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3伺服系统控制原理

3.1三闭环控制

APR(Automatic Current Regulator)——位置调节器；

ASR(Automatic Speed Regulator)——速度调节器；

ACR(Automatic Voltage Regulator)——电流调节器；

运动伺服一般都是三环控制系统（串级PID），从内到外依次是电流环、速度环和位置环。电流环反应速度Zui快，速度环的反应速度必须高于位置环，否则将会造成电机运转的振动或反映不良，即电流环增益值高于速度环增益值，速度环增益值高于位置环增益值。伺服驱动器的设计可尽量确保电流环具备良好的反应性能，故用户只需调整位置环、速度环的增益即可。

似乎有些产品会将电流环称之为模型环，例如三菱等。

第一环为电流环，Zui内环，此环完全在伺服驱动器内部进行，其PID常数已被设定，无需更改。电流环的输入是速度环PID调节后的输出，电流环的输出就是电机的每相的相电流。电流环的功能为对输入值和电流环反馈值的差值进行PD/PID调节。电流环的反馈来自于驱动器内部每相的霍尔元件。电流闭环控制可以抑制起、制动电流，加速电流的响应过程。

第二环为速度环，中环。速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值。电流环的功能为对输入值和速度环反馈值的差值（即速度差）进行PI调节。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”的计算后得到的。

第三环为位置环，Zui外环。位置环的输入就是外部的脉冲。位置环的功能为对输入值和位置环反馈值的差值（即滞留脉冲）进行P调节。位置环的反馈来自于编码器反馈的脉冲信号经过“偏差计数器”的计算后得到的。位置调节器APR其输出限幅值是电流的Zui大值，决定着电动机的Zui高转速。

位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值，由很多因素决定。

多环控制系统调节器的设计方法是：从内环到外环，逐个设计各环调节器，使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性；每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。这种设计的缺点在于对Zui外环控制作用的响应不会很快。

3.2伺服系统的增益参数调整

按照设备需求选择好合适的控制模式后，需要对伺服增益参数进行合理的调整，使得伺服驱动器能快速、准确的驱动电机，Zui大限度发挥机械性能。伺服增益通过多个参数进行调整，它们之间会相互影响。

关于位置或速度响应频率的选择必须由机台的刚性及应用的场合来决定，一般而言，高频度定位的机台或要求精密加工的机台需要设定较高的响应频率，但设定较高的响应频率容易引发机台的共振，因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机台以避免机械共振。在未知机台的容许响应频率时，可逐步加大增益设定以提高响应频率直到共振音产生时，再调低增益设定值。

1.位置比例增益（KPP）

本参数决定位置回路的应答性，KPP 值设定越大位置回路响应频率越高，对于位置命令的追随性越佳，位置误差量越小，定位整定时间越短，但是过大的设定会造成机台产生抖动或定位会有过冲（Overshoot）的现象。

2.位置前馈增益（PFG）

可降低位置误差量并缩短定位的整定时间，但过大的设定容易造成定位过冲的现象。

3.速度比例增益（KVP）

本参数决定速度控制回路的应答性，KVP 设越大速度回路响应频率越高，对于速度命令的追随性越佳，但是过大的设定容易引发机械共振。

速度回路的响应频率必须比位置回路的响应频率高 4~6 倍，当位置响应频率比速度响应频率高时，机台会产生抖动

或定位会有过冲（Overshoot）的现象。

4.速度积分时间常数（KVI）

KVI 越大对固定偏差消除能力越佳，过大的设定容易引发机台的抖动。

3.3控制方式

伺服的控制方式有3种，分别是位置控制、速度控制和转矩控制。不同控制方式下执行的环控制有所不同。

转矩控制：是指伺服驱动器仅对电机的转矩进行控制

速度控制：是指驱动器仅对电机的转速和转矩进行控制

位置控制：是指驱动器对电机的转速、转角和转矩进行控制

1、转矩控制（电流环/单环 控制）：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。主要应用于需要严格控制转矩的场合，在转矩模式下驱动器的运算Zui小，动态响应Zui快。

单环控制难以满足伺服系统的动态要求，一般不采用。

2、速度控制（速度环、电流环/双环 控制）：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制。速度控制包含了速度环和电流环。任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的跟本。

3、位置控制（三环控制）：伺服中Zui常用的控制。位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度（称之为脉冲伺服）；也有些伺服可以通过总线通讯方式直接对速度和位移进行赋值（称之为总线伺服）。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。

位置控制模式下系统进行了所有 3 个环的运算，此时的系统运算量Zui大，动态响应速度也Zui慢。