松下伺服電機(jī)的控制模式詳解

1. 轉(zhuǎn)矩控制：

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(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10V 對(duì)應(yīng) 5Nm 的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時(shí)電機(jī)軸輸出為 2.5Nm:如果電機(jī)軸負(fù)載低于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于 2.5Nm 時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。

2. 位置控制：

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(dòng)速度的大小，通過脈沖的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。

由于位置模式可以對(duì)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。

3. 速度模式：

通過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，在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過程中的誤差，增加整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

4. 全閉環(huán)控制模式：全閉環(huán)控制是相對(duì)于半閉環(huán)控制而言的。

首先我們來了解下半閉環(huán)控制，半閉環(huán)是指數(shù)控系統(tǒng)或 PLC發(fā)出速脈沖指令。伺服接受指令，然后執(zhí)行，在執(zhí)行的過程中，伺服本身的編碼器進(jìn)行位置反饋給伺服，伺服自己進(jìn)行偏差修正，伺服本身誤差可避免，但是機(jī)械誤差無法避免，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)不知道實(shí)際的位置。而全閉環(huán)是指伺服接受上位控制器發(fā)出速度可控的脈沖指令，伺服接受信號(hào)執(zhí)行，執(zhí)行的過程中，在機(jī)械裝置上有位置反饋的裝置，直接反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過比較，判斷出與實(shí)際偏差，給伺服指令，進(jìn)行偏差修正，這樣控制系統(tǒng)通過頻率可控的脈沖信號(hào)完成伺服的速度環(huán)控制， 然后又通過位置傳感器（光柵尺、編碼器）完成伺服的位置環(huán)控制，這種把松下伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、位置傳感器三者有機(jī)的結(jié)合在一起的控制模式稱之為全閉環(huán)控制。

松下伺服電機(jī)PID三環(huán)對(duì)伺服控制的影響

松下伺服電機(jī)一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是 3 個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從內(nèi)向外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。

1. 電流環(huán)： 最內(nèi)的 PID 環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(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。

2. 速度環(huán)：通過檢測(cè)的電機(jī)編碼器的信號(hào)來進(jìn)行負(fù)反饋 PID 調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi) PID 輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時(shí)系統(tǒng)實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。

3. 位置環(huán)：它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，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。

三環(huán)的增益調(diào)整

1. 首先電流環(huán)： 電流環(huán)的輸入是速度環(huán) PID 調(diào)節(jié)后的那個(gè)輸出，我們稱為“電流環(huán)給定”吧，然后呢就是電流環(huán)的這個(gè)給定和“電流環(huán)的反饋”值進(jìn)行比較后的差值在電流環(huán)內(nèi)做 PID 調(diào)節(jié)輸出給電機(jī)，“電流環(huán)的輸出”就是電機(jī)的每相的相電流，“電流環(huán)的反饋”不是編碼器的反饋而是在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件（磁場感應(yīng)變?yōu)殡娏麟妷盒盘?hào)）反饋給電流環(huán)的。

2. 速度環(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，我們稱為“速度設(shè)定”，這個(gè)“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進(jìn)行比較后的差值在速度環(huán)做PID 調(diào)節(jié)（主要是比例增益和積分處理）后輸出就是上面講到的“電流環(huán)的給定”。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”得到的。

3. 位置環(huán)：位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖（通常情況下，直接寫數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)器地址的伺服例外），外部的脈沖經(jīng)過平滑濾波處理和電子齒輪計(jì)算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，設(shè)定和來自編碼器反饋的脈沖信號(hào)經(jīng)過偏差計(jì)數(shù)器的計(jì)算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的 PID 調(diào)節(jié)（比例增益調(diào)節(jié)，無積分微分環(huán)節(jié)）后輸出和位置給定的前饋信號(hào)的合值就構(gòu)成了上面講的速度環(huán)的給定。位置環(huán)的反饋也來自于編碼編碼器安裝于松下伺服電機(jī)尾部，它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，他采樣來自于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而不是電機(jī)電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反饋沒有任何聯(lián)系。而電流環(huán)是在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部形成的，即使沒有電機(jī)，只要在每相上安裝模擬負(fù)載（例如電燈泡）電流環(huán)就能形成反饋工作。