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【雷賽智能 | 頭條】伺服系統(tǒng)組成、概述與控制原理（三環(huán)控制）

2020-10-23新聞

伺服系統(tǒng)既可以是開(kāi)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、伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)述

伺服系統(tǒng)（servomechanism）指經(jīng)由閉環(huán)控制方式達(dá)到對(duì)一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的位置、速度和加速度的控制。
一個(gè)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成包括被控對(duì)象、執(zhí)行器和控制器（負(fù)載、伺服電動(dòng)機(jī)和功率放大器、控制器和反饋裝置）。

  1. 執(zhí)行器的功能在于提供被控對(duì)象的動(dòng)力，其構(gòu)成主要包括伺服電動(dòng)機(jī)和功率放大器，伺服電動(dòng)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）。

  2. 控制器的功能在于提供整個(gè)伺服系統(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(dòng)器通常包括控制器和功率放大器。

  3. 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)用伺服系統(tǒng)的組成框圖，其中紅色為伺服驅(qū)動(dòng)器組成部分，黃色為伺服電機(jī)組成部分。
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“伺服”——詞源于希臘語(yǔ)“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(hào)的要求而動(dòng)作：在訊號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；訊號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)訊號(hào)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——伺服系統(tǒng)。

二、常用參數(shù)

1、伺服電機(jī)銘牌參數(shù)

  1. 法蘭尺寸
  2. 電機(jī)極對(duì)數(shù)
  3. 電機(jī)額定輸出功率
  4. 電源電壓規(guī)格：?jiǎn)蜗?三相
  5. 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(lái)講，電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)小為好；從負(fù)載角度來(lái)看，電機(jī)的轉(zhuǎn)自慣量越大越好
  6. 電機(jī)出軸類(lèi)型：鍵槽、扁平軸、光軸、減速機(jī)適配…
  7. 電機(jī)動(dòng)力線定義：U: RED V：BLACK W: WHITE
  8. 額定轉(zhuǎn)速
  9. 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(dòng)器銘牌參數(shù)

  1. 額定輸出功率
  2. 電源電壓規(guī)格
  3. 編碼器線數(shù)

3、伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)

  1. 檢測(cè)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(wú)法克服；
  2. 系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)類(lèi)型決定了系統(tǒng)誤差。
    只要p+q>0，對(duì)階躍輸入信號(hào)就有足夠的跟蹤能力；對(duì)于速度輸入信號(hào),I型系統(tǒng)跟蹤能力大幅削弱，跟隨誤差與開(kāi)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(duì)于加速度輸入信號(hào)，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

  1. 系統(tǒng)精度：需綜合考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電動(dòng)機(jī)類(lèi)型、轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)等
  2. 電動(dòng)機(jī)功率：負(fù)載方式及大小計(jì)算輸出力矩
  3. 電動(dòng)轉(zhuǎn)速
  4. 選配剎車(chē)：剎車(chē)用來(lái)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(dòng)；并非在運(yùn)行時(shí)剎車(chē)。
  5. 過(guò)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)

伺服系統(tǒng)常用的檢測(cè)元件以光電編碼器最為常見(jiàn)。
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編碼器（encoder）是將信號(hào)（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(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。
根據(jù)檢測(cè)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(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。
增量式：每轉(zhuǎn)過(guò)單位的角度就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)
絕對(duì)式：就是對(duì)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(duì)應(yīng)二進(jìn)制的數(shù)值，通過(guò)外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)位置的記錄和測(cè)量

編碼器和電流環(huán)沒(méi)有任何聯(lián)系，它的采樣來(lái)自于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(shuō)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(lèi)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(duì)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(dòng)器控制原理

運(yùn)動(dòng)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(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要應(yīng)用于需要嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合，在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。
單環(huán)控制難以滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)的動(dòng)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(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)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)是控制的根本。
　　
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(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度（類(lèi)似步進(jìn)電機(jī)），也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)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(duì)速度和位置都有很?chē)?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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

轉(zhuǎn)矩控制：是指伺服驅(qū)動(dòng)器僅對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制
速度控制：是指驅(qū)動(dòng)器僅對(duì)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(dòng)器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制

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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(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，其PID常數(shù)已被設(shè)定，無(wú)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(duì)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(lái)自于驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流，加速電流的響應(yīng)過(guò)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(duì)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(lái)自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過(guò)“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(duì)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(lái)自于編碼器反饋的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)“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(dòng)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(méi)有什么固定的數(shù)值，由很多因素決定。
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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(duì)象，分工明確，易于調(diào)整。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于對(duì)最外環(huán)控制作用的響應(yīng)不會(huì)很快

5、伺服系統(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(duì)伺服增益參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整。使得伺服驅(qū)動(dòng)器能快速、準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最大限度發(fā)揮機(jī)械性能。伺服增益通過(guò)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，它們之間會(huì)相互影響。

  1. 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(huì)引起振蕩或超調(diào)；
  2. 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(huì)使系統(tǒng)的位置不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振蕩；
  3. 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(huì)引起振蕩或超調(diào)；
  4. 速度積分時(shí)間常數(shù)：設(shè)置值越小，積分速度越快。
  5. 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??；數(shù)值越小，截止頻率越高，速度反饋?lái)憫?yīng)越快。
  6. 最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置

五、伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)，伺服系統(tǒng)可分為直流和交流兩大類(lèi)。采用電流閉環(huán)控制后，二者具有相同的控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型。因此可用相同的方法設(shè)計(jì)交流或直流伺服系統(tǒng)。
對(duì)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(dòng)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(chēng)為串聯(lián)校正，一般把串聯(lián)校正單元稱(chēng)作調(diào)節(jié)器，所以又稱(chēng)調(diào)節(jié)器校正；若校正裝置與前向通道并行，稱(chēng)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

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面板設(shè)置

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七、伺服電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)的辨析

1、伺服電動(dòng)機(jī)與普通電動(dòng)機(jī)的區(qū)別

  1. 普通電動(dòng)機(jī)（有刷）多運(yùn)行于開(kāi)環(huán)控制，伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于閉環(huán)控制。
  2. 伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性高
  3. 伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬
  4. 伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊
  5. 伺服電動(dòng)機(jī)定子散熱方便

2、伺服電動(dòng)機(jī)與舵機(jī)的區(qū)別

舵機(jī)相當(dāng)于簡(jiǎn)化版的完整的伺服系統(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(cè)位置環(huán)（一般用電位器）。

3、伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的區(qū)別

  1. 步進(jìn)電機(jī)多運(yùn)行于開(kāi)環(huán)控制，伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于閉環(huán)控制。（使用步進(jìn)電機(jī)的場(chǎng)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）
  2. 伺服電機(jī)控制精度和定位高于步進(jìn)電機(jī)
  3. 伺服電機(jī)低頻特性好，過(guò)載能力大，響應(yīng)時(shí)間短
  4. 伺服電機(jī)調(diào)速范圍大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
  5. 步進(jìn)電機(jī)只能接受脈沖信號(hào)，而伺服電動(dòng)機(jī)可以接受模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)和總線通信信號(hào)
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(dòng)力線）。