伺服電機(jī)PID三環(huán)對伺服控制的影響

伺服電機(jī)的控制模式詳解

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）。可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。

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，增加整個系統(tǒng)的定位精度。

4.全閉環(huán)控制模式

全閉環(huán)控制是相對于半閉環(huán)控制而言的。

首先我們來了解下半閉環(huán)控制，半閉環(huán)是指數(shù)控系統(tǒng)或 PLC發(fā)出速脈沖指令。伺服接受指令，然后執(zhí)行，在執(zhí)行的過程中，伺服本身的編碼器進(jìn)行位置反饋給伺服，伺服自己進(jìn)行偏差修正，伺服本身誤差可避免，但是機(jī)械誤差無法避免，因?yàn)?a target="_blank">控制系統(tǒng)不知道實(shí)際的位置。而全閉環(huán)是指伺服接受上位控制器發(fā)出速度可控的脈沖指令，伺服接受信號執(zhí)行，執(zhí)行的過程中，在機(jī)械裝置上有位置反饋的裝置，直接反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過比較，判斷出與實(shí)際偏差，給伺服指令，進(jìn)行偏差修正，這樣控制系統(tǒng)通過頻率可控的脈沖信號完成伺服的速度環(huán)控制， 然后又通過位置傳感器（光柵尺、編碼器）完成伺服的位置環(huán)控制，這種把伺服電機(jī)、運(yùn)動控制器、位置傳感器三者有機(jī)的結(jié)合在一起的控制模式稱之為全閉環(huán)控制。

伺服電機(jī)PID三環(huán)對伺服控制的影響

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)。從內(nèi)向外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。

1. 電流環(huán)：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。

2. 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。

3. 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。

三環(huán)的增益調(diào)整

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?yōu)殡娏麟妷盒盘枺┓答伣o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。

PID控制的概念

PID 是控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，指控制方式，指輸出與輸入之間的響應(yīng)方式，英文字母比例（P）、積分（I）、微分（D）。

PID 控制把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進(jìn)行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值， 這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運(yùn)算不同，PID 控制可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值， 這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定簡單來說 PID 控制就是反饋控制 通過測量關(guān)心的變量與期望值比較，然后用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

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(yàn)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(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。

增益調(diào)整的原則及注意事項(xiàng)

松下和三菱伺服都有自動增益功能。通常下都應(yīng)該設(shè)置成自動增益。不需要特別去調(diào)整了。但也有一些伺服需要手工調(diào)整。手工調(diào)整時需注意以下幾點(diǎn)位置環(huán)是調(diào)整靜態(tài)增益的，速度環(huán)是調(diào)整動態(tài)增益的。

簡單講就是，在馬達(dá)停止的時候調(diào)整位置環(huán)，在馬達(dá)運(yùn)行時候調(diào)整速度環(huán)。

位置環(huán)增益，提高位置響應(yīng)的速度，也就是說找到位置的快慢，增益越高達(dá)到目標(biāo)的時間越短，不是速度的關(guān)系，閉環(huán)系統(tǒng)在最后定位結(jié)束的地方是個高速震蕩的過程，在目標(biāo)值附近快速震蕩，最后找到目標(biāo)。增益高，這個震蕩結(jié)束就快，這個是伺服電機(jī)的重要性能指標(biāo)之一。

速度環(huán)增益當(dāng)然就是對應(yīng)速度，達(dá)到目標(biāo)速度的性能。

看起來增益是越高越好，實(shí)際操作不是這樣，伺服系統(tǒng)增益過高會帶來共振，產(chǎn)生巨大的噪聲，造成電機(jī)猛烈的震動。建議把增益調(diào)得盡量低。馬達(dá)就不會亂叫了。因?yàn)榇蟛糠秩耸褂盟欧臅r候，都不需要很高的響應(yīng)。只需要保證馬達(dá)不發(fā)生共振就行了。

過高的增益還會帶來超速，過載，過流等等的問題。因?yàn)槔硐氲挠嬎阒蹬c實(shí)際電機(jī)的能力還是有差距的， 包括電子元件的電流負(fù)荷能力和響應(yīng)能力等等。

編輯：黃飛

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