（项目）FPGA双电机主从快速稳定控制实现

第一章 伺服电机的三种控制方式与三闭环控制

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前言

随着人工智能的不断发展，电机控制这门底层技术也越来越重要，要把电机稳定控制，需要理解以下内容。

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一、电机控制方式

伺服电机有转矩、位置、速度三种控制方式，以下分别介绍：
　　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赋值来设定电机轴对外输出转矩的大小。例如，若10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时，伺服电机轴输出为2.5Nm。转矩控制方式主要应用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，也有些伺服电机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。
　　3. 速度控制。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，增加整个系统的定位精度。

二、电机三个闭环负反馈PID控制系统

伺服电机一般为三个环控制，所谓三环就是三个闭环负反馈PID调节系统，以下分别介绍：
　　1. 最内环是电流环，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。
　　3. 最外环是位置环，它是位置给定与调解环节，它的环内PID输出直接就是速度环的设定。其反馈信号既可取自电机编码器，也可取自最终负载，需根据实际情况确定。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三个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。

三、三闭环位置控制系统案例-永磁同步电机矢量控制（九）

3.1 什么是三闭环控制系统？

在双闭环（速度环和电流环）控制的基础上，在转速外环外再加一个位置外环，这个位置外环的主要作用是使得电机准确的跟随位置给定，所以又称为位置闭环系统。他的原理和双闭环系统相似，通过电机的目标位置和实际位置做差，得到的偏差量作为转速调节器的速度给定。位置偏差越大，相应的转速给定也越大。

跟双闭环控制系统最大的区别就是，三闭环主要解决的是使得电机转到哪的问题，而双闭环主要解决的是转多快的问题。

3.2 三闭环系统的控制原理和搭建

具体的结合原理框图进行介绍，如上图所示。在基础的双闭环控制的基础上，增加一个位置环，我们可以将双闭环看成一个速度控制模块，而位置调节器将给定位置信号和实际位置检测信号的差值整定为这个控制模块的速度给定，从而控制电机按照想要的速度和方向旋转，从而控制电机的位置。

举个例子会比较好理解：给定位置在350°，而实际位置在50°，想要电机旋转到目标位置角，就需要电机顺时针旋转300°。那么此时位置调节器就会输出控制电机正转的指令，速度环接受指令，进行顺时针旋转，到达目标位置后停止旋转。

3.3 位置环参数设计思路

第一步：双闭环参数设计。使得电机转速跟随性能优越，阶跃响应效果较好，且系统的快速性较好。如前文所述，三闭环的基础即为双环控制，一个好的位置控制系统，其双环控制的效果一定需要调节到最优值。

第二步：位置环参数设计。引入位置反馈量和位置调节器，使得仿真系统框图如第二节中框图原理一致，给定输入信号，并调节位置环参数。

1、信号给定：建议初始给定输入信号为斜坡信号，且斜率较小；

2、调节器设置：建议调节器设为纯P调节器，因为大部分位置控制是不允许超调存在的，且位置P调节器的初始参数可以设置稍微大一点，可以从500开始试验。

3、限幅值设置：建议将位置调节器的输出限幅值设为电机的额定转速（双闭环PI参数满足电机额定转速快速稳定跟随）。

3.4 实验结果

其实本质上就是在双闭环的基础上加了一个位置环，其实难度和结构都比较简单，但是要实现高的精度，还有很快的相应速度，如果纯PI需要特别理想的参数，或者就是增加前馈补偿，本次我只是尝试了调PI的方法。

下图是转子位置给定和实际位置图（此时我的给定是一个凹形曲线），红色的是实际位置，蓝色的是给定。

再看带载运行的情况，有小范围的波动，以上四次波动分别为 2N 4N 10N 15N，可以看出都能够快速回到给定位置。

3.5 小结

1、三环位置控制的目标是电机转到哪里，而双环控制的目标是转多快，两者存在较大差异。

2、位置调节器将给定位置信号和实际位置检测信号的差值整定为这个控制模块的速度给定，从而控制电机按照想要的速度和方向旋转，从而控制电机的位置。

3、双环是位置控制重要的基础，进行位置控制之前，首要条件就是将双环系统性能调至最佳。

4、设计思路要明确