伺服電機的制動方式與原理，伺服電機的控制方法

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

　　伺服電機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的機械進給距離。

　?。?） 再生制動（又稱回饋制動）是指伺服電機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、機械制動法

　　電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。 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的機械進給距離。

　　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的機械進給

　　一般都是在伺服電機的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 ，在伺服電機正常工作時這個繼電器是吸合的三個相線不短接 當伺服電機要制動時 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。

　　電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。

　　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。動態(tài)制動器和電磁制動工作時不需電源。

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

　?。?）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減速。同時系統(tǒng)的機械慣量又較大，這時需選用動態(tài)制動器動態(tài)制動器的選擇要依據(jù)負載的輕重，電機的工作速度等。

　?。?） 有些系統(tǒng)要維持機械裝置的靜止位置需電機提供較大的輸出轉(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過熱或放大器過載。這種情況就要選擇帶電磁制動的電機。

　?。?） 三菱的伺服器都有內(nèi)置的再生制動單元，但當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)是電機在空載時的數(shù)據(jù)。實際選型中要先根據(jù)系統(tǒng)的負載慣量和樣本上的電機慣量，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)。

　　伺服電機的控制方法

　　伺服電機是一種補助馬達加速的設備，伺服機電控制速度、位置非常準確。伺服機電就是閉環(huán)控制器控制的電機，比普通電機多個編碼器反饋，能夠根據(jù)給定和反饋來計算輸出目標值，控制電機的運動速度及位移的機械。通常伺服機電的控制方法有：

　　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)。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，負反饋給電流的設定進行PID調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，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)響應最快。

　　第2環(huán)是速度環(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)動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構建，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5Nm的話，當外部模擬量設定為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定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(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備，轉(zhuǎn)矩的設定要根據(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。

　　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，所以一般應用于定位裝置。

　　運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定的前饋值，我們稱為“速度設定”，這個“速度設定”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)的設定”，設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。

　　談談PID各自對差值調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的影響：

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

　　2、單獨的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，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、單獨的D（微分）就是根據(jù)差值的方向和大小進行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)器的輸出與差值對于時間的導數(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，其實就是賦予了調(diào)節(jié)器以某種程度上的預見性，可以增加系統(tǒng)對微小變化的響應特性。

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

　　速度環(huán)主要進行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)進行合適的調(diào)節(jié)才能達到理想效果。

　　位置環(huán)主要進行P（比例）調(diào)節(jié)。。。對此我們只要設定位置環(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)外部負載的機械傳動連接方式、負載的運動方式、負載慣量、對速度、加速度要求以及電機本身的轉(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)外部負載的情況進行大體經(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)值為最佳值進行設定。

　　當進行位置模式需要調(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)的響應最好比速度環(huán)慢一點，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5Nm的話，當外部模擬量設定為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）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(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備，轉(zhuǎn)矩的設定要根據(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、談談3環(huán)，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)。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，負反饋給電流的設定進行PID調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，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)響應最快。

　　第2環(huán)是速度環(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)動器和電機編碼器間構建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構建，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)響應速度也最慢。