伺服壓力機系統(tǒng)組成、概述與控制原理（三環(huán)控制）

伺服壓力機系統(tǒng)既可以是開環(huán)控制方式，也可以是閉環(huán)控制方式。本文按后者敘述。

一、伺服壓力機系統(tǒng)簡述

伺服壓力機系統(tǒng)（servomechanism）指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達到對一個機械系統(tǒng)的位置、速度和加速度的控制。

一個伺服壓力機系統(tǒng)的構(gòu)成包括被控對象、執(zhí)行器和控制器（負載、伺服電動機和功率放大器、控制器和反饋裝置）。

執(zhí)行器的功能在于提供被控對象的動力，其構(gòu)成主要包括伺服電動機和功率放大器，伺服電動機包括反饋裝置如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器或光柵等（位置傳感器）。

控制器的功能在于提供整個伺服壓力機系統(tǒng)的閉環(huán)控制如轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驅(qū)動器通常包括控制器和功率放大器。

反饋裝置除了位置傳感器，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。

下圖為一般工業(yè)用伺服壓力機系統(tǒng)的組成框圖，其中紅色為伺服驅(qū)動器組成部分，黃色為伺服電機組成部分。

“伺服”——詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構(gòu)”當(dāng)成一個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作：在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服壓力機系統(tǒng)。

二、常用參數(shù)

1、伺服電機銘牌參數(shù)

法蘭尺寸

電機極對數(shù)

電機額定輸出功率

電源電壓規(guī)格：單相/三相

電機慣量：分為大、中、小慣量，指的是轉(zhuǎn)子本身的慣量，從響應(yīng)角度來講，電機的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)小為好；從負載角度來看，電機的轉(zhuǎn)自慣量越大越好

電機出軸類型：鍵槽、扁平軸、光軸、減速機適配…

電機動力線定義：U: RED V：BLACK W: WHITE

額定轉(zhuǎn)速

編碼器線數(shù)：2500/1250/1000/17B/20B

法蘭是軸與軸之間相互連接的零件，用于管端之間的連接。

2、伺服驅(qū)動器銘牌參數(shù)

額定輸出功率

電源電壓規(guī)格

編碼器線數(shù)

3、伺服壓力機系統(tǒng)的性能指標(biāo)

檢測誤差：包括給定位置傳感器和反饋位置傳感器的誤差，傳感器本身固有，無法克服；

系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)類型決定了系統(tǒng)誤差。

只要p+q>0，對階躍輸入信號就有足夠的跟蹤能力；對于速度輸入信號,I型系統(tǒng)跟蹤能力大幅削弱，跟隨誤差與開環(huán)傳遞函數(shù)的比例系數(shù)成反比，II型仍具有優(yōu)良跟蹤能力；對于加速度輸入信號，僅II型系統(tǒng)能勉強跟隨。

三、伺服電機相關(guān)

1、伺服電機的選型

系統(tǒng)精度：需綜合考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、電動機類型、轉(zhuǎn)矩抖動等

電動機功率：負載方式及大小計算輸出力矩

電動轉(zhuǎn)速

選配剎車：剎車用來在電機停止時候鎖定位置，不讓電機由于外力作用發(fā)生運動；并非在運行時剎車。

過載能力

2、伺服電機的反饋裝置/電機轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)

伺服壓力機系統(tǒng)常用的檢測元件以光電編碼器最為常見。

編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。

增量式：每轉(zhuǎn)過單位的角度就發(fā)出一個脈沖信號

絕對式：就是對應(yīng)一圈，每個基準(zhǔn)的角度發(fā)出一個唯一與該角度對應(yīng)二進制的數(shù)值，通過外部記圈器件可以進行多個位置的記錄和測量

編碼器和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，它的采樣來自于電機的轉(zhuǎn)動。

編碼器線數(shù)：即編碼器分辨率，也即一轉(zhuǎn)所發(fā)出的脈沖數(shù)，例如2500線表示轉(zhuǎn)一圈需要發(fā)送2500個脈沖，這說明伺服電機轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)是固定的，且與電機自帶編碼器參數(shù)相關(guān)。

可以發(fā)現(xiàn)線數(shù)有兩種，一種類似2500線、1600線等，一種為17位（17B）、20位（20B）等。前者為增量式編碼器線數(shù)，后者為絕對式編碼器線數(shù)，17B表示一轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)為2^17即131 072個脈沖。

四、伺服驅(qū)動器控制原理

運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)和位置環(huán)。

伺服的控制方式有3種，分別是位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。

1、轉(zhuǎn)矩控制（電流環(huán)/單環(huán) 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)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。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)值來實現(xiàn)。主要應(yīng)用于需要嚴格控制轉(zhuǎn)矩的場合，在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。

單環(huán)控制難以滿足伺服壓力機系統(tǒng)的動態(tài)要求，一般不采用。

2、速度控制（速度環(huán)、電流環(huán)/雙環(huán) 控制）：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制。速度控制包含了速度環(huán)和電流環(huán)。任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的跟本。

3、位置控制（三環(huán)控制）：伺服中最常用的控制。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(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度（類似步進電機），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（外部模擬量的輸入）。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(yīng)用于定位裝置。

位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有 3 個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng)運算量最大，動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

轉(zhuǎn)矩控制：是指伺服驅(qū)動器僅對電機的轉(zhuǎn)矩進行控制

速度控制：是指驅(qū)動器僅對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行控制

位置控制：是指驅(qū)動器對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩進行控制

圖片

APR——位置調(diào)節(jié)器；ASR——速度調(diào)節(jié)器；ACR——電流調(diào)節(jié)器

4、三環(huán)就是3個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

第一環(huán)為電流環(huán)，最內(nèi)環(huán)。此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進行，其PID常數(shù)已被設(shè)定，無需更改。電流環(huán)的輸入是速度環(huán)PID調(diào)節(jié)后的輸出，電流環(huán)的輸出就是電機的每相的相電流。**電流環(huán)的功能為對輸入值和電流環(huán)反饋值的差值進行PD/PID調(diào)節(jié)。**電流環(huán)的反饋來自于驅(qū)動器內(nèi)部每相的霍爾元件。電流閉環(huán)控制可以抑制起、制動電流，加速電流的響應(yīng)過程。

第二環(huán)為速度環(huán)，中環(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。**電流環(huán)的功能為對輸入值和速度環(huán)反饋值的差值進行PI調(diào)節(jié)。**速度環(huán)的反饋來自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過“速度運算器”的計算后得到的。

第三環(huán)為位置環(huán)，最外環(huán)。位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖。**位置環(huán)的功能為對輸入值和位置環(huán)反饋值的差值進行P調(diào)節(jié)。**位置環(huán)的反饋來自于編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過“偏差計數(shù)器”的計算后得到的。位置調(diào)節(jié)器APR其輸出限幅值是電流的最大值，決定著電動機的最高轉(zhuǎn)速。

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，由很多因素決定。

多環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設(shè)計各環(huán)調(diào)節(jié)器，使每個控制環(huán)都是穩(wěn)定的，從而保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；每個環(huán)節(jié)都有自己的控制對象，分工明確，易于調(diào)整。這種設(shè)計的缺點在于對最外環(huán)控制作用的響應(yīng)不會很快

5、伺服壓力機系統(tǒng)的增益參數(shù)

按照設(shè)備需求選擇，選擇好合適的控制模式后，需要對伺服增益參數(shù)進行合理的調(diào)整。使得伺服驅(qū)動器能快速、準(zhǔn)確的驅(qū)動電機，最大限度發(fā)揮機械性能。伺服增益通過多個參數(shù)進行調(diào)整，它們之間會相互影響。

位置比例增益：設(shè)置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈沖條件下，位置滯后量越小。但數(shù)值太大可能會引起振蕩或超調(diào)；

位置前饋增益：位置環(huán)的前饋增益大，控制系統(tǒng)的高速響應(yīng)特性提高，但會使系統(tǒng)的位置不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振蕩；

速度比例增益：設(shè)置值越大，增益越高，剛度越大，相同頻率指令脈沖條件下，速度滯后量越小。但數(shù)值太大可能會引起振蕩或超調(diào)；

速度積分時間常數(shù)：設(shè)置值越小，積分速度越快。

速度反饋濾波因子：數(shù)值越大，截止頻率越低，電機產(chǎn)生的噪音越小；數(shù)值越小，截止頻率越高，速度反饋響應(yīng)越快。

最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置

五、伺服壓力機系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)伺服電動機的種類，伺服壓力機系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類。采用電流閉環(huán)控制后，二者具有相同的控制對象數(shù)學(xué)模型。因此可用相同的方法設(shè)計交流或直流伺服壓力機系統(tǒng)。

對于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，常用串聯(lián)校正或并聯(lián)校正方式進行動態(tài)性能的調(diào)節(jié)。校正裝置串聯(lián)配置在前向通道的校正方式稱為串聯(lián)校正，一般把串聯(lián)校正單元稱作調(diào)節(jié)器，所以又稱調(diào)節(jié)器校正；若校正裝置與前向通道并行，稱為并聯(lián)校正。

調(diào)節(jié)器校正：常用的調(diào)節(jié)器有PD調(diào)節(jié)器、PI調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器。設(shè)計中根據(jù)實際伺服壓力機系統(tǒng)的特征進行選擇。

六、系統(tǒng)接線及面板設(shè)置

此處僅作概述。

系統(tǒng)接線

面板設(shè)置

七、伺服電動機與其它電動機的辨析

1、伺服電動機與普通電動機的區(qū)別

普通電動機（有刷）多運行于開環(huán)控制，伺服電動機運行于閉環(huán)控制。

伺服電動機動態(tài)性高

伺服電動機啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬

伺服電動機結(jié)構(gòu)緊湊

伺服電動機定子散熱方便

2、伺服電動機與舵機的區(qū)別

舵機相當(dāng)于簡化版的完整的伺服壓力機系統(tǒng)。

伺服電機都是三環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)；舵機只檢測位置環(huán)（一般用電位器）。

3、伺服電動機與步進電動機的區(qū)別

步進電機多運行于開環(huán)控制，伺服電動機運行于閉環(huán)控制。（使用步進電機的場合，要么不需要位置反饋，要么在其他設(shè)備上進行位置反饋）

伺服電機控制精度和定位高于步進電機

伺服電機低頻特性好，過載能力大，響應(yīng)時間短

伺服電機調(diào)速范圍大于步進電動機

步進電機只能接受脈沖信號，二私服電動機可以接受模擬信號、脈沖信號和總線通信信號

伺服電機和步進電機常被搞混，二者外形相似，區(qū)別點在于伺服電機尾部的反饋裝置；此外步進電機一般都是一個引出線端，伺服電機由于帶編碼器所以有2個引線輸出端（編碼線和動力線）。