jù) 纏 繞 的 半 徑 的 變 化 隨 時 更 改 以 確 保 材 質(zhì) 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(zhuǎn)動 速 度 的 大 小 ， 通 過 脈 沖 的 個 數(shù) 來 確 定 轉(zhuǎn) 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(jìn) 行 賦 值 。 由 于 位 置 模 式 可 以 對 速 度 和 位 置 都 有 很嚴(yán) 格 的 控 制 ， 所 以 一 般 應(yīng) 用 于 定 位 裝 置 。 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 如 數(shù) 控 機(jī) 床 、 印 刷 機(jī) 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(jìn) 行 轉(zhuǎn) 動 速 度 的 控制 ， 在 有 上 位 控 制 裝 置 的 外 環(huán) PID 控 制 時 速 度 模 式 也 可 以 進(jìn) 行 定 位 ， 但 必 須把 電 機(jī) 的 位 置 信 號 或 直 接 負(fù) 載 的 位 置 信 號 給 上 位 反 饋 以 做 運(yùn) 算 用 。 位 置 模 式也 支 持 直 接 負(fù) 載 外 環(huán) 檢 測 位 置 信 號 ， 此 時 的 電 機(jī) 軸 端 的 編 碼 器 只 檢 測 電 機(jī) 轉(zhuǎn)速 ， 位 置 信 號 就 由 直 接 的 最 終 負(fù) 載 端 的 檢 測 裝 置 來 提 供 了 ， 這 樣 的 優(yōu) 點(diǎn) 在 于可 以 減 少 中 間 傳 動 過 程 中 的 誤 差 ， 增 加 了 整 個 系 統(tǒng) 的 定 位 精 度 。

談 談 三 環(huán) 控 制 ：

伺 服 電 機(jī) 一 般 為 三 個 環(huán) 控 制 ， 所 謂 三 環(huán) 就 是 3 個 閉 環(huán) 負(fù) 反 饋 PID 調(diào) 節(jié) 系統(tǒng) 。

最 內(nèi) 的 PID 環(huán) 就 是 電 流 環(huán) ， 此 環(huán) 完 全 在 伺 服 驅(qū) 動 器 內(nèi) 部 進(jìn) 行 ， 通 過 霍 爾裝 置 檢 測 驅(qū) 動 器 給 電 機(jī) 的 各 相 的 輸 出 電 流 ， 負(fù) 反 饋 給 電 流 的 設(shè) 定 進(jìn) 行 PID 調(diào)節(jié) ，從 而 達(dá) 到 輸 出 電 流 盡 量 接 近 等 于 設(shè) 定 電 流 ，電 流 環(huán) 就 是 控 制 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 的 ，所 以 在 轉(zhuǎn) 矩 模 式 下 驅(qū) 動 器 的 運(yùn) 算 最 小 ， 動 態(tài) 響 應(yīng) 最 快 。

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

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

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

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

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

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

編 碼 器 安 裝 于 伺 服 電 機(jī) 尾 部 ， 它 和 電 流 環(huán) 沒 有 任 何 聯(lián) 系 ， 他 采 樣 來 自 于電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 動 而 不 是 電 機(jī) 電 流 ， 和 電 流 環(huán) 的 輸 入 、 輸 出 、 反 饋 沒 有 任 何 聯(lián) 系 。而 電 流 環(huán) 是 在 驅(qū) 動 器 內(nèi) 部 形 成 的 ， 即 使 沒 有 電 機(jī) ， 只 要 在 每 相 上 安 裝 模 擬 負(fù)載 （ 例 如 電 燈 泡 ） 電 流 環(huán) 就 能 形 成 反 饋 工 作 。

談 談 PID 各 自 對 差 值 調(diào) 節(jié) 對 系 統(tǒng) 的 影 響 ：

1、 單 獨(dú) 的 P（ 比 例 ） 就 是 將 差 值 進(jìn) 行 成 比 例 的 運(yùn) 算 ， 它 的 顯 著 特 點(diǎn) 就 是有 差 調(diào) 節(jié) ， 有 差 的 意 義 就 是 調(diào) 節(jié) 過 程 結(jié) 束 后 ， 被 調(diào) 量 不 可 能 與 設(shè) 定 值 準(zhǔn) 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(guān) 系 計 算 出 。。。 增 加比 例 將 會 有 效 減 小 殘 差 并 增 加 系 統(tǒng) 響 應(yīng) ， 但 容 易 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 激 烈 震 蕩 甚 至 不 穩(wěn)定 。

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

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

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

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

速 度 環(huán) 主 要 進(jìn) 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(shù) 進(jìn) 行 合 適 的 調(diào) 節(jié) 才 能 達(dá) 到 理 想 效 果 。

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

位 置 環(huán) 、 速 度 環(huán) 的 參 數(shù) 調(diào) 節(jié) 沒 有 什 么 固 定 的 數(shù) 值 ， 要 根 據(jù) 外 部 負(fù) 載 的 機(jī)械 傳 動 連 接 方 式 、 負(fù) 載 的 運(yùn) 動 方 式 、 負(fù) 載 慣 量 、 對 速 度 、 加 速 度 要 求 以 及 電機(jī) 本 身 的 轉(zhuǎn) 子 慣 量 和 輸 出 慣 量 等 等 很 多 條 件 來 決 定 ， 調(diào) 節(jié) 的 簡 單 方 法 是 在 根據(jù) 外 部 負(fù) 載 的 情 況 進(jìn) 行 大 體 經(jīng) 驗 的 范 圍 內(nèi) 將 增 益 參 數(shù) 從 小 往 大 調(diào) ， 積 分 時 間常 數(shù) 從 大 往 小 調(diào) ， 以 不 出 現(xiàn) 震 動 超 調(diào) 的 穩(wěn) 態(tài) 值 為 最 佳 值 進(jìn) 行 設(shè) 定 。

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