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”當成一個得心應手的馴服工具，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，從響應角度來講，電機的轉(zhuǎn)子慣量應小為好；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

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

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備。

根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。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：就是對應一圈，每個基準的角度發(fā)出一個唯一與該角度對應二進制的數(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。

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定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。主要應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)器的設計方法是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設計各環(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。這種設計的缺點在于對最外環(huán)控制作用的響應不會很快

5、伺服壓力機系統(tǒng)的增益參數(shù)

按照設備需求選擇，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??；數(shù)值越小，截止頻率越高，速度反饋響應越快。

最大輸出轉(zhuǎn)矩設置

五、伺服壓力機系統(tǒng)的設計

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)學模型。因此可用相同的方法設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)接線及面板設置

此處僅作概述。

系統(tǒng)接線

面板設置

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

伺服電動機結構緊湊

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）。