伺服电机速度环、位置环、扭矩环的控制原理
直流伺服电机的速度和位置控制原理
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、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。
伺服运动控制的“位置环+电流闭环+速度环”控制模式
伺服运动控制的“位置环+电流闭环+速度环”控制模式如果速度环外面还有位置闭环，位置环可以根据位置偏差计算需要的速度值，把速度指令发送给速度环。
速度环不需要知道当前位置偏差的大小，速度指令的大小由位置闭环决定，速度环只要按照速度指令执行速度控制就行了，这就是伺服驱动器中的三闭环控制。
1、位置环，是给定指令脉冲与编码器检测的实际脉冲数比较，偏差是海量脉冲数，根据用户速度运行规划，产生启动、加速、匀速、减速、停车指令；2、加减速时间、运行速度，是用户规划的，速度的上限，是电子齿轮比确定的；3、位置环，没有调解器，位置环是编码器检测反应脉冲的一个计数器，只输出海量脉冲数，与电机以及工件位置相关；4、位置环只在启动与停车有确切位置时，才有用；5、如果不用编码器检测反应脉冲检测位置，直接用位置检测信号产生启动、加速、匀速、减速、停车指令也可以完成伺服位置控制；6、也可以用光学尺，直接检测准确地位置信号，产生启动、加速、匀速、减速、停车指令；7、所以位置环压根就不是“征”说得“位置环可以根据位置偏差计算需要的速度值，把速度指令发送给速度环。
”！8、在“征”看来，伺服运动过程只能是“速度闭环”控制一种模式；9、实际，伺服运动过程也可以是用户决定的“电流闭环”控制模式；10、那么伺服控制的运动过程，就是一个电流曲线梯形图，而不是一个速度曲线梯形图；11、说到这里，有很多人已经听不懂了！12、所谓伺服运行过程电流曲线梯形图，举例说，可以应用于收、放卷电机伺服控制中！13、当伺服运动，以“电流闭环”控制模式运行时，机械特性为软特性，可以应用于收放卷之类的运动控制中；14、当伺服运动，以“电流闭环”控制模式运行时，由“速度闭环”做内环控制，实现“飞车”超速运行保护！15、当伺服运动，以“电流闭环”控制模式运行时，构造与“速度闭环”控制运行模式，构造组成对称：1）位置环+速度闭环+电流环2）位置环+电流闭环+速度环。
位置 速度 转矩3种控制方式介绍
1从原理上理解3种控制方式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。
之所以有这三中控制方式，是因为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。
由伺服系统的三个控制回路来实现。
第1环是电流环，它是最内环。
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，它是次外环，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。
2从使用上理解3种控制方式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、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大小，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。
伺服电机三环控制的原理
伺服电机三环控制的原理（位置环，运动换，电流环）一、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。
二、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。
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。
伺服系统中如何实现位置环和速度环
伺服系统中如何实现位置环和速度环伺服系统被广泛应用于自动化控制中，其中位置环和速度环是两个基本的环节。
位置环和速度环的设计和调整对于伺服控制系统的性能具有重要的影响。
一、位置环的实现1. 位置传感器伺服系统中的位置传感器通常采用编码器或者霍尔传感器。
编码器通常分为增量式编码器和绝对式编码器两种类型。
增量式编码器通过记录转子旋转的相对位置，计算出机架位移的距离。
绝对式编码器能够实时将机架的位置信息传递到伺服系统中，通过计算差分信号，能够实现高精度的控制。
2. 控制器位置环的控制器通常有比例积分控制器（PI控制器）和比例积分微分控制器（PID控制器）两种类型。
PI控制器适用于一些精度要求不高的场景，而PID控制器则能够实现更加精确的控制。
3. 机架机架是伺服系统中的输出端，其位置的准确移动对于控制系统的性能影响很大。
机架的设计需要针对不同的控制系统给出不同的策略。
二、速度环的实现1. 速度传感器速度环的实现需要使用速度传感器。
速度传感器通常有霍尔传感器和电磁式传感器两种类型。
在选用传感器时应该结合具体场景的需求，采用适合的传感器类型。
2. 控制器速度环的控制器通常也有PI控制器和PID控制器两种类型。
其中PI控制器适用于速度平稳变化的场景，而PID控制器则能够满足更加复杂的场景需求。
3. 马达马达是伺服系统的核心部分，其输出转矩对于速度环的实现至关重要。
选择合适的马达，能够提高系统的稳定性和精度。
三、总结伺服系统的性能取决于位置环和速度环的设计和调整。
在实际应用中，应该根据具体需求选用合适的传感器、控制器和马达，确定适当的机架和控制策略，以达到最佳的控制效果。
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。
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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。
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 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。
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。
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
变频器的 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
微关：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，
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 。