伺服系统三环控制
伺服系统三环控制 ppt课件
RQ(NC-PC) SD(PC-NC)
位置信息、速度信息、转子位置信 息、报警信息、校验信息等
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伺服系统三环控制
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2.1 FANUC 伺服系统的基本结构 2.2 伺服伺服放大器的构成 2.2 伺服放大器的发展过程和区别
伺服系统三环控制
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系统伺服控制部分框图
CPU 板
DRAM
BOOT ROM 引导程序
CPU
G/A CPU 控制
1/2伺服轴卡 SV-RAM
SV-CPU
G/A DPS 控制
FSSBC控制
3/4伺服轴 SV-RAM
SV-CPU
FROM 系统软件 伺服软件 用户宏
SRAM 系统参数 加工程序 宏变量
G/A 外设控制
伺服系统三环控制
1. 伺服系统的概要 2. 伺服系统的硬件构成 3. FANUC伺服系统的基本知识
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伺服系统三环控制
1.1 伺服系统的概要 1.2 交流伺服电机的结构 1.2 位置反馈元件
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伺服系统三环控制
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+
指
令
-
CNC
位置误差 计数器
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伺服三环控制介绍
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调节后的输出，称为“电流环给定”，“电流环给定”和“电流环反馈”两者的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”就是电机每相的相电流，“电流环反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相上的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）的反馈信号。
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。
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。
伺服电机三环控制系统调节方法
伺服电机三环控制系统调节方法
随着工业自动化程度的不断提高，伺服控制技术、电力电子技术和微电子技术的快速发展，伺服运动与控制技术也在不断走向成熟，电机运动控制平台作为一种高性能的测试方式已经被广泛应用，人们对伺服性能的要求也在不断提高。
一、三环控制原理
1、首先是电流环，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。
2、第二环是速度环，通过检测的伺服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合了速皮环和电流环，换句话说任何棋式都必须使用电流环，电流环是控制的跟本，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。
3、第三环是位置环，它是最外环，可认在驱动器和伺服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。
设计三环结构的伺服系统报告
设计三环结构的伺服系统报告伺服系统是一种高精度、高性能的控制系统，广泛应用于工业自动化、机械加工、机器人等领域。
三环结构的伺服系统是指由位置环、速度环和电流环组成的控制结构，通过多级闭环控制实现对电机的精准控制。
本报告将对三环结构的伺服系统进行详细设计和分析。
一、设计目标和要求1.实现电机的准确位置控制，使其能够按照指定的轨迹运动。
2.实现电机的精确速度控制，使其能够按照指定的速度运动。
3.实现电机的电流控制，保证电机的正常运行并防止过载。
二、系统设计1.位置环设计位置环是伺服系统中最外层的环节，其目标是实现电机的位置控制。
位置环的输入为期望位置和实际位置，输出为速度指令。
设计位置环时需要考虑系统的响应速度和稳定性，可以采用PID控制器进行设计。
2.速度环设计速度环是伺服系统中的第二层环节，其目标是实现电机的速度控制。
速度环的输入为位置环的输出速度指令和实际速度，输出为电流指令。
设计速度环时需要考虑系统的响应速度和抗干扰能力，可以采用PI控制器进行设计。
3.电流环设计电流环是伺服系统中的最内层环节，其目标是实现电机的电流控制。
电流环的输入为速度环的输出电流指令和实际电流，输出为电机输入的电压。
设计电流环时需要考虑系统的稳定性和响应速度，可以采用PI控制器进行设计。
4.控制器设计根据位置环、速度环和电流环的设计，可以将三个环节串联起来形成整个伺服系统的控制器。
控制器的输入为期望位置和实际位置，输出为电机的输入电压。
可以采用串级控制的方法，将三个环节按照先后顺序串联起来。
三、系统分析1.响应特性通过对伺服系统进行分析和仿真，可以得到系统的响应特性。
可以通过改变控制器的参数来调整系统的响应速度和稳定性，使其满足设计要求。
2.稳定性分析通过对伺服系统进行稳定性分析，可以得到系统的稳定域和稳定裕度。
可以通过改变控制器的参数来保证系统的稳定性，避免产生震荡和不稳定的现象。
3.鲁棒性分析通过对伺服系统进行鲁棒性分析，可以得到系统对参数变化和扰动的抗干扰能力。
伺服电机三环控制原理
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。
伺服驱动器有几个控制环
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。
伺服电机速度环、位置环、扭矩环的控制原理
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。
伺服电机三环控制作业
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”。
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驱动 驱动 驱动
ENBL PRDY VRDY
RLY1
MCC
CN1
VRDY
RLY2
B R K
3/4 AC100 R S T
北京发那科机电有限公司 2.2伺服放大器的基本结构
ER
LSI 位置芯片 CPU
螺距误差补偿（PRM1000-4000） 环增益 PRM（517） DGN （800~803）
CN1
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一.伺服调整内容 1. 伺服系统的概要 2. 伺服系统的硬件构成 3. FANUC伺服系统的基本知识
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1. 伺服系统的概要
1.1 伺服系统的概要 1.2 交流伺服电机的结构 1.2 位置反馈元件
北京发那科机电有限公司 1.1 伺服系统的概要
CNC
+ 指 令 位置控制模块 位置误差 计数器 D/A 转换器 + 速 度 反 馈
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北京发那科机电有限公司 3.4伺服参数初始化
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速度控制单元
速度 调节器 + 电流环 速度控制单元 电流 调节器
机床
驱动器
位 置 反 馈 速度环
速度检测
位置环
测量与 检测
位置控制系统的结构图
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NC控制部分 速度控制 电流控制
插补
加速度
CMR
误差 寄存器
比例
误差 放大
R相乘法 电流 控制 计算 处理 S相乘法 脉冲 宽度 调制 (PWM) 驱动 电路
RQ(NC-PC)
SD(PC-NC)
位置信息、速度信息、转子位置信 息、报警信息、校验信息等
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北京发那科机电有限公司 2.伺服系统的硬件构成
2.1 FANUC 伺服系统的基本结构 2.2 伺服伺服放大器的构成 2.2 伺服放大器的发展过程和区别
北京发那科机电有限公司 2.1伺服系统的基本结构
CH1 Vcmd CH2 TSA F/V
C1~C8 PCA，PCB
R相 运算
P 电 流
T相 运算 断线 检测
驱 动
C D E F
令
插补器
CMR
误差寄存器 方向鉴别
D/A
PCA,PCB,PCZ
CN1
ENBL
三角波 IS 绝缘放大器
TH
转子位置检测
IR
ZPn
参考计数器 PCZ
DMR
CN6
CN6 CN5
PG
DAL
断线检测 ALM 电路
PCA, PCB PCA，*PCB
ENBL
A B C D E F
CN1
ALM 检测
PRDY
M
T1
CN1
ENBL（SVFx） PRDY VRDY
驱动 驱动 驱动
ENBL PRDY VRDY
RLY1
MCC
CN1
VRDY
RLY2
B R K
3/4 AC100 R S T
ER
LSI 位置芯片 CPU
螺距误差补偿（PRM1000-4000） 环增益 PRM（517） DGN （800~803）
CN1
CH1 Vcmd CH2 TSA F/V
C1~C8 PCA，PCB
R相 运算
P 电 流 指 W M
A B
误差 放大器
T相 运算 断线 检测
驱 动
C D E F
令
插补器
CMR
误差寄存器 方向鉴别
D/A
PCA,PCB,PCZ
CN1
ENBL
三角波 IS 绝缘放大器
TH
转子位置检测
IR
ZPn
参考计数器 PCZ
DMR
CN6
CN6 CN5
PG
DAL
断线检测 ALM 电路
PCA, PCB PCA，*PCB
ENBL
A B C D E F
CN1
ALM 检测
PRDY
M
T1
CN1
ENBL（SVFx） PRDY VRDY
如果10mm的螺距，N/M设定了12/1000，相当于电 机多转了。指令了X10mm, 实际走了12mm。 这样设定是说10000个脉冲相当于电机要发出 12000个脉冲。误差寄存器的值这时为0。
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系统伺服控制部分框图
CPU 板 CPU
1/2伺服轴卡 SV-RAM DRAM G/A DPS 控制 FSSBC控制 SV-CPU
BOOT ROM 引导程序
G/A CPU 控制
3/4伺服轴 SV-RAM SV-CPU
G/A 外设控制
FROM
系统软件 伺服软件 用户宏
SRAM
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位置控制相关参数
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3.3速度控制
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速度检测
转子位置 检测
电流检测
伺服放大器 SVU AMP
参考计数器
DMR
PC
n/m
TH
M
0123456789ABCDEF012
C1 C2 C4 C8
PCA *PCA PCB *PCB
PCZ
北京发那科机电有限公司 1.1 伺服系统的概要
半闭环
全闭环
混合控制
北京发那科机电有限公司 1.2 伺服电机的构成
系统参数 加工程序 宏变量
FANUC i-B 系列系统
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伺服放大器的框图
电 源 模 块
伺 服 模 块 电 机
ISO AMP
PWM DRV
RELY PWM DRV LSI PWM回路 信号控制 报警检测 动态制动控 制回路 LSI PWM回路 信号控制 报警检测 动态制动控 制回路
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
1- 电机轴 2-前端盖 3-三相绕组线圈 4-压板 5-定子 6-磁钢 7-后压板 8-动力线插头 9-后端盖 10-反馈插头 11-脉冲编码器 12-电机后盖
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北京发那科机电有限公司 1.3 伺服反馈元件
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PC
FSS B 通讯 LSI
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2.2 伺服放大器的基本结构
北京发那科机电有限公司 3.FANUC伺服系统的基本知识
3.1 伺服系统的框图 3.2 位置控制 3.3 速度控制 3.4 伺服参数的初始设定
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北京发那科机电有限公司 3.2位置控制