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音曼顿分享伺服电机控制相关内容

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-06-06 11:11:19


最近研究了伺服电机控制的相关内容,从网上整理了一些相关信息,分享,一起交流


1.运动伺服一般为电流环、速度环、位置环,由内而外依次为三环控制系统。


(1)电流环:电流环的输入是速度环PID调整后的输出比较了电流环的输入值和电流环的反馈值PID调整输出给电机,电流环输出是电机每相的相电流。电流环反馈反馈给电流环,而不是编码器反馈,而是安装在驱动器内的每相霍尔元件(磁场感应变为电流电压信号)。电流环控制电机扭矩,因此驱动器在扭矩模式下运行最小,动态响应最快。电流环必须用于任何模式。电流环是控制的基础。在控制系统速度和位置的同时,系统还控制电流/扭矩,以实现相应的速度和位置控制。


(2)速度环:速度环的输入是位置环PID调整后的输出和位置设定的前馈值、速度环输入值入值和速度环反馈值后的差值PID调整(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反馈后的值。速度环控制包括速度环和电流环。


(3)位置环:位置环的输入是外部脉冲,外部脉冲作为位置环的设置进行平滑滤波处理和电子齿轮计算。偏差计数器计算后的位置环输入值和编码器反馈的脉冲信号PID调整后输出和位置给定的前馈值和构成速度环的给定(比例增益调整,无积分微分调整)。位置环的反馈也来自编码器。在位置控制模式下,系统运行三个环,运行量大,动态响应速度最慢。


编码器安装在伺服电机的尾部,与电流环无关。采样来自电机的旋转,而不是电机电流,与电流环的输入、输出和反馈无关。电流环是在驱动器内形成的。即使没有电机,只要模拟负载(如灯泡)电流环安装在每个相上,就可以形成反馈工作。



2.三种控制模式


(1)位置模式:旋转速度的大小通过外部输入脉冲的频率来确定,旋转角度通过脉冲的数量来确定,一些伺服可以通过通信直接赋予速度和位移。由于位置模式可以严格控制速度和位置,因此通常用于定位装置。数控机床、印刷机械等应用

领域。


(2)速度模式:旋转速度控制可以通过模拟量的输入或脉冲的频率来控制,并且可以控制上控装置的外环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)扭矩模式:扭矩控制模式是通过外部模拟量的输入或直接地址的赋值来设置电机轴对外输出扭矩的大小,如10V对应5Nm当外部模拟量设置为5时V电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm当电机正转时,外部负载等于2.5Nm电机不转动,大于2.5Nm时电机反转(通常在重力负载下产生)。设定的扭矩大小可以通过立即改变模拟量的设置来改变,相应地址的值也可以通过通信来改变。


(4)脉冲模式


上位机通过将脉冲发送到伺服驱动器来实现控制。这样,脉冲频率控制速度,脉冲数量控制位置。同样,伺服驱动器也会发送脉冲数,告诉上位机伺服电机的位置和速度。例如,我们同意伺服电机旋转1万个脉冲,然后,当上位机发送1万个脉冲时,伺服电机旋转一个圈,以实现位置控制。如果上位机在一分钟内发1万个脉冲,则伺服电机的速度为1r/min,如果一秒钟内完成,伺服电机的速度是1r/s,也就是60r/min。


低端PLC,数控系统和各种单片机系统和各种单片机系统,简单易行,成本低。显然,当伺服轴数量增加时,这种控制模式的缺点就会显现出来,上位机的硬件成本就会增加,布线就会非常复杂,现场就会出现EMC不好的话,脉冲极易丢失。所以,这种模式一般是在四轴以下,所以,大部分PLC脉冲控制轴的数量是两轴或三轴,很少PLC四轴可以实现。


(5) 通信方式


通信模式是专门为解决脉冲模式的不足而产生的,已成为一种发展趋势。他通过通信将脉冲数和脉冲频率发送给伺服驱动器,不仅可以传输伺服电机的位置信息,还可以传输伺服电机的电流、扭矩、伺服驱动故障代码等各种状态信息。显然,当轴数较多时,这种方法的优点是不言而喻的。


由于运动控制的特殊性,不同的制造商推出了自己的运动控制总线,既开放又封闭,如CANopen,并在此基础上开发CANmotion和CANlink,MECHATROLINK-II,CCLink等等。随着工业以太网技术的发展,基于以太网的运动控制总线应运而生,如EtherCAT,ProfinetNet,MECHATROLINK-III等等。还有基于光纤的SERCOS,SSCNETⅢ/H等等。


通信虽然有很多种形式,但它们通常解决实时问题,因为实时对运动控制非常重要。从应用开发的角度来看,脉冲和通信没有区别,但信号传输的形式发生了变化。


3.PID差值调节对系统的影响:


(1),单独的P(比例)是将差值按比例计算,其显著特点是差异调整,差异意味着调整过程结束后,调量不能准确等同于设定值,两者之间必须有差异,您可以通过比例关系计算差异的具体值。增加比例将有效减少差异,增加系统响应,但容易导致系统剧烈冲击甚至不稳定。


(2),单独的I(积分)是将调节器输出信号的变化速度与差值信号成正比。不难理解,如果差值大,积分环节的变化速度大。我们通常在伺服系统中称之为积分时间常数。积分时间常数越小,系统变化越快。因此,如果增加积分速度(即减少积分时间常数),控制系统的稳定性就会降低,直到最终发散。这个环节最大的优点就是调量后没有残差。


(3)、PI(比例积分)是综合的P和I优点,利用P同时调整快速抵消干扰的影响I调整和消除残差。


(4),单独的D(微分)根据差值的方向和大小进行调整。调节器的输出与差值与时间导数成正比。微分环节只能起到辅助调节作用,可与其他调节相结合PD和PID调整。其优点是可以根据调整量(差值)的变化速度进行调整,而不是等到有很大偏差才开始动作。事实上,它给了调节器一定程度的可预测性,可以增加系统对小变化的响应特性。


(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。


伺服电流环PID常数一般设置在驱动内,操作用户不需要更改。


主要进行速度环PI(比例和积分),比例是增益,所以要适当调整速度增益和速度积分的时间常数,才能达到理想的效果。

位置环主要进行P(比例)调整。对此,我们只需要设定位置环的比例增益。


位置环和速度环的参数调整没有固定值,应根据外部负载的机械传动连接模式、负载运动模式、负载惯性、速度、加速度要求、电机本身的转子惯性和输出惯性来确定。调整的简单方法是根据外部负载的一般经验从小到大调整增益参数,积分时间常数从大到小调整,以无振动超调的稳态值为最佳值。


当位置模式需要调整位置环时,最好先调整速度环(此时位置环的比例增益设定在经验值的最小值)。调整速度环稳定后,调整位置环增益逐渐增加。位置环的响应应应慢于速度环,否则也容易发生速度冲击。


比例增益


变频器的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差异来调整输出频率。一方面,我们希望目标信号无限接近反馈信号,即差异很小,以满足调整的准确性:另一方面,我们希望调整信号有一定的范围,以确保调整的灵敏度。解决这一矛盾的方法是提前扩大差异信号。比例增长P用于设置差值信号的放大系数。任何变频器的参数P给出一个可设置的值范围,通常在第一次调试中,P可根据中间偏大值预置。或暂时默认出厂值,然后根据设备运行时的实际情况进行调整。


积分时间


如上所述。比例增长 P 越大,调整灵敏度越高,但由于传动系统和控制电路的惯性,当调整结果达到最佳值时不能立即停止,导致超调I ,其效果是使比例增益 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。但是积分时间I当反馈信号急剧变化时,被控物理量难以迅速恢复。I该值与拖动系统的时间常数有关:拖动系统的时间常数较小,积分时间较短;当拖动系统的时间常数较大时,积分时间应较长。


微分时间


微分时间D根据差值信号变化的速率,提前给出相应的调整动作,缩短调整时间,克服因积分时间过长而恢复滞后的缺陷。D该值还与拖动系统的时间常数有关:拖动系统的时间常数较小,微分时间较短;相反,当拖动系统的时间常数较大时,微分时间应较长。


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以下详细调整:被控物理量在目标值附近振荡。首先,增加积分时间I,如果仍有振荡,可以适当比例增益P。变化后被控物理量难以恢复,首先增加比例增益P,如果恢复仍然缓慢,可以适当减少积分时间I,微分时间也可以增加D。


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