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——注意广义上伺服系统既可以是开环控制方式如步进电机设备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 ControlMC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基本概念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增量式编码器与绝对式编码器编码器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。多圈绝对式记录圈数和1圈内位置。旋转圈数可由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默认情况下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。多圈绝对式通常支持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位置也不会丢失因而上电后无需进行回原点操作。另对于靠电池实现掉电保持的情况若电池失电则掉电后位置也将丢失。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 00 11 11 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。2.3电机刚性与负载惯量比电机刚性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即伺服驱动器内置的软件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 Imr^2Imr2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 MIβMIβ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。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。根据笔者的了解所谓“大、中、小惯量”是同一厂商产品线内部相对分级不存在标准定义也不存在具体的数值对应。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。常见应用场景及推荐负载惯量比见下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2.5脉冲当量脉冲当量pulse per unit, ppu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。2.6制动电阻制动电阻又称刹车电阻当电机的转矩和转速方向相反时能量从电机端传回驱动器内使得母线电压值升高当升高到制动点时能量只能通过制动电阻来消耗。大部分伺服驱动器已内置制动电阻通常可满足大部分应用若其性能不够也可外接制动电阻内置与外置制动电阻无法同时使用。制动电阻和制动速度的关系为I b V b u s R b I_b \frac{V_{bus}}{R_b}Ib​Rb​Vbus​​I b I_bIb​制动回路电流 (A)V b u s V_{bus}Vbus​伺服驱动器直流母线电压 (V)R b R_bRb​制动电阻阻值 (Ω)当阻值过小时制动电流过大将损坏伺服驱动器而当阻值过大时制动电流过小产生的反向制动转矩变小则会导致制动效果变差因此必须选择合适的阻值。3伺服系统控制原理3.1三闭环控制APR(Automatic Position Regulator)——位置调节器ASR(Automatic Speed Regulator)——速度调节器ACR(Automatic Current 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。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。https://blog.csdn.net/reasonyuanrobot/article/details/96497025?depth_1-utm_sourcedistribute.pc_relevant.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1utm_sourcedistribute.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KVIKVI 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通常兼容脉冲控制。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全闭环控制伺服电机本身搭载了内部编码器以实现位置闭环控制已可以实现较高的定位精度但这种方式无法消除如机械系统打滑引起的定位误差等影响为此期望在机构上增加外部编码器由内部编码器构建速度环由外部编码器构建位置环以实现精确定位称之为全闭环控制而伺服通过本身编码器实现的位置闭环控制则称之为半闭环控制。上述为伺服全闭环控制若伺服不支持全闭环控制而工艺上又需要实现较高的定位精度也可以采用控制器全闭环控制即伺服运行于速度模式在控制器中实现位置环。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。推荐阅读步进电机、伺服电机、舵机的原理和区别更新记录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