伺服电机三环控制作业(共8页)

一、三环控制系统 伺服一般为三个环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。 1/电流环： 最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”，电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。转矩控制：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，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。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.应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。2/速度环： 第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。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，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。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”得到的。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，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。3/位置环：位置环是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，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。 位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。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，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。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。应用领域如数控机床、印刷机械等。一、 PID各自差值调节对系统的影响其中Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。1、 比例环节 单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之 间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。控制输出与偏差之间在一定分为保持比例关系。Kp越大，保持比例关系的关系越小，如图所示：控制器有正作用和反作用之分，即控制器的比例值（增益）有正有负。当控制器的测量增加时，控制器输出增加，则控制器为正作用控制器，控制器的增益Kp为负；当控制器的测量增加时，控制器输出减小，则控制器为反作用控制器，控制器的增益Kp为正；选择控制器正反作用的目的是保证系统为负反馈，即经过调节器作用之后一定是减小偏差。由公式可知，比例动作的调节器对干扰有及时而有力的抑制作用。比例值Kp增大，稳态误差减小，但可能导致系统震荡加剧，甚至不稳定。当对象具有不稳定极点时，系统为条件稳定系统，比例值在一定范围内才是系统稳定。比例值的设置，首先保证在稳定的前提下，降低残差，如图所示：2、积分环节 单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的 比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会 降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程。这个环节最大的好处就是被调量最后是没有残差的。 积分具有记忆功能，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。输出将停在新 的位置而不复原位，保持静差为零。对干扰有及时而有力的抑制作用。3、比例积分环节就是综合P和I的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。其特点是：当偏差出现，比例起粗调，积分起细调，直到误差为零；PI控制作用是比例增益随偏差的时间进程而不断调整的比例作用；Kp不变时，减小Ti，积分作用增强，衰减比减小，振荡加剧，超调量增大；积分作用除消除系统的余差外，也降低了系统的振荡频率，使响应速度变慢。PI调节如图所示：4、微分环节就是根据差值的方向和大小进行调节的，调节器的输出与差值对于时间的导数成正比，微分环节只能起到辅助的调节作用，它可以与其他 调节结合成PD和PID调节。它的好处是可以根据被调节量（差值）的变化速度来进行调节，而不要等到出现了很大的偏差后才开始动作，其实就是赋予了调 节器以某种程度上的预见性，可以增加系统对微小变化的响应特性。其中，伺服的电流环的PID常数一般都是在驱动器内部设定好的，操作使用者不需要更改。位置环、速度环的参数调节没有什么固定的数值，要根据外部负载的机械传动连接方式、负载的运动方式、负载惯量、对速度、加速度要求以及电机本身的转子 惯量和输出惯量等等很多条件来决定，调节的简单方法是在根据外部负载的情况进行大体经验的范围内将增益参数从小往大调，积分时间常数从大往小调，以不出现 震动超调的稳态值为最佳值进行设定。当进行位置模式需要调节位置环时，最好先调节速度环（此时位置环的比例增益设定在经验值的最小值），调节速度环稳定后，在调节位置环增益，适量逐步增加，位置环的响应最好比速度环慢一点，不然也容易出现速度震荡。微分控制的特点：微分反映变化率，可使系统动态特性改善，但微分作用过强，可能导致系统稳定性变差；对于大时滞系统，微分控制不能改善系统品质；噪声大的系统也不宜加入微分，容易导致调节阀开度饱和。5、 PID共同作用PID控制中，P是最基本的控制作用，它在整个过程中均起作用；微分控制主要在前期起作用；积分控制主要在后期起作用。PID时域响应特性如图所示：其频率响应特性如图所示： 同一系统在相同阶跃信号作用下，采用不同PID参数的系统响应曲线。假设系统模型为：采用PID控制策略，研究在不同的PID参数下，闭环系统阶跃响应的曲线如图所示：三、 三环控制的matlab仿真图中：黄线-标准sina函数 红线-经过三环控制的输出曲线 蓝线-没有经过三环控制的输出曲线