伺服壓力機(jī)系統(tǒng)組成、概述與控制原理（三環(huán)控制）

伺服壓力機(jī)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(jī)系統(tǒng)簡述

伺服壓力機(jī)系統(tǒng)（servomechanism）指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達(dá)到對一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的位置、速度和加速度的控制,。

一個(gè)伺服壓力機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成包括被控對象,、執(zhí)行器和控制器（負(fù)載、伺服電動機(jī)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(jī)和功率放大器,，伺服電動機(jī)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(gè)伺服壓力機(jī)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(jī)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(jī)組成部分,。

“伺服”——詞源于希臘語“奴隸”的意思,。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)成一個(gè)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(shí)自行停轉(zhuǎn),。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服壓力機(jī)系統(tǒng),。

二,、常用參數(shù)

1、伺服電機(jī)銘牌參數(shù)

法蘭尺寸

電機(jī)極對數(shù)

電機(jī)額定輸出功率

電源電壓規(guī)格：單相/三相

電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)小為好；從負(fù)載角度來看,，電機(jī)的轉(zhuǎn)自慣量越大越好

電機(jī)出軸類型：鍵槽,、扁平軸、光軸,、減速機(jī)適配…

電機(jī)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(jī)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(qiáng)跟隨,。

三,、伺服電機(jī)相關(guān)

1、伺服電機(jī)的選型

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

電動機(jī)功率：負(fù)載方式及大小計(jì)算輸出力矩

電動轉(zhuǎn)速

選配剎車：剎車用來在電機(jī)停止時(shí)候鎖定位置，不讓電機(jī)由于外力作用發(fā)生運(yùn)動,；并非在運(yùn)行時(shí)剎車,。

過載能力

2、伺服電機(jī)的反饋裝置/電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)

伺服壓力機(jī)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(jìn)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(gè)脈沖信號

絕對式：就是對應(yīng)一圈，每個(gè)基準(zhǔn)的角度發(fā)出一個(gè)唯一與該角度對應(yīng)二進(jìn)制的數(shù)值,，通過外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)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(jī)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(gè)脈沖，這說明伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)是固定的,，且與電機(jī)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(gè)脈沖,。

四,、伺服驅(qū)動器控制原理

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)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(jī)軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小,?？梢酝ㄟ^即時(shí)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)。主要應(yīng)用于需要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)矩的場合,，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。

單環(huán)控制難以滿足伺服壓力機(jī)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(jìn)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(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度（類似步進(jìn)電機(jī)），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（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(yán)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(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(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制

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

位置控制：是指驅(qū)動器對電機(jī)的轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩進(jìn)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(gè)閉環(huán)負(fù)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(yùn)算器”的計(jì)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(jìn)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(jì)數(shù)器”的計(jì)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(jī)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(jì)方法是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個(gè)設(shè)計(jì)各環(huán)調(diào)節(jié)器,，使每個(gè)控制環(huán)都是穩(wěn)定的,，從而保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；每個(gè)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(jì)的缺點(diǎn)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(jī)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(jìn)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(jī)，最大限度發(fā)揮機(jī)械性能,。伺服增益通過多個(gè)參數(shù)進(jìn)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(shí)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(jī)產(chǎn)生的噪音越?。粩?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(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)伺服電動機(jī)的種類,，伺服壓力機(jī)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(jì)交流或直流伺服壓力機(jī)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(jìn)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(jì)中根據(jù)實(shí)際伺服壓力機(jī)系統(tǒng)的特征進(jìn)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(jī)與其它電動機(jī)的辨析

1,、伺服電動機(jī)與普通電動機(jī)的區(qū)別

普通電動機(jī)（有刷）多運(yùn)行于開環(huán)控制，伺服電動機(jī)運(yùn)行于閉環(huán)控制,。

伺服電動機(jī)動態(tài)性高

伺服電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大,、調(diào)速范圍寬

伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊

伺服電動機(jī)定子散熱方便

2,、伺服電動機(jī)與舵機(jī)的區(qū)別

舵機(jī)相當(dāng)于簡化版的完整的伺服壓力機(jī)系統(tǒng)。

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

3、伺服電動機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)的區(qū)別

步進(jìn)電機(jī)多運(yùn)行于開環(huán)控制,，伺服電動機(jī)運(yùn)行于閉環(huán)控制,。（使用步進(jìn)電機(jī)的場合，要么不需要位置反饋,，要么在其他設(shè)備上進(jìn)行位置反饋）

伺服電機(jī)控制精度和定位高于步進(jìn)電機(jī)

伺服電機(jī)低頻特性好,，過載能力大，響應(yīng)時(shí)間短

伺服電機(jī)調(diào)速范圍大于步進(jìn)電動機(jī)

步進(jìn)電機(jī)只能接受脈沖信號,，二私服電動機(jī)可以接受模擬信號,、脈沖信號和總線通信信號

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