伺服電動(dòng)缸控制方式簡介

伺服電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)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(dòng)功能來選擇。
如果您對(duì)電機(jī)的速度、位置都沒有要求，只要輸出一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然是用轉(zhuǎn)矩模式。
如果對(duì)位置和速度有一定的精度要求，而對(duì)實(shí)時(shí)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(huì)好一點(diǎn)。如果本身要求不是很高，或者，基本沒有實(shí)時(shí)性的要求，用位置控制方式對(duì)上位控制器沒有很高的要求。

就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快；位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。
對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)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(dòng)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(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率（比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對(duì)應(yīng)5Nm的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時(shí)電機(jī)軸輸出為2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）。可以通過即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)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(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)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(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)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(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)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(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

談?wù)勅h(huán)控制：

伺服電機(jī)一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個(gè)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(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。

第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測(cè)的電機(jī)編碼器的信號(hào)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(shí)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(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)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(dòng)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(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

運(yùn)動(dòng)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)。（WINHOO電動(dòng)缸）

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(gè)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(gè)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(dòng)器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件（磁場(chǎng)感應(yīng)變?yōu)殡娏麟妷盒盘?hào)）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(gè)“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(dòng)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(jì)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(hào)經(jīng)過偏差計(jì)數(shù)器的計(jì)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(hào)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(dòng)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(dòng)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?wù)凱ID各自對(duì)差值調(diào)節(jié)對(duì)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(jì)算出。。。增加比例將會(huì)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(hào)的變化速度與差值信號(hào)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(gè)環(huán)節(jié)的正比常數(shù)的比例倒數(shù)我們?cè)谒欧到y(tǒng)里通常叫它為積分時(shí)間常數(shù)，積分時(shí)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(shí)間常數(shù)）將會(huì)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(gè)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(shí)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(duì)于時(shí)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)速度增益和速度積分時(shí)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(duì)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(dòng)連接方式、負(fù)載的運(yùn)動(dòng)方式、負(fù)載慣量、對(duì)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(yàn)的范圍內(nèi)將增益參數(shù)從小往大調(diào)，積分時(shí)間常數(shù)從大往小調(diào)，以不出現(xiàn)震動(dòng)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(shí)，最好先調(diào)節(jié)速度環(huán)（此時(shí)位置環(huán)的比例增益設(shè)定在經(jīng)驗(yàn)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。

    伺服電動(dòng)缸原理：

        （以下以松下伺服為例詳細(xì)解釋各模式概要）

        位置模式控制：