伺服電機的制動(dòng)方式與原理，伺服電機的控制方法

　　伺服電動(dòng)機又叫執行電動(dòng)機，或叫控制電動(dòng)機。在自動(dòng)控制系統中，伺服電動(dòng)機是一個(gè)執行元件，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://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/電機">電機的一定轉速或角位移。其容量一般在 0.1-100W， 常用的是 30W 以下。伺服電動(dòng)機有直流和交流之分。

　　伺服電機的制動(dòng)方式及其原理

　　1、電氣制動(dòng)法：

　?。?） 動(dòng)態(tài)制動(dòng)器（又稱(chēng)能耗制動(dòng)）由動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻組成，在故障、急停、電源斷電時(shí)通過(guò)能耗制動(dòng)縮短伺服電機的機械進(jìn)給距離。

　?。?） 再生制動(dòng)（又稱(chēng)回饋制動(dòng)）是指伺服電機在減速或停車(chē)時(shí)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變回路反饋到直流母線(xiàn)，經(jīng)阻容回路吸收。

　　2、機械制動(dòng)法

　　電磁制動(dòng)是通過(guò)機械裝置鎖住電機的軸。 用戶(hù)往往對電磁制動(dòng)、再生制動(dòng)、動(dòng)態(tài)制動(dòng)的作用混淆，選擇了錯誤的配件。

　　動(dòng)態(tài)制動(dòng)器由動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻組成，在故障、急停、電源斷電時(shí)通過(guò)能耗制動(dòng)縮短伺服電機的機械進(jìn)給距離。

　　動(dòng)態(tài)制動(dòng)器由動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻組成，在故障，急停，電源斷電時(shí)通過(guò)能耗制動(dòng)縮短伺服電機的機械進(jìn)給

　　一般都是在伺服電機的U V W相上引出三根線(xiàn)上面分別串上一個(gè)制動(dòng)電阻，這三個(gè)電阻接到一個(gè)繼電器上 ，在伺服電機正常工作時(shí)這個(gè)繼電器是吸合的三個(gè)相線(xiàn)不短接 當伺服電機要制動(dòng)時(shí) 繼電器就斷電釋放三個(gè)相線(xiàn)接到一起了就開(kāi)始制動(dòng)了。

　　再生制動(dòng)是指伺服電機在減速或停車(chē)時(shí)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變回路反饋到直流母線(xiàn)。經(jīng)阻容回路吸收。

　　電磁制動(dòng)是通過(guò)機械裝置鎖住電機的軸。

　　三者的區別：

　?。?）再生制動(dòng)必須在伺服器正常工作時(shí)才起作用，在故障、急停、電源斷電時(shí)等情況下無(wú)法制動(dòng)電機。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)工作時(shí)不需電源。

　?。?）再生制動(dòng)的工作是系統自動(dòng)進(jìn)行，而動(dòng)態(tài)制動(dòng)器和電磁制動(dòng)的工作需外部繼電器控制。

　?。?）電磁制動(dòng)一般在SV OFF后啟動(dòng)，否則可能造成放大器過(guò)載。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器一般在SV OFF或主回路斷電后啟動(dòng)，否則可能造成動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻過(guò)熱。

　　選擇配件的注意事項：

　?。?） 有些系統如傳送裝置，升降裝置等要求伺服電機能盡快停車(chē)。而在故障、急停、電源斷電時(shí)伺服器沒(méi)有再生制動(dòng)無(wú)法對電機減速。同時(shí)系統的機械慣量又較大，這時(shí)需選用動(dòng)態(tài)制動(dòng)器動(dòng)態(tài)制動(dòng)器的選擇要依據負載的輕重，電機的工作速度等。

　?。?） 有些系統要維持機械裝置的靜止位置需電機提供較大的輸出轉矩且停止的時(shí)間較長(cháng)，如果使用伺服的自鎖功能往往會(huì )造成電機過(guò)熱或放大器過(guò)載。這種情況就要選擇帶電磁制動(dòng)的電機。

　?。?） 三菱的伺服器都有內置的再生制動(dòng)單元，但當再生制動(dòng)較頻繁時(shí)可能引起直流母線(xiàn)電壓過(guò)高，這時(shí)需另配再生制動(dòng)電阻。再生制動(dòng)電阻是否需要另配，配多大的再生制動(dòng)電阻可參照樣本的使用說(shuō)明。需要注意的是樣本列表上的制動(dòng)次數是電機在空載時(shí)的數據。實(shí)際選型中要先根據系統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(dòng)次數除以（慣量比+1）。這樣得到的數據才是允許的制動(dòng)次數。

　　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(gè)編碼器反饋，能夠根據給定和反饋來(lái)計算輸出目標值，控制電機的運動(dòng)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(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負反饋PID調節系統。最內的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅動(dòng)器內部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝置檢測驅動(dòng)器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進(jìn)行PID調節，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，電流環(huán)就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動(dòng)器的運算最小，動(dòng)態(tài)響應最快。

　　第2環(huán)是速度環(huán)，通過(guò)檢測的電機編碼器的信號來(lái)進(jìn)行負反饋PID調節，它的環(huán)內PID輸出直接就是電流環(huán)的設定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話(huà)說(shuō)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(shí)系統實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉矩）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)，可以在驅動(dòng)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，要根據實(shí)際情況來(lái)定。由于位置控制環(huán)內部輸出就是速度環(huán)的設定，位置控制模式下系統進(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運算，此時(shí)的系統運算量最大，動(dòng)態(tài)響應速度也最慢。

　　1.轉矩控制：轉矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話(huà)，當外部模擬量設定為5V時(shí)電機軸輸出為2.5Nm：如果電機軸負載低于2.5Nm時(shí)電機正轉，外部負載等于2.5Nm時(shí)電機不轉，大于2.5Nm時(shí)電機反轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^(guò)即時(shí)的改變模擬量的設定來(lái)改變設定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對應的地址的數值來(lái)實(shí)現。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(xiàn)裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì )隨著(zhù)纏繞半徑的變化而改變。

　　2、速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)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(shí)的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加整個(gè)系統的定位精度。

　　3、位置控制：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數來(lái)確定轉動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)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?chē)栏竦目刂?，所以一般應用于定位裝置。

　　運動(dòng)伺服一般都是三環(huán)控制系統，從內到外依次是電流環(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調節后的那個(gè)輸出，我們稱(chēng)為“電流環(huán)給定”吧，然后呢就是電流環(huán)的這個(gè)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)內做PID調節輸出給電機，“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動(dòng)器內部安裝在每相的霍爾元件（磁場(chǎng)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調節后的輸出以及位置設定的前饋值，我們稱(chēng)為“速度設定”，這個(gè)“速度設定”和“速度環(huán)反饋”值進(jìn)行比較后的差值在速度環(huán)做PID調節（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(lái)自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過(guò)“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(xiě)數據到驅動(dòng)器地址的伺服例外），外部的脈沖經(jīng)過(guò)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(lái)自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過(guò)偏差計數器的計算后的數值在經(jīng)過(guò)位置環(huán)的PID調節（比例增益調節，無(wú)積分微分環(huán)節）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(lái)自于編碼器。

　　編碼器安裝于伺服電機尾部，它和電流環(huán)沒(méi)有任何聯(lián)系，他采樣來(lái)自于電機的轉動(dòng)而不是電機電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反饋沒(méi)有任何聯(lián)系。而電流環(huán)是在驅動(dòng)器內部形成的，即使沒(méi)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?wù)凱ID各自對差值調節對系統的影響：

　　1、單獨的P（比例）就是將差值進(jìn)行成比例的運算，它的顯著(zhù)特點(diǎn)就是有差調節，有差的意義就是調節過(guò)程結束后，被調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(guò)比例關(guān)系計算出。。。增加比例將會(huì )有效減小殘差并增加系統響應，但容易導致系統激烈震蕩甚至不穩定。

　　2、單獨的I（積分）就是使調節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)節的變化速度大，這個(gè)環(huán)節的正比常數的比例倒數我們在伺服系統里通常叫它為積分時(shí)間常數，積分時(shí)間常數越小意味著(zhù)系統的變化速度越快，所以同樣如果增大積分速度（也就是減小積分時(shí)間常數）將會(huì )降低控制系統的穩定程度，直到最后出現發(fā)散的震蕩過(guò)程，這個(gè)環(huán)節最大的好處就是被調量最后是沒(méi)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調節快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調節消除殘差。

　　4、單獨的D（微分）就是根據差值的方向和大小進(jìn)行調節的，調節器的輸出與差值對于時(shí)間的導數成正比，微分環(huán)節只能起到輔助的調節作用，它可以與其他調節結合成PD和PID調節。。。它的好處是可以根據被調節量（差值）的變化速度來(lái)進(jìn)行調節，而不要等到出現了很大的偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，其實(shí)就是賦予了調節器以某種程度上的預見(jiàn)性，可以增加系統對微小變化的響應特性。

　　伺服的電流環(huán)的PID常數一般都是在驅動(dòng)器內部設定好的，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(shí)間常數進(jìn)行合適的調節才能達到理想效果。

　　位置環(huán)主要進(jìn)行P（比例）調節。。。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)的參數調節沒(méi)有什么固定的數值，要根據外部負載的機械傳動(dòng)連接方式、負載的運動(dòng)方式、負載慣量、對速度、加速度要求以及電機本身的轉子慣量和輸出慣量等等很多條件來(lái)決定，調節的簡(jiǎn)單方法是在根據外部負載的情況進(jìn)行大體經(jīng)驗的范圍內將增益參數從小往大調，積分時(shí)間常數從大往小調，以不出現震動(dòng)超調的穩態(tài)值為最佳值進(jìn)行設定。

　　當進(jìn)行位置模式需要調節位置環(huán)時(shí)，最好先調節速度環(huán)（此時(shí)位置環(huán)的比例增益設定在經(jīng)驗值的最小值），調節速度環(huán)穩定后，在調節位置環(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(diǎn)，不然也容易出現速度震蕩。

　　一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉矩控制方式，位置控制方式 。

　　1、轉矩控制：轉矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設定電機軸對外的輸出轉矩的大小，具體表現為例如10V對應5Nm的話(huà)，當外部模擬量設定為5V時(shí)電機軸輸出為2.5Nm：如果電機軸負載低于2.5Nm時(shí)電機正轉，外部負載等于2.5Nm時(shí)電機不轉，大于2.5Nm時(shí)電機反轉（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^(guò)即時(shí)的改變模擬量的設定來(lái)改變設定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對應的地址的數值來(lái)實(shí)現。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(xiàn)裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì )隨著(zhù)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(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數來(lái)確定轉動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)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?chē)栏竦目刂?，所以一般應用于定位裝置。

　　3、速度模式：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)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(shí)的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加整個(gè)系統的定位精度。

　　4、談?wù)?環(huán)，伺服電機一般為三個(gè)環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個(gè)閉環(huán)負反饋PID調節系統。最內的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅動(dòng)器內部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝置檢測驅動(dòng)器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進(jìn)行PID調節，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，電流環(huán)就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動(dòng)器的運算最小，動(dòng)態(tài)響應最快。

　　第2環(huán)是速度環(huán)，通過(guò)檢測的電機編碼器的信號來(lái)進(jìn)行負反饋PID調節，它的環(huán)內PID輸出直接就是電流環(huán)的設定，所以速度環(huán)控制時(shí)就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話(huà)說(shuō)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(shí)系統實(shí)際也在進(jìn)行電流（轉矩）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)，可以在驅動(dòng)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，要根據實(shí)際情況來(lái)定。由于位置控制環(huán)內部輸出就是速度環(huán)的設定，位置控制模式下系統進(jìn)行了所有3個(gè)環(huán)的運算，此時(shí)的系統運算量最大，動(dòng)態(tài)響應速度也最慢。