伺服电机的速度环和位置环的区别

变频电机为什么要用编码器？变频电机、异步伺服电机的双编码器闭环以及该怎么选型

在自动化控制中经常会碰到各种电机的控制，在输送带、升降机、提升小车等较大功率的电机大部分是用变频电机，各个品牌PLC+变频器驱动控制变频电机也很普及了。

但是,用户经常会有这样那样的问题出现:

变频电机为什么要装编码器?

不装编码器也行吗?

变频电机装了编码器，就是可以作为异步伺服控制了？就可以做定位控制了吗?

有些变频电机控制不仅装了一个编码器，还有双编码器闭环，是怎么回事？

有人说，“变频电机做不好定位的，也做不好同步，要做同步控制就要换同步伺服电机”?

变频电机的编码器信号经常被干扰，也很容易坏，该怎么选编码器呢？

本文先与大家讨论一下变频电机为什么要装编码器这个问题。

一

基本概念：变频电机驱动没有位置环。变频电机上的编码器是“速度编码器”，是为精确计算电机反电动势的速度反馈。电机反电动势与电机转子转速成正比。

由于伺服电机的普及使用，现在很多控制的思路都会向伺服电机比较与衡量，尽管变频控制早于伺服控制。伺服电机的控制是位置环、速度环、力矩环的闭环控制，这在永磁同步电机的设计原理上就有体现，驱动电流的相位与转子的位置同步，伺服电机的驱动已确定了位置环是“天然”闭环的。而在变频电机驱动是异步的，有时也称为异步电机，即使加上电机后部编码器的反馈，它也只有速度环，没有在电机驱动上的“位置环”，因此这个编码器就是“速度编码器”。

变频电机编码器作为速度编码器，它主要的目的是作为电机转子反电动势的计算，以达到对应当前电机反电动势的精准驱动控制。

当驱动电流启动电机转子旋转，根据电磁定律，当磁场变化时，附近的导体会产生感应电动势，其方向符合法拉第定律和楞次定律，与原先加在线圈两端的电压正好相反。这个电压就是反电动势。

以能量守恒法则：

电机驱动器送出的电能=机械能（驱动电流与反电动势平衡）+损耗（电机电流阻抗热损、机械阻力、配阻箱热损等）。

伺服控制器的位置模式和速度模式详解

伺服控制器是一种用于控制伺服电机运动的装置，它能够根据特定的指令，将伺服电机精确地控制在目标位置或目标速度上。伺服控制器可以通过不同的运动模式来实现位置控制和速度控制，其中位置模式和速度模式是两种常用的控制模式。

位置模式是指伺服电机按照指定的位置进行控制的模式。在位置模式下，伺服控制器通过从位置传感器获得测量值，并与给定的目标位置进行比较，计算出误差，并通过控制信号将电机驱动器输出给伺服电机。这样，伺服电机就能够移动并控制在目标位置上。

在位置模式下，伺服控制器通常采用闭环控制的方法。闭环控制是指通过不断测量反馈信号，并与给定值进行比较，实现精确的位置控制。在闭环控制中，伺服控制器会根据误差信号进行修正，以使得电机运动逐渐接近目标位置。通过不断修正控制信号，伺服电机可以在允许的误差范围内保持在目标位置上。

与位置模式相比，速度模式是一种更加关注电机运动速度的控制模式。在速度模式下，伺服控制器通过从速度传感器获得测量值，并与给定的目标速度进行比较，计算出误差，并通过控制信号将电机驱动器输出给伺服电机。这样，伺服电机就能够以指定的速度进行运动。

在速度模式下，伺服控制器同样采用闭环控制的方法。通过不断测量反馈信号，并与给定值进行比较，实现精确的速度控制。在闭环控制中，伺服控制器会根据误差信号进行修正，以使得电机运动逐渐接近目标速度。通过不断修正控制信号，伺服电机可以以允许的误差范围内保持在目标速度上。

无论是位置模式还是速度模式，伺服控制器都扮演着关键的角色。它通过实时控制电机驱动器输出的信号，使得伺服电机能够按照预定的位置或速度进行运动。伺服控制器还可以通过调整控制信号的参数，优化电机的性能和响应速度。 除了位置模式和速度模式，伺服控制器还可以支持其他的控制模式，如力模式、力矩模式等。不同的控制模式适用于不同的应用场景，以满足不同的控制需求。

总结起来，伺服控制器是一种重要的控制装置，能够实现对伺服电机的位置和速度进行精确控制。位置模式和速度模式是常用的两种控制模式，它们通过闭环控制的方法，实现对电机位置和速度的精确控制。伺服控制器的应用范围广泛，可以满足各种工业自动化领域的需求。

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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。

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.