松下伺服電機的控制模式詳解

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)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10V 對應(yīng) 5Nm 的話，當外部模擬量設(shè)定為 5V 時電機軸輸出為 2.5Nm:如果電機軸負載低于 2.5Nm 時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于 2.5Nm 時電機不轉(zhuǎn)，大于 2.5Nm 時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）。可以通過即時的改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(zhì)的受力有嚴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更改以確保材質(zhì)的受力不會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)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，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。

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(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行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統(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行位置反饋給伺服，伺服自己進行偏差修正，伺服本身誤差可避免，但是機械誤差無法避免，因為控制系統(tǒng)不知道實際的位置。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，伺服接受信號執(zhí)行，執(zhí)行的過程中，在機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，判斷出與實際偏差，給伺服指令，進行偏差修正，這樣控制系統(tǒng)通過頻率可控的脈沖信號完成伺服的速度環(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、運動控制器、位置傳感器三者有機的結(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PID三環(huán)對伺服控制的影響

松下伺服電機一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是 3 個閉環(huán)負反饋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)動器內(nèi)部進行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設(shè)定進行 PID 調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。

2. 速度環(huán)：通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋 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系統(tǒng)實際也在進行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達到對速度和位置的相應(yīng)控制。

3. 位置環(huán)：它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構(gòu)建，要根據(jù)實際情況來定。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(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)的這個給定和“電流環(huán)的反饋”值進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，“電流環(huán)的輸出”就是電機的每相的相電流，“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)殡娏麟妷盒盘枺┓答伣o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“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進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經(jīng)過偏差計數(shù)器的計算后的數(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尾部，它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，他采樣來自于電機的轉(zhuǎn)動而不是電機電流，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)動器內(nèi)部形成的，即使沒有電機，只要在每相上安裝模擬負載（例如電燈泡）電流環(huán)就能形成反饋工作。