伺服电机三环控制系统调节方法-电路图讲解-电子技术方案

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。

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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。

 

图 1.1

二、影响控制的因素
1、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。

2、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。当进行位置模式需要调节位置环时，最好先调节速度环，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。

 

图 1.2

三、MES-100控制方式
1、MES-100运动控制平台由电机及加载系统、电机驱动程序调试系统、数据采集和电源系统组成。从电机到驱动构建出完整的硬件软件实验环境，提供全开放式的软硬件接口，具有丰富的可扩展性教学体验，可做电机识别，堵转，电机效率测试，电机参数测定，电机T-N曲线测试，电机运动控制及编码器矢量转矩，无感矢量速度分析等测试，测试结果如下图1.3。

2、伺服电机的速度和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的，如果对电机的速度和位置都没有要求可以采用恒转矩模式，可通过及时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可以通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。如果对位置和速度有一定的进度要求可以采用速度或位置模式，位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确认转动的角度，由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，行业应用比较广泛。

 

图1.3

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CAN总线采用的是异步串行通信，也就是没有单独的时钟线来保证各个收发器之间时钟的一致，每个收发器是按事先设置的波特率来对总线上的电平进行分位。因此波特率设置准确对CAN总线的稳定通信来说非常重要。

CAN总线里我们可以通过对CAN 节点里的位定时寄存器的控制来实现不同波特率的通信。CAN协议里将一个位时间分为同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2。每个段的时间长度都可以用一个整数的基本时间单位表示，该基本时间单位由系统的时钟振荡器分频得到。

同步段位于一个位的起始位置，CAN-bus规定跳变沿为同步信号，但是发送节点发送一个位跟接收节点接收到这个位之间存在网络传播延迟，传播段则是为了补偿这段传播延迟，由于采样点位置在相位缓冲段1跟相位缓冲段2之间，通过设置相位缓冲段1和相位缓冲段2的值，可以调整采样点位置，保证每个位采样点一致。缓冲段的长度调节范围则是由同步跳转宽度（SJW）决定。

 

图 1  CAN位时间结构图

简单的了解了CAN总线位时间的分段后，我们来看看一个节点的波特率到底要如何设置。如图2是某ARM内核的CAN位时间特性寄存器 (CAN_BTR)。

 

图 2  某ARM内核位时间特性寄存器结构图

SILM（静默模式）跟LBKM（回环模式）用于调试；

SJW：同步跳转宽度；

TS2/TS1：位时间里两个时间段的分配；

BRP：波特率分频器，该区域定义了基本时间单元的长度；

例如某著名车厂CAN通信标准里规定，通信速率为125 kbps时，应该采用单次采样，采样点位置设置在70%~77%之间。其位定时参数取值可见表1与表2。

 

表 1  LS_CAN通信速率与采样点参数

 

表 2  LS_CAN可选时间份额与同步跳转带宽

采样点：采样点不能太靠前也不能太靠后，否则如果刚好处于一个位的上升沿或者下降沿区间，会造成识别错误，所以根据CIA105的规范，采样点在87.5%左右比较合适。但是一般我们可根据实际情况选取75%~85%之间；

同步跳转宽度（SJW）：SJW的值直接影响到重同步时相位缓冲段的可调节的范围，SJW的值可以在1~4之间选择，我们选择3、4可以使总线获得更宽的波特率容忍度；

采样次数：分为单次采样跟三次采样，三次采样在设计之初虽然是为了过滤掉总线上毛刺，但是采用三次采样经常会影响SJW的跳转，所以实际应用中我们一般都会采用单次采样。

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