伺服電機的這三種控制方式

       伺服系統（servo mechanism）是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為，伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位。

簡單介紹了一下伺服電機的工作原理，接著看看它的三種控制方式：

1、位置模式

2、轉矩模式

3、速度模式

下面，就來依序看一下伺服電機的這三種控制方式到底是怎么回事。

1、位置模式

看這個名字，就能猜到個大概了，說白了就是對位置要求比較高，比如直線伺服模組這種機構，需要滑動機構停止準確，就用這種模式，說到這里，咱們順帶來看一下滾珠絲桿式模組的組成:

咱們自動化中應用的基本都是這種模式，還有就是，在位置模式下，PLC一般都是以通過發送脈沖給驅動器的方式，來控制伺服系統。

那這種模式下，PLC又是怎么控制伺服電機的呢：通過發送的脈沖的頻率，來確定轉動速度的大小；通過發送脈沖的個數來確定轉動的角度；當然也有些伺服系統，PLC可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。

由于位置模式對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于需要精確定位的裝置，比如像上面說的直線模組，還有數控機床，印刷機械等等，可以說這種模式是應用最廣的。

2、轉矩模式

我剛才說的例子中，后來就是應用的轉矩模式解決了問題，當時具體情況是：機械手夾取住產品在給機床上料時，機床液壓頂針需要將產品頂進主軸中，在這種情況下，剛好用到了轉矩模式，在頂針頂住產品前進時，機械手伺服電機用轉矩模式，保證機械手在夾持住產品的同時，跟著產品一起前進。

一般來說，應用轉矩模式，都是對電機的速度、位置沒有什么要求，只需要輸出一個恒轉矩，就像我剛才的那種使用工況。

和位置模式不同的是，轉矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接對地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉矩，比如說：伺服系統中，如果10V對應的轉矩是5N·m，那么外部輸入模擬量設置為5V時，電機輸出轉矩就是2.5N·m。

這時，如果電機軸負載小于2.5N·m時，電機就會正轉；負載大于2.5N·m時，電機會跟著負載方向轉動；當然負載等于2.5N·m時，電機就不轉。

這種控制模式咱們使用的不是很多，一般都是應用在對材質的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉矩的設定要根據纏繞的半徑的變化，隨時更改以確保材質的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。

當然，如果有其他場合用到了這種控制模式，也歡迎大家在評論區補充。

3、速度模式

在這種模式下，控制伺服電機的轉動速度有兩種方式：

1、外部對驅動器發送脈沖的頻率

就是通過上位機（比如PLC），對伺服驅動器發送的脈沖頻率，來控制伺服電機的旋轉速度，這種方式和位置模式是一樣的。

2、通過模擬量的輸入

這個方式和轉矩模式差不多，0-10V分別對應的不同速度，外部輸入模擬量設定為不同的電壓時，伺服電機就會輸出相應的轉速。

在速度模式下，伺服系統本身沒辦法做定位，如果想要實現定位功能，需要將電機的位置信號或者是負載的位置信號反饋給上位機，然后再由上位機進行運算控制，說白了就是：需要另外檢測電機或者負載的位置。

位置模式也支持直接負載外環檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉速，位置信號就由最終負載端的檢測裝置來提供了。

這樣做的優點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統的定位精度。

4、三個環

伺服電機一般為三個環控制，所謂三環就是3個閉環負反饋PID調節系統。

下面這張是永磁同步伺服電動機伺服系統三環控制框圖：

1、電流環

電流環處于最內側，此環完全在伺服驅動器內部進行，通過霍爾裝置，檢測驅動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調節，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，說白了，電流環就是控制電機轉矩的，所以在轉矩模式下驅動器的運算最小，動態響應最快。

2、速度環

速度環控制時，包含了速度環和電流環，換句話說任何模式都必須使用電流環，電流環是控制的根本，在速度和位置控制的同時，系統實際也在進行電流（轉矩）的控制。

3、位置環

位置環位于最外側，它的作用就是用來幫助伺服電機準確定位的。由于位置控制環內部輸出就是速度環的輸入設定，所以，位置控制模式下系統進行了所有3個環的運算，此時的系統運算量最大，動態響應速度也最慢。