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伺服电机基本概念解析：伺服系统组成及其控制原理
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本文将永久处于维护序列，如您对文章内容有所疑问，还请提出，共同探讨。 -2021.8.25 参考文献 [1] 向晓汉, 宋昕. 变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程[M]. 第1版. 北京:化学工业出版社, 2015b. [2] 梁森, 欧阳三泰, 王侃夫. 自动检测技术及应用[M]. 第3版. 北京:机械工业出版社 此外还参考了一些伺服品牌的使用手册。 原名：伺服系统组成：伺服电机及伺服驱动器概述与控制原理（三环控制） —— 注意：伺服系统既可以是开环控制方式，也可以是闭环控制方式。本文按后者叙述。 1伺服系统简述“伺服（Servo）”——词源于希腊语“奴隶”，意即“伺候”和“服从”。人们想把“伺服机构”当成一个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作：在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统（servomechanism）。 伺服系统指经由闭环控制方式达到对一个机械系统的位置、速度和加速度的控制。 一个伺服系统的构成包括被控对象、执行器和控制器（负载、伺服电动机和功率放大器、控制器和反馈装置）。 执行器的功能在于提供被控对象的动力，其构成主要包括伺服电动机和功率放大器，伺服电动机包括反馈装置如光电编码器、旋转编码器或光栅等（位置传感器）。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭环控制如转矩控制、速度控制、位置控制等，伺服驱动器通常包括控制器和功率放大器。 反馈装置除了位置传感器，可能还需要电压、电流和速度传感器。下图为一般工业用伺服系统的组成框图，其中红色为伺服驱动器组成部分，黄色为伺服电机组成部分。 运动控制（Motion Control，MC）起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。 2伺服电机从基本理论上讲，微特电机与普通电机没有本质区别，其主要作用是完成控制信号的传递和转换，注重高精度和快速响应。微特电机分为驱动微电机和控制电机，驱动微电机在电力拖动系统中作为执行机构使用，伺服电机即为驱动微电机。 2.1伺服电机的反馈装置交流伺服电动机的运行需要角度位置传感器，以确定各个时刻转子磁极相对于定子绕组转过的角度，从而控制电动机的运行。 伺服系统常用的检测元件以光电编码器最为常见。光电编码器在交流伺服电动机控制中起了三个方面的作用： 提供电动机定、转子之间相互位置的数据通过角编码器测速，提供速度反馈信号提供传动系统角位移信号，作为位置反馈信号
编码器（encoder）的转轴与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动，能够将被测轴的角位移转成二进制编码或一串脉冲，对应于绝对式编码器和增量式编码器。 增量式： 每转过单位的角度就发出一个脉冲信号；绝对式： 对应一圈，运动部件的每一运动位置都有一个对应的编码，常以多位二进制码来表示，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。需要注意的是，绝对式编码器有单圈式和多圈式之分： 单圈绝对式仅记录1圈内位置。其光电码盘转动超过360°时，编码器回到原点，因此只能用于旋转范围360°以内的测量；多圈绝对式记录圈数和1圈内位置。旋转圈数可由靠锂电池驱动的寄存器保存，也可采用类似钟表的齿轮结构来记忆圈数，前者被称作“假绝对”，后者则被称之为“真绝对”。 多圈绝对式对圈数存在限制，超出时将产生多圈计数溢出故障（部分伺服产品支持模数模式，则可能对该故障进行屏蔽）。多圈绝对式可作为单圈绝对式使用。绝对式编码器最重要的特点在于具备掉电保持功能，即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的绝对编码数据，且掉电时即使对轴进行移动，相关值也将被记录，但对移动的圈数但存在限制（下述资料取自四门子V90，不确定能否推广至其它品牌）： 单圈绝对式编码器断电后电机移动超过半圈后会导致位置丢失；多圈绝对式编码器断电后电机移动超过2048圈后会导致位置丢失。 从这一角度来说，若搭载单圈绝对式编码器的伺服电机所驱动的机构其行程若超过一圈，则实质效果同增量式编码器无异（都记不住位置）。 编码器和电流环没有任何联系，它的采样来自于电机的转动。 编码器相关名词 编码器线数 即增量式码盘刻线数，其值等于编码器一转所发出的脉冲数，例如2500线表示转一圈需要发送2500个脉冲。这说明伺服电机转一圈所需脉冲数是固定的，且与电机自带编码器参数相关。 严格来讲，伺服电机一转所需上位机发送脉冲数与编码器线数和电子齿轮比有关。编码器位数 其概念来源于绝对式编码器，例如17位（17B）、20位（20B）等，其数值含义见下： 摘自台达PPT，千万注意160000p/r和2^17之间的区别，依据型号不同，一圈所需脉冲数可能为前者，也可能是后者。
p/s or pps : pluse per second 秒脉冲 p/r or ppr : pulse per revolution 每转所需脉冲数 编码器的ABZ相 A相、B相、Z相旋转输出脉冲电压，三相脉冲各自独立，A相和B相脉冲量相等，但是A相和B相之间存在一个90°（电气角的一周期为360°）的电气角相位差，可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转，正转时，A相超前B相90°先进行相位输出，反转时，B相超前A相90°先进行相位输出。Z相为一圈一个脉冲电压。编码器线制： 是与编码器线数完全不同的概念，指编码器接线数，如下图为5线制编码器接线图：
2.2倍频
注意： 只有增量式编码器具备倍频功能。绝对式码盘在任意位置都可给出与位置相对应的数字转角输出量，不存在四倍频的问题。 方波输出有两种，单相编码器输出一相脉冲，正交编码器输出两相相位相差90度的脉冲（在0度、90度、180度、270度相位角,这四个位置有上升沿和下降沿）。 编码器计数的时候可以只记上升沿（无倍频），单相脉冲记上升沿和下降沿（2倍频）；正交脉冲记所有上升沿就是2倍频，记所有上升和下降沿就是4倍频（方波最多只能做到4倍频）。 以正交编码器为例，4倍频的意义在于在1/4T方波周期就可以有方向变化的判断，这样1/4的T周期就是最小测量步距，通过电路对于这些上升沿与下降沿的判断,可以4倍于PPR读取位移的变化,这就是方波的四倍频。这种判断，也可以用逻辑来做，0代表低，1代表高，A/B两相在一个周期内变化是0 0，0 1，1 1，1 0 。这种判断不仅可以4倍频，还可以判断移动方向。 从经济性来讲，采用倍频电路可以有效提高分辨率，而不增加旋转编码器的光栅数，从而减少旋转编码器的制作难度和成本。 举例：如果电机装了一个2500线编码器，则在不倍频的情况下，电机每转一圈可输出2500个脉冲；如果经过4倍频电路处理，则可以得到一圈10000个脉冲的输出，电机一圈为360°，所以每个脉冲代表的位置为360°/10000，相比360°/2500, 分辨率提高4倍。 需要注意的是，四倍频2500线增量式编码器转一圈同样需要输入10000个脉冲。 电机刚性（与柔性相对，刚性亦称作硬度）就是电机轴抗外界力矩干扰的能力，即电机转子的自锁能力。在伺服设置中，可以设定刚性等级，通常根据惯量比以及传动连接方式大致估测。 刚性与响应速度有关，一般情况下，刚性高的机械可通过提高伺服增益来提高响应性能：刚性越强，对应的速度环增益越大，其响应速度也越高，但是过高容易让电机产生共振，无法提高响应性能，其现象为：在定位命令结束后，即使电机本身已经接近静止，机械传动端仍会出现持续摆动。因此有高响应需求的场合需要刚性较高的机械以避免机械共振。注意这里的机械刚性指机械的动态刚性，即机床抵抗受迫振动的能力大小。 在伺服应用中，用联轴器来连接电机和负载，就是刚性连接；而用同步带或者皮带来连接电机和负载，就是柔性连接。 从控制器角度看的话，刚性其实是速度环、位置环和时间积分常数组合成的一个参数组，它的大小决定机械的一个响应速度。 响应时间： 电气系统的响应时间，即给定一个位置、速度、转矩指令，到电机运行至该位置、速度、转矩的时间。 对响应速度和刚性关系的具体解释： 在位置模式下，用力让电机偏转，如果伺服系统的响应速度够快，当伺服系统刚刚检测到偏差就立即输出一个较大的反向力，则电机偏转角度较小，说明伺服系统刚性较强。 机械共振机床上的振动可以视为共振。所谓共振就是机床的固有频率与振源的频率相等。在机床系统中，振源就是伺服电动机。当伺服电动机的运行频率与机床机械系统的固有频率相等时，就发生共振。 消振即消除机械共振，消振的方法就是使伺服电动机的运行频率避开机床系统的固有频率。避开的方法就是使用各种滤波器过滤掉共振频率，如陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器等，使伺服电动机以非共振频率工作。 转动惯量与转矩的关系惯性是物体的一种固有属性，惯量是惯性大小的量度。对于绕轴旋转的刚体，其惯性量度称为转动惯量，单位为kg·m²。对于一个质点，其转动惯量公式为： I = m r 2 I=mr^2 I=mr2 式中： I：转动惯量 M：质量 r：质点和转轴的垂直距离 转动惯量与转矩（Nm）存在对应关系，用公式表达为： M = I β M=Iβ M=Iβ 式中： M：转矩 I：转动惯量 β：加速度 由上式可知计算所需电机转矩时需要参考运动轴的转动惯量。 计算负载惯量的目的就是为计算加/减速转矩。 任何旋转物体均有惯量存在，惯量大小直接反应旋转时加/减速所需转矩大小及时间长短。因此选用电机时必须计算出电机的负载惯量，才能据此选择所需电机的规格。如若选定的电机无法在希望的加速时间到达预定转速，必定是电机输出转矩不符合负载的需求，须加大电机的输出转矩。 关于力矩、转矩和扭矩 力矩：力对刚体转动的影响，不仅与力的大小和方向有关，还与力相对于转矩的位置有关，为了描述力对刚体转动的作用，需要引入力对转轴的力矩这一新的物理量。转矩：转矩即转动力矩，一般指旋转的物体所受到的力矩。扭矩：任何元件在转矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形，因此习惯上又常把转动力矩叫扭转力矩，简称扭矩。 负载惯量比负载惯量比是负载惯量与伺服电动机轴惯量之比的简称。 电机惯量指的是转子本身的惯量（即转动惯量，只跟转动半径和物体质量有关），分为大、中、小惯量，从响应角度来讲，电机的转子惯量应小为好；从负载角度来看，电机的转子惯量越大越好。 负载惯量由工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到电机轴上的惯量组成（即机械负载总惯量）。适用负载惯量通常小于伺服电机惯量的 5 倍，一般负载惯量超过电机转子惯量的10倍，可以认为惯量较大。 负载惯量比 = 负载惯量 / 电机惯量 负载惯量比 = 负载惯量 / 电机惯量 负载惯量比=负载惯量/电机惯量 电机刚性与负载惯量比之间的关系负载的转动惯量对伺服电机传动系统的刚性影响很大，两者呈反比，负载惯量比越大，伺服允许的刚性等级越低。固定增益下，伺服刚性相对转动惯量比过高时，易引起机械共振；反之则电机响应速度迟钝。为此需要做到惯量匹配，即设置合适的负载惯量比。一般是要调控制器增益改变系统响应，进而达到惯量匹配；也可以选用刚性较高的机台以避免机械共振（机台具有的容许响应频率）。 在伺服设定时，用户可自行选择刚性等级，伺服驱动器将自动产生一组匹配的增益参数，满足快速性与稳定性的需要，其前置条件为已正确获得负载惯量比。 1~50Hz：低刚性，低响应 51~250Hz：中刚性，中响应 251~550Hz：高刚性，高响应 如何理解伺服电机的刚性和惯量？ 浅谈刚性、惯量、响应时间及伺服增益调整之间的关系 2.4电子齿轮 基本概念电子齿轮：简单地说就是用电气控制技术代替机械传动机构。一般来说，电机与驱动机构是直连的，机械结构固定后，传动比也就固定了；利用电子齿轮可以增加传动系统的柔性，提高传动精度。 电子齿轮比：电机编码器接收脉冲与上位机发送脉冲之比，可在驱动器或者控制器上设置。由此可知： 例：车床用 10mm 丝杠，电机转动一圈机械移动 10mm，每移动 0.001mm 就需要电机旋转 1/10000 圈（0.001/10），而如果连接 5mm 丝杠（即电机转动一圈机械移动 5mm），且直径编程的话，每 0.001 的位移量就需要 1/5000 转，这时可以用电子齿轮设置，就可以保持脉冲当量不变。 详见：电子齿轮比计算方法 脉冲当量脉冲当量是指控制器输出一个定位控制脉冲时，所产生的定位控制移动的位移。即单位脉冲的位移。线性运动是指距离，圆周运动是指角度。脉冲当量越小，定位控制的分辨率越高，加工精度也越高。所有的定位控制位移量以脉冲量为单位计算脉冲数。 3伺服系统控制原理 3.1三闭环控制
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。电流环反应速度最快，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，最内环，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，最外环。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最大值，决定着电动机的最高转速。 https://blog.csdn.net/reasonyuanrobot/article/details/96497025?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1 伺服电机三环（电流环、速度环、位置环）控制原理及参数调节 https://www.sohu.com/a/159764872_463998 伺服电机三环控制系统调节方法浅谈 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，最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。 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。 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。 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。 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最小，动态响应最快。 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）：伺服中最常用的控制。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，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。 http://www.elecfans.com/kongzhijishu/sifuyukongzhi/522696.html 伺服驱动器的工作原理及其控制方式 4伺服系统的设计根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。采用电流闭环控制后，二者具有相同的控制对象数学模型。因此可用相同的方法设计交流或直流伺服系统。 对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调节。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以又称调节器校正；若校正装置与前向通道并行，称为并联校正。 4.1调节器校正常用的调节器有PD调节器、PI调节器和PID调节器。设计中根据实际伺服系统的特征进行选择。 附录1 伺服电动机与其它电动机的辨析伺服电动机与普通电动机的区别 普通电动机（有刷）多运行于开环控制，伺服电动机运行于闭环控制。伺服电动机动态性高伺服电动机启动转矩大、调速范围宽伺服电动机结构紧凑伺服电动机定子散热方便伺服电动机与舵机的区别 舵机相当于简化版的完整的伺服系统。 伺服电机都是三环控制，即电流环、速度环、位置环；舵机只检测位置环（一般用电位器）。 伺服电动机与步进电动机的区别 步进电机多运行于开环控制，伺服电动机运行于闭环控制。（使用步进电机的场合，要么不需要位置反馈，要么在其他设备上进行位置反馈）伺服电机控制精度和定位高于步进电机伺服电机低频特性好，过载能力大，响应时间短伺服电机调速范围大于步进电动机步进电机只能接受脉冲信号，二私服电动机可以接受模拟信号、脉冲信号和总线通信信号伺服电机和步进电机常被搞混，二者外形相似，区别点在于伺服电机尾部的反馈装置；此外步进电机一般都是一个引出线端，伺服电机由于带编码器所以有2个引线输出端（编码线和动力线）。 2021.9.4 对全文结构进行调整，更新了“绝对式编码器”部分、“电机刚性”部分与“负载惯量比”部分。 本文访问量已突破1W+，感谢各位抬爱。 本文发布之日其至21年8月以前 零星更新 |
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最外环控制作用的响应不会很快。
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