伺服電機(jī)的制動方式與原理，伺服電機(jī)的控制方法

　　伺服電動機(jī)又叫執(zhí)行電動機(jī)，或叫控制電動機(jī)。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機(jī)是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電機(jī)">電機(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。其容量一般在 0.1-100W， 常用的是 30W 以下。伺服電動機(jī)有直流和交流之分。

　　伺服電機(jī)的制動方式及其原理

　　1、電氣制動法：

　?。?） 動態(tài)制動器（又稱能耗制動）由動態(tài)制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機(jī)的機(jī)械進(jìn)給距離。

　　（2） 再生制動（又稱回饋制動）是指伺服電機(jī)在減速或停車時將制動產(chǎn)生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經(jīng)阻容回路吸收。

　　2、機(jī)械制動法

　　電磁制動是通過機(jī)械裝置鎖住電機(jī)的軸。 用戶往往對電磁制動、再生制動、動態(tài)制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。

　　動態(tài)制動器由動態(tài)制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機(jī)的機(jī)械進(jìn)給距離。

　　動態(tài)制動器由動態(tài)制動電阻組成，在故障，急停，電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機(jī)的機(jī)械進(jìn)給

　　一般都是在伺服電機(jī)的U V W相上引出三根線上面分別串上一個制動電阻，這三個電阻接到一個繼電器上 ，在伺服電機(jī)正常工作時這個繼電器是吸合的三個相線不短接 當(dāng)伺服電機(jī)要制動時 繼電器就斷電釋放三個相線接到一起了就開始制動了。

　　再生制動是指伺服電機(jī)在減速或停車時將制動產(chǎn)生的能量通過逆變回路反饋到直流母線。經(jīng)阻容回路吸收。

　　電磁制動是通過機(jī)械裝置鎖住電機(jī)的軸。

　　三者的區(qū)別：

　?。?）再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法制動電機(jī)。動態(tài)制動器和電磁制動工作時不需電源。

　?。?）再生制動的工作是系統(tǒng)自動進(jìn)行，而動態(tài)制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。

　　（3）電磁制動一般在SV OFF后啟動，否則可能造成放大器過載。動態(tài)制動器一般在SV OFF或主回路斷電后啟動，否則可能造成動態(tài)制動電阻過熱。

　　選擇配件的注意事項：

　?。?） 有些系統(tǒng)如傳送裝置，升降裝置等要求伺服電機(jī)能盡快停車。而在故障、急停、電源斷電時伺服器沒有再生制動無法對電機(jī)減速。同時系統(tǒng)的機(jī)械慣量又較大，這時需選用動態(tài)制動器動態(tài)制動器的選擇要依據(jù)負(fù)載的輕重，電機(jī)的工作速度等。

　?。?） 有些系統(tǒng)要維持機(jī)械裝置的靜止位置需電機(jī)提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩且停止的時間較長，如果使用伺服的自鎖功能往往會造成電機(jī)過熱或放大器過載。這種情況就要選擇帶電磁制動的電機(jī)。

　?。?） 三菱的伺服器都有內(nèi)置的再生制動單元，但當(dāng)再生制動較頻繁時可能引起直流母線電壓過高，這時需另配再生制動電阻。再生制動電阻是否需要另配，配多大的再生制動電阻可參照樣本的使用說明。需要注意的是樣本列表上的制動次數(shù)是電機(jī)在空載時的數(shù)據(jù)。實(shí)際選型中要先根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載慣量和樣本上的電機(jī)慣量，算出慣量比。再以樣本列表上的制動次數(shù)除以（慣量比+1）。這樣得到的數(shù)據(jù)才是允許的制動次數(shù)。

　　伺服電機(jī)的控制方法

　　伺服電機(jī)是一種補(bǔ)助馬達(dá)加速的設(shè)備，伺服機(jī)電控制速度、位置非常準(zhǔn)確。伺服機(jī)電就是閉環(huán)控制器控制的電機(jī)，比普通電機(jī)多個編碼器反饋，能夠根據(jù)給定和反饋來計算輸出目標(biāo)值，控制電機(jī)的運(yùn)動速度及位移的機(jī)械。通常伺服機(jī)電的控制方法有：

　　伺服電機(jī)一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機(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)動器的運(yùn)算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。

　　第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機(jī)編碼器的信號來進(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(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。

　　第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機(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個環(huán)的運(yùn)算，此時的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

　　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(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機(jī)軸輸出為2.5Nm：如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機(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(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(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、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(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)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。

　　3、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(jìn)行賦值。由于位置模式可以對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。

　　運(yùn)動伺服一般都是三環(huán)控制系統(tǒng)，從內(nèi)到外依次是電流環(huán)速度環(huán)位置環(huán)。

　　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(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(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器。

　　編碼器安裝于伺服電機(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。

　　談?wù)凱ID各自對差值調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的影響：

　　1、單獨(dú)的P（比例）就是將差值進(jìn)行成比例的運(yùn)算，它的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)，有差的意義就是調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差，殘差具體值您可以通過比例關(guān)系計算出。。。增加比例將會有效減小殘差并增加系統(tǒng)響應(yīng)，但容易導(dǎo)致系統(tǒng)激烈震蕩甚至不穩(wěn)定。

　　2、單獨(dú)的I（積分）就是使調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度與差值信號成正比，大家不難理解，如果差值大，則積分環(huán)節(jié)的變化速度大，這個環(huán)節(jié)的正比常數(shù)的比例倒數(shù)我們在伺服系統(tǒng)里通常叫它為積分時間常數(shù)，積分時間常數(shù)越小意味著系統(tǒng)的變化速度越快，所以同樣如果增大積分速度（也就是減小積分時間常數(shù)）將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的震蕩過程，這個環(huán)節(jié)最大的好處就是被調(diào)量最后是沒有殘差的。

　　3、PI（比例積分）就是綜合P和I的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差。

　　4、單獨(dú)的D（微分）就是根據(jù)差值的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)器的輸出與差值對于時間的導(dǎo)數(shù)成正比，微分環(huán)節(jié)只能起到輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其他調(diào)節(jié)結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)。。。它的好處是可以根據(jù)被調(diào)節(jié)量（差值）的變化速度來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不要等到出現(xiàn)了很大的偏差后才開始動作，其實(shí)就是賦予了調(diào)節(jié)器以某種程度上的預(yù)見性，可以增加系統(tǒng)對微小變化的響應(yīng)特性。

　　伺服的電流環(huán)的PID常數(shù)一般都是在驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)定好的，操作使用者不需要更改。

　　速度環(huán)主要進(jìn)行PI（比例和積分），比例就是增益，所以我們要對速度增益和速度積分時間常數(shù)進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)才能達(dá)到理想效果。

　　位置環(huán)主要進(jìn)行P（比例）調(diào)節(jié)。。。對此我們只要設(shè)定位置環(huán)的比例增益就好了。

　　位置環(huán)、速度環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)沒有什么固定的數(shù)值，要根據(jù)外部負(fù)載的機(jī)械傳動連接方式、負(fù)載的運(yùn)動方式、負(fù)載慣量、對速度、加速度要求以及電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子慣量和輸出慣量等等很多條件來決定，調(diào)節(jié)的簡單方法是在根據(jù)外部負(fù)載的情況進(jìn)行大體經(jīng)驗的范圍內(nèi)將增益參數(shù)從小往大調(diào)，積分時間常數(shù)從大往小調(diào)，以不出現(xiàn)震動超調(diào)的穩(wěn)態(tài)值為最佳值進(jìn)行設(shè)定。

　　當(dāng)進(jìn)行位置模式需要調(diào)節(jié)位置環(huán)時，最好先調(diào)節(jié)速度環(huán)（此時位置環(huán)的比例增益設(shè)定在經(jīng)驗值的最小值），調(diào)節(jié)速度環(huán)穩(wěn)定后，在調(diào)節(jié)位置環(huán)增益，適量逐步增加，位置環(huán)的響應(yīng)最好比速度環(huán)慢一點(diǎn)，不然也容易出現(xiàn)速度震蕩。

　　一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式 。

　　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(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時電機(jī)軸輸出為2.5Nm：如果電機(jī)軸負(fù)載低于2.5Nm時電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5Nm時電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機(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(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對材質(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(jìn)行賦值。由于位置模式可以對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(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機(jī)軸端的編碼器只檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負(fù)載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)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、談?wù)?環(huán)，伺服電機(jī)一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。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(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機(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)動器的運(yùn)算最小，動態(tài)響應(yīng)最快。

　　第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機(jī)編碼器的信號來進(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(shí)際也在進(jìn)行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達(dá)到對速度和位置的相應(yīng)控制。

　　第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機(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個環(huán)的運(yùn)算，此時的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動態(tài)響應(yīng)速度也最慢。