机器人关节伺服电机PID串级控制

机器人的运动控制系统

通常由电机控制器、电机驱动、电机本体(多为伺服电机)组成。电机控制器具备智能运算功能，并可传送指令以驱动电机。驱动可提供增压电流，根据控制器指令以驱动电机。电机可以直接移动机器人，也可通过传动系统或链条系统让机器人移动。

伺服电机控制原理
伺服电机是机器人应用中常见的一种电机，其基本控制原理是利用控制回路、结合必要的电机反馈，从而协助电机进入所需的状态，如位置与速度等。由于伺服电机必须通过控制回路了解目前状态，因此其稳定性高于步进电机。

关节是工业机器人最重要的基础部件之一，也是运动的核心部件：精密减速机。这是一种精密的动力传达机构，其利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的装置，从而降低转速，增加转矩。

机器人关节处的减速传动，要求传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制，同时，对于中高载荷的工业机器人，还需要足够的刚度、回转精度和运动精度稳定性。

减速器视频如下链接

http://flv0.bn.netease.com/061ebe6ab5d1008953c5109af05296f1d0e373f2031b10bc680e7ce6ec37d1983b15a4b584575b490abc987ed0bd501a22b038b85d9a551f7ec9796325a69f69a17e3921d59b58ec1976d9c1d55a1a5a809d59fd8c293ed5ad756d9198f0b35af68fa28ba1c6cb4001039daf8b8f66ae4bc304a56507aeee.mp4http://flv0.bn.netease.com/061ebe6ab5d1008953c5109af05296f1d0e373f2031b10bc680e7ce6ec37d1983b15a4b584575b490abc987ed0bd501a22b038b85d9a551f7ec9796325a69f69a17e3921d59b58ec1976d9c1d55a1a5a809d59fd8c293ed5ad756d9198f0b35af68fa28ba1c6cb4001039daf8b8f66ae4bc304a56507aeee.mp4

电机的控制一共有三环，电流环、速度环、位置环。

电流环是最里面的一环，直接控制给定电机的电流，电流和转矩成比例，顺便控制了转矩，电流给定了电机就会旋转，产生速度值。

速度环是电流环外的一环，速度的控制需要外加传感器，来测定实际旋转速度，控制速度的高低方式就是调节电流的大小，速度环控制好了，就可以跑位置。

位置环是速度环外的一环，位置运动的逻辑就是经典梯形图，加速减速和匀速。位置运行必须给定的参数是位置、速度、加速度、减速度，这些参数给定后，运行轨迹确定，当然就可以控制位置了。

如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用速度或位置模式比较好。

如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看：转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。

如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。

如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率；

如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么做。

串级PID结构图

PID串级控制的典型结构为位置环+速度环+电流环，如下图。

PID串级控制中，最外环是输入是整个控制系统的期望值，外环PID的输出值是内环PID的期望值。

能够使用三环控制的前提是要硬件支持，比如位置环和速度环需要实时的电机转动位置和转动速度作为反馈，这就需要电机需要配有编码器用于测速与测量转动的位置；电流环需要有电流采样电路来实时获取电机的电流作为反馈。

如果没有电流采样电路，可以将电流环去掉，只使用位置环+速度环，系统的期望仍是转动的位置，内环可以调节转动的速度。

另外，如果只是想控制电机转速实现电机调速，可以使用速度环+电流环，系统的期望仍是转动的位置，内环可以调节电机的电流，增强系统转动调节的抗干扰能力。

伺服系统由伺服驱动器、伺服电机、编码器三部分组成。伺服驱动器将从控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能够执行的命令，传递给伺服电机；伺服电机再将收到的电信号转化为转速和转矩，驱动控制对象；编码器将电机的编码信号反馈给控制器，很大程度上决定了伺服系统的精度。

伺服系统是机器人的动力系统，相当于“心脏”。伺服系统接收来自控制器的信息，并转换成转矩和转速以驱动控制对象。

伺服系统是具有负反馈的闭环自动化控制系统，由控制器、伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成。

伺服系统有三种控制方式，即转矩控制（电流环）、速度控制（电流环、速度环）、位置控制（电流环、速度环、位置环）。

转矩控制：通过外部模拟量的输入或者直接的地址的赋值来设定电机轴对外输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。

速度控制：通过模拟量的输入或者脉冲的频率对转动的速度进行控制。

位置控制：伺服中最常见的控制，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，所以一般应用于定位装置。

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，通过检测伺服电机编码器的信号进行负反馈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，在速度和位置同时控制的系统实际也进行电流（转矩）控制以达到速度和位置的相应控制。

3、第三环是位置环，它是最外环，可以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者最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置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，动态响应也最慢。

速度环主要进行PI（比例和积分），比例就是增益

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

当进行位置模式需要调节位置环时，最好先调节速度环

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

线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提。在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差（ΔYmax）与满量程输出（Y）的百分比，称为线性度（线性度又称为“非线性误差”），该值越小，表明线性特性越好。以上说到了“拟合直线”的概念，拟合直线是一条通过一定方法绘制出来的直线，求拟合直线的方法有：端基法、最小二乘法等等。精度：由传感器的基本误差极限和影响量（如温度变化、湿度变化、电源波动、频率改变等）引起的改变量极限确定。

“线性范围越大越好。拉绳直线位移传感器都希望线性范围越大越好,标准范围是80%至120%。线性范围越宽,量程就大,精度就高。

实际传感器的校准结果与线性变化偏离的程度,称为该传感器的非线性度。

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，

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。

3 、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。

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。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