伺服电机速度环位置环扭矩环的控制原理
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伺服电机三环控制系统运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环、位置环。
1、首先电流环: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”吧,然后呢就是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。
2、速度环: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。
3、位置环: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。
谈谈PID各自对差值调节对系统的影响:1、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。
2、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,。
运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环、位置环。
1、电流环:电流环的输入是速度环 PID 调节后的那个输出,电流环的输入值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。
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。
任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/ 转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。
2、速度环: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,速度环输入值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)后输出到电流环。
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。
速度环控制包含了速度环和电流环。
3、位置环:位置环的输入就是外部的脉冲,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”,位置环输入值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,无积分微分调节)后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。
位置环的反馈也来自于编码器。
位置控制模式下系统进行了 3 个环的运算,系统运算量大,动态响应速度最慢。
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。
三种控制模式位置控制:通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的数量来确定转动的角度,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。
伺服机电的位置控制转矩控制速度控制是什么样的一个模式之迟辟智美创作伺服机电的位置控制,转矩控制,速度控制是什么样的一个模式,有什么分歧?例如位置控制模式,他工作的时候是不是PLC发脉冲的时候开始转动,然后plc一直发脉冲,伺服就一直走,PLC脉冲停止的时候伺服机电就停止转动?还是怎么样工作呢?1、上图就是由用户设定的指令脉冲数的图;2、用户根据工件实际需要移动的距离,和自己选定的脉冲当量,首先计算出伺服应该转动几多个指令脉冲数,就达到指定位置;3、然后用户根据“PLC发脉冲额定频率例如200KHZ”,知道指令脉冲额定频率,并根据指令脉冲数计算出指令运算时间,获得上图设定曲线;4、这个曲线在伺服还没有运行前,由用户设定的曲线;5、这条曲线设定后,伺服就知道指令脉冲额定频率,知道伺服机电的上限运行速度伺服上线运行速度=指令脉冲额定频率×伺服上限速度6、有了这条曲线,伺服就知道用户要它要转过几多个指令脉冲数,到转过这么多指令脉冲数时,伺服就指令伺服停车;7、当你设定好这个曲线后,启动伺服运转,伺服就开始启动、加速、匀速……转动起来了;8、这时候没有“PLC发脉冲”,谁也没有发脉冲,指令脉冲只是个“数”!9、那为什么年夜家说“PLC 发脉冲”,那是因为位置环就是PLC的计数器,那个指令脉冲数就是给计数器设定的一个基数;10、PLC其实不发脉冲,没有实际存在的脉冲,只有一个脉冲数,固然没有指令脉冲受干扰的问题!1、这个曲线是可以用示波器观察到的曲线;2、它是伺服运转时编码器检测发出的反馈脉冲数,以及反馈脉冲数的频率曲线;3、这条曲线也可以看成伺服运转的速度曲线,因为编码器反馈脉冲的频率=编码器周反馈脉冲数×伺服机电速度(r/s)4、这条曲线,反映了伺服运转的全过程,启动→加速→匀速→减速→停车,伺服的运动是一年夜步完成的.5、这条曲线与横轴时间所围成的面积就是伺服运动全过程编码器的反馈脉冲数;6、编码器的反馈脉冲数/电子齿轮比=指令脉冲数时,PLC计数器发出停车信号,驱动器停车!7、这就是伺服运动控制的核心原理!!!8、这个过程就是位置环的工作原理,或者说是PLC计数器的工作过程,指令脉冲为计数器基数,编码器反馈脉冲进入计数器计数端,当输出指令脉冲数“编码器的反馈脉冲数/电子齿轮比-指令脉冲数时=0”时,伺服停车!9、仔细观察这条曲线,编码器反馈脉冲频率的最年夜值,对应的就是伺服运转的最年夜速度;10、这个最年夜速度必需小于伺服机电的上限速度,也就是说这个曲线的高度要比指令脉冲曲线的高度“矮”;11、这一点很重要,如果伺服运转速度,在某一个时刻“超速”,就会呈现反馈脉冲丧失或者指令脉冲增多的故障!12、仔细观察这条曲线,伺服停车前要减速,伺服停车必需在速度缓慢的情况下完成;13、这一点非常重要,如果伺服停车时,伺服速度年夜,那么伺服惯性年夜,就不能准停,就会向前继续惯性转一下,呈现编码器反馈脉冲数年夜于指令脉冲数的情况;14、仔细观察这条曲线,伺服运转的最年夜速度是可以由用户设置的;15、用户在速度环上设定编码器反馈脉冲频率,伺服的运转速度就是设定编码器反馈脉冲频率=编码器周反馈脉冲数×伺服机电设定速度(r/s)16、因为指令脉冲频率=编码器反馈脉冲频率/电子齿轮比所以,用户也可以设定“指令脉冲频率”,来设定伺服机电速度;17、仔细观察这条曲线,伺服机电的加速、减速,就是靠驱动器变频、变压的速度环完成的,所需要的动力转矩是由电流环完成的,这就是ShowMotion 说的,“位置环可以包括速度环,也可以直接包括力矩环”!如何选择伺服机电控制方式?如何选择伺服机电控制方式?一般伺服机电都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 .速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的.位置控制是通过发脉冲来控制的.具体采纳什么控制方式要根据客户的要求,满足何种运动功能来选择.如果您对机电的速度、位置都没有要求,只要输出一个恒转矩,固然是用转矩模式.如果对位置和速度有一定的精度要求,而对实时转矩不是很关心,用转矩模式不太方便,用速度或位置模式比力好.如果上位控制器有比力好的闭环控制功能,用速度控制效果会好一点.如果自己要求不是很高,或者,基本没有实时性的要求,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求.就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最年夜,驱动器对控制信号的响应最慢.对运动中的静态性能有比力高的要求时,需要实时对机电进行调整.那么如果控制器自己的运算速度很慢(比如PLC,或低端运动控制器),就用位置方式控制.如果控制器运算速度比力快,可以用速度方式,把位置环从驱动器移到控制器上,减少驱动器的工作量,提高效率(比如年夜部份中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器,还可以用转矩方式控制,把速度环也从驱动器上移开,这一般只是高端专用控制器才华这么干,而且,这时完全不需要使用伺服机电.换一种说法是:1、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机电轴对外的输出转矩的年夜小,具体暗示为例如10V对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V 时机电轴输出为2.5Nm:如果机电轴负载低于2.5Nm时机电正转,外部负载即是2.5Nm时机电不转,年夜于2.5Nm时机电反转(通常在有重力负载情况下发生).可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩年夜小,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环绕纠缠和放卷的装置中,例如饶线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据环绕纠缠的半径的变动随时更改以确保材质的受力不会随着环绕纠缠半径的变动而改变.2、位置控制: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年夜小,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、印刷机械等等.3、速度模式: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,但必需把机电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,此时的机电轴真个编码器只检测机电转速,位置信号就由直接的最终负载真个检测装置来提供了,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.随着全数字式交流伺服系统的呈现,交流伺服机电也越来越多地应用于数字控制系统中.为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中年夜多采纳全数字式交流伺服机电作为执行电念头.在控制方式上用脉冲串和方向信号实现.一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 .速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的.位置控制是通过发脉冲来控制的.具体采纳什么控制方式要根据客户的要求,满足何种运动功能来选择.如果您对机电的速度、位置都没有要求,只要输出一个恒转矩,固然是用转矩模式.如果对位置和速度有一定的精度要求,而对实时转矩不是很关心,用转矩模式不太方便,用速度或位置模式比力好.如果上位技术'>控制器有比力好的闭环控制功能,用速度控制效果会好一点.如果自己要求不是很高,或者,基本没有实时性的要求,用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求.就伺服驱动器的响应速度来看,转矩模式运算量最小,驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最年夜,驱动器对控制信号的响应最慢.对运动中的静态性能有比力高的要求时,需要实时对机电进行调整.那么如果控制器自己的运算速度很慢(比如PLC,或低端运动控制器),就用位置方式控制.如果控制器运算速度比力快,可以用速度方式,把位置环从驱动器移到控制器上,减少驱动器的工作量,提高效率(比如年夜部份中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器,还可以用转矩方式控制,把速度环也从驱动器上移开,这一般只是高端专用控制器才华这么干,而且,这时完全不需要使用伺服机电.换一种说法是:1、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机电轴对外的输出转矩的年夜小,具体暗示为例如10V对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时机电轴输出为2.5Nm:如果机电轴负载低于2.5Nm 时机电正转,外部负载即是2.5Nm时机电不转,年夜于2.5Nm 时机电反转(通常在有重力负载情况下发生).可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩年夜小,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环绕纠缠和放卷的装置中,例如饶线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据环绕纠缠的半径的变动随时更改以确保材质的受力不会随着环绕纠缠半径的变动而改变.2、位置控制: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年夜小,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、印刷机械等等.3、速度模式: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,但必需把机电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,此时的机电轴真个编码器只检测机电转速,位置信号就由直接的最终负载真个检测装置来提供了,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.理解根据使用机电的主要目的,或者说关心的方面,就很容易理解机电的三种控制模式.1.只关心输出力的年夜小,不关系位置\速度,那么就是转矩模式; 例如饶线装置或拉光纤设备2.更多关心位置,采纳位置模式;一般应用于定位装置.应用领域如数控机床、印刷机械等等.2.1 位置控制模式同时也有较好的速度控制功能.3.更多关心运行速度,则用速度模式.3.1 在有上位控制装置的外环PID控制时,也可以进行定位.。
一文让你了解伺服驱动系统增益的作用以及调整的原则伺服是由3个反馈系统构成:位置环、速度环、电流环,越是内侧的环,越需要提高其响应性,不遵守该原则,则会产生偏差和震动。
由于电流环是最内侧的环,以确保了其充分的响应性,所以我们只需要调整位置环和速度环即可。
调整的主要参数是:位置环增益、速度环增益、速度积分时间常数。
位置环增益是决定对指令位置跟随性的参数.与工件表面的优劣有密切关系,仅在驱动器工作在位置方式时有效,当伺服电机停止运行时,增加位置环比例增益,能提高伺服电机的刚性,即锁机力度.伺服系统的响应性取决于位置环增益,提高位置环增益,位置环响应和切屑精度都会改善,同时减少调整时间和循环时间,但位置环增益又受限于速度环特性和机械特性。
为了提高响应性,如果仅提高位置环增益,作为伺服系统的整体的响应,容易产生震动,所以请一边注意响应性一边提高速度环增益。
特点:位置环增益提高,响应性越高,定位时间越短。
过大会引起震动和超调位置环增益调整原则:在保证位置环系统稳定工作,位置不超差(过冲)的前提下,增大位置环的增益,以减小位置滞后量。
简单的方法,提高位置环增益直至过冲,然后再降低位置环增益,即为刚度较好的位置环增益速度环比例增益、速度积分时间常数.速度环比例增益、速度积分时间常数仅对电机在运行时(有速度)起作用。
速度环比例增益的大小,影响电机速度的响应快慢,为了缩短调整时间,需要提高速度环增益,控制超程或行程不足.速度环积分时间常数的大小,影响伺服电电机稳态速度误差的大小及速度环系统的稳定性。
当伺服电机带上实际负荷时,由于实际负载转矩和负载惯量与缺省参数值设置时并不相符,速度环的带宽会变窄,如果此时的速度环带宽满足需求,没有发生电机速度爬行或振荡等现象,可以不调整速度环的比例增益及积分时间常数。
如果实际负荷使电机工作不稳定,发生爬行或振荡现象,或者现有的速度环带宽不理想,则需要对速度环的比例增益、积分时间常数进行调整.速度环参数调整的原则:在保证速度环系统稳定,不振荡的前提下,使速度环响应最快,并且系统稳定工作。
伺服电机三环控制原理
伺服电机三环控制原理是一种常见的控制方法,它利用反馈信号来实现精确的位置控制。
在伺服电机的控制系统中,通常有三个环路:位置环、速度环和电流环。
位置环主要根据给定的位置信号与反馈的实际位置信号之间的差异来生成控制指令。
位置环的目标是使电机达到所需的位置,并根据反馈信息调整控制指令,使电机位置与给定位置尽可能接近。
速度环控制着电机的转速,通常通过比较给定的速度信号与反馈的实际速度信号来生成控制指令。
速度环的目标是使电机以所需的速度旋转,并根据反馈信息调整控制指令,使电机速度与给定速度尽可能接近。
电流环则是控制电机的输出电流,它通过比较给定的电流信号与反馈的实际电流信号来生成控制指令。
电流环的目标是使电机输出所需的电流,并根据反馈信息调整控制指令,使电机输出电流与给定电流尽可能接近。
这三个环路之间相互协调,通过不断调整控制指令来实现精确的位置控制。
一般情况下,位置环是最外层的环路,速度环处于中间,电流环位于内层。
通过这种层级结构,可以逐级调整控制指令,从而实现更准确的控制。
伺服电机三环控制原理在工业自动化、机器人等领域得到广泛应用。
它能够实现高精度、高速度的位置控制,使得伺服电机在各种应用中可以达到较好的性能和稳定性。
通过合理设计和调试,可以使电机响应速度快、控制精度高,并能适应各种工作条件。
伺服电机三环控制原理是一种常见且有效的控制方法,通过位置环、速度环和电流环的相互协作,实现了精确的位置控制。
它在工业自动化领域发挥着重要的作用,为各种应用提供了高性能和稳定性的控制解决方案。
关于伺服电机的三个环控制
(伺服电机一般为三个环控制,所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统)第1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。
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。
第3环是位置环,它是最外环,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。
伺服电机有较长的过载能力,有较小的转动惯量和大的堵转转矩。
伺服电机有很小的启动频率,能很快从最低转速加速到额定转
速。
运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环、位置环。
1、电流环:电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出,电流环的输入值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。
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。
任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。
2、速度环: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,速度环输入值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)后输出到电流环。
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。
速度环控制包含了速度环和电流环。
3、位置环:位置环的输入就是外部的脉冲,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”,位置环输入值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,无积分微分调节)后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。
位置环的反馈也来自于编码器。
位置控制模式下系统进行了3个环的运算,系统运算量大,动态响应速度最慢。
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。
三种控制模式位置控制:通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的数量来确定转动的角度,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。
伺服控制中的震动问题直流伺服电机的速度和位置控制原理是什么?运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环和位置环。
1、首先电流环:电流环的输入是速度环PID调节后的输出,我们称为“电流环给定”,然后就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较,两者的差值在电流环内做PID调节,然后输出给电机,“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。
2、速度环:速度环的输入就是位置环PID调节后的输出或者位置设定的前馈值,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,两者的差值在速度环做PID调节(主要是比例增益和积分处理)后的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值再经过“速度运算器”得到的。
3、位置环: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计算,算出的数值再经过位置环的PID调节(比例增益调节,无积分微分环节)后输出,该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,它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、反馈都没有任何联系。
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。
PID各自对差值调节对系统的影响:1、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。
有差的含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。
增加比例将会有效的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。
伺服电机和步进电机控制原理一、伺服电机控制原理伺服电机是一种可以实现精确控制的电机,广泛应用于工业自动化领域。
它的控制原理主要包括位置控制、速度控制和扭矩控制。
1. 位置控制伺服电机的位置控制是通过对电机转子位置的反馈来实现的。
通过编码器等传感器获取转子的位置信息,然后与期望位置进行比较,计算误差,并通过控制器输出控制信号调节电机的转动速度,使转子逐渐接近期望位置。
2. 速度控制速度控制是通过控制电机的输出速度来实现。
同样通过传感器获取电机转子的速度信息,将其与期望速度进行比较,计算误差,然后通过控制器输出控制信号,调节电机的供电电压和频率,以控制电机的旋转速度。
3. 扭矩控制伺服电机的扭矩控制是通过控制电机的电流来实现的。
通过测量电机的电流信息,与期望扭矩进行比较,计算误差,然后通过控制器输出控制信号,调节电机的供电电压和频率,以实现扭矩的精确控制。
二、步进电机控制原理步进电机是一种将输入脉冲信号转换为离散步进角运动的电机,适用于需要精确位置控制的场合,如打印机、数控设备等。
其控制原理主要包括开环控制和闭环控制。
1. 开环控制步进电机的开环控制是通过控制输入的脉冲信号来实现。
每个脉冲信号使步进电机转动一个固定的步角,通过控制脉冲的频率和顺序可以控制步进电机的旋转方向和速度,但无法实现精确定位。
2. 闭环控制闭环控制是在步进电机系统中加入反馈装置,如编码器,实现位置反馈,从而提高步进电机的定位精度和运动平滑性。
通过对编码器反馈的位置信息与期望位置进行比较,计算误差并控制输入脉冲信号,实现精确的位置控制。
结论伺服电机和步进电机都是常见的精密控制电机,控制原理各有特点。
伺服电机通过位置、速度和扭矩的控制实现精确控制,适用于对运动精度要求较高的场合,而步进电机则通过脉冲信号控制实现步进运动,适用于需要精确位置控制的场合。
选择合适的电机类型和控制方式可以有效提高设备的精准度和性能。
运动伺服一般都是三环控制系统,从内到外依次是电流环、速度环、位置环。
1、电流环:电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出,电流环的输入
值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。
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。
任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。
2、速度环: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,速度环输入值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)后输出到电流环。
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。
速度环控制包含了速度环和电流环。
3、位置环:位置环的输入就是外部的脉冲,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”,位置环输入值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,无积分微分调节)后输出和位置给定的前馈值的和构成速度环的给定。
位置环的反馈也来自于编码器。
位置控制模式下系统进行了3个环的运算,系统运算量大,动态响应速度最慢。
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。
三种控制模式
位置控制:通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的数量来确定转动的角度,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、印刷机械等等。
速度模式: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。
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:如果电机轴负载低于时电机正转,外部负载等于时电机不转,大于时电机反转(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。
PID各自对差值调节对系统的影响:
1、单独的P(比例)就是将差值进行成比例的运算,它的显着特点就是有差调节,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。
2、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。
3、PI(比例积分)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。
4、单独的D(微分)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。
5、PID综合作用可以使系统更加准确稳定的达到控制的期望。
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。
速度环主要进行PI(比例和积分),比例就是增益,所以我们要对速度增益和速度积分时间常数进行合适的调节才能达到理想效果。
位置环主要进行P(比例)调节。
对此我们只要设定位置环的比例增益就好了。
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。
比例增益
的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的,一方面,我们希望目标信号和反馈信号无限接近,即差值很小,从而满足调节的精度:另一方面,我们又希望调节信号具有一定的幅度,以保证调节的灵敏度。
解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。
比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数的。
任何一种变频器的参数P都给出一个可设置的数值范围,一般在初次调试时,P可按中间偏大值预置.或者暂时默认出厂值,待设备运转时再按实际情况细调。
积分时间
如上所述.比例增益P 越大,调节灵敏度越高,但由于传动系统和控制电路都有惯性,调节结果达到最佳值时不能立即停止,导致“超调”,然后反过来调整,再次超调,形成振荡。
为此引入积分环节I ,其效果是,使经过比例增益P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大( 或减小) ,从而减缓其变化速度,防止振荡。
但积分时间I太长,又会当反馈信号急剧变
化时,被控物理量难以迅速恢复。
因此,I的取值与拖动系统的时间常数有关:拖动系统的时间常数较小时,积分时间应短些;拖动系统的时间常数较大时,积分时间应长些。
微分时间
微分时间D是根据差值信号变化的速率,提前给出一个相应的调节动作,从而缩短了调节时间,克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。
D的取值也与拖动系统的时间常数有关:拖动系统的时间常数较小时,微分时间应短些;反之,拖动系统的时间常数较大时,微分时间应长些。
P、I、D参数的预置是相辅相成的,运行现场应根据实际情况进行如下细调:被控物理量在目标值附近振荡,首先加大积分时间I,如仍有振荡,可适当减小比例增益P。
被控物理量在发生变化后难以恢复,首先加大比例增益P,如果恢复仍较缓慢,可适当减小积分时间I,还可加大微分时间D。