【Servo】电机铁疙瘩运动起来的必备参数||三种控制模式||三闭环控制系统

要让伺服电机成功转动起来，至少需要以下关键参数，这些参数涵盖了电机本身、驱动器设定以及控制算法等方面：

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1. 电机本体参数（必须明确，驱动器需要知道如何驱动电机）

• 电机额定功率（ 01）：决定电机的最大可持续输出功率，例如 750W、1.5kW。
• 电机额定电压（ 12）：驱动器供给电机的工作电压，如 220V、380V。
• 电机极数（ 02）：决定电机的同步转速计算公式，影响转速反馈计算。
• 电机额定转矩（ 04）：电机在额定条件下能提供的转矩，单位 Nm（牛·米）。
• 电机最大转矩（ 05）：电机的峰值转矩，决定短时间过载能力。
• 电机额定转速（ 08）：电机在额定电压和负载下的稳定转速，例如 3000RPM。
• 电机最高转速（ 09）：电机能达到的最大转速，例如 5000RPM。
• 电机相电阻（ 0B）：影响电流调节精度。
• 电机相电感（ 0C）：影响伺服驱动的控制响应特性。
• 电机惯量（ 0A）：决定电机的加减速能力和负载适应性。
• 反电势系数（ 18）：影响驱动器控制电机时的电流控制方式。

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2. 编码器及反馈系统参数（决定电机的精确控制能力）

• 编码器类型（ 19）：如增量式、绝对式、串行编码器等，决定反馈信号处理方式。
• 编码器分辨率（ 00）：编码器的单圈脉冲数，决定控制精度。
• 编码器零点相位（ 14）：编码器的零点偏移，决定电机初始位置校准。

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3. 伺服驱动器关键参数（决定电机能否正确启动）

• 控制模式：
  • 位置模式（需要目标位置和速度）
  • 速度模式（需要目标速度）
  • 转矩模式（需要目标转矩）
• 目标转速（若使用速度模式）
• 目标位置（若使用位置模式）
• 转矩限制（防止过载损坏电机）
• PID 调节参数（影响电机运行平稳度）

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4. 负载及运行环境（影响伺服系统性能）

• 负载惯量：电机拖动的机械系统惯量，决定伺服增益调整策略。
• 负载摩擦力：影响电机的额外负载，可能需要补偿。
• 加减速时间：决定启动、停止的平稳程度。

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小结

要让伺服电机转动，至少要知道：

1. 电机的额定参数（功率、电压、极数、转矩、转速等）。
2. 编码器参数（类型、分辨率、零点相位等）。
3. 驱动器的控制方式（位置、速度、转矩模式）。
4. 负载特性（惯量、摩擦等）。

这些参数在伺服驱动器的控制代码中，通常会用 C 语言去读取、计算、调整，例如：

float target_speed = 3000;  // 目标转速 3000 RPM
float max_torque = 5.0;      // 设定最大转矩 5Nm
set_speed(target_speed);     // 发送目标速度指令
set_torque_limit(max_torque); // 限制最大转矩

扩展 控制模式、三闭环控制系统

伺服电机的 位置模式（Position Mode）、速度模式（Velocity Mode）、转矩模式（Torque Mode） 是三种主要的运行控制模式。每种模式的控制目标不同，适用于不同的应用场景。

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1. 位置模式（Position Mode）

目标：控制电机的转动位置

• 伺服电机按照设定的 目标位置 进行精准运动，可以是 绝对位置（固定目标点）或者 相对位置（从当前位置偏移多少）。
• 需要输入 位置指令，一般由 脉冲信号 或 总线命令（如 CAN、Modbus） 提供。
• 适用于 数控机床、机器人、自动化流水线 等要求高精度定位的场合。

控制参数：

• 目标位置（如 10000 脉冲 = 1 转）
• 运行速度（避免瞬间跳跃导致抖动）
• 加速度 / 减速度（影响启动和停止的平稳性）

示例：
假设 1 转 = 10000 脉冲，现在要让电机转到 5 转的位置（50000 脉冲）：

set_position(50000); // 设定目标位置
set_speed(2000);      // 设置运行速度 2000 RPM

电机会平稳转动到 50000 脉冲 位置后停止。

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2. 速度模式（Velocity Mode）

目标：控制电机的转速，而不关心具体位置

• 伺服电机按照设定的 目标转速 运行，通常使用 模拟信号（±10V）、通讯指令 或 CAN 总线 控制。
• 适用于 传送带、电梯、电机测试设备，需要保持恒定速度的场景。

控制参数：

• 目标转速（RPM 或 rad/s）
• 加速/减速时间
• 限制最大转矩（防止过载）

示例：
假设要让电机匀速运转在 3000 RPM：

set_speed(3000);   // 设定转速 3000 RPM
set_torque_limit(5.0); // 限制最大转矩 5 Nm

电机会匀速运行 3000 RPM，并持续旋转，直到收到停止命令。

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3. 转矩模式（Torque Mode）

目标：控制电机的输出力矩，而不管转速和位置

• 伺服电机按照设定的 目标转矩 运行，速度和位置由负载决定。
• 适用于 张力控制（印刷机、纺织机）、恒定力矩应用（绕线机、挤压设备），需要维持恒定转矩的场合。
• 常见的控制方式是通过 模拟量（±10V）、通讯命令、CAN 总线 设定目标转矩。

控制参数：

• 目标转矩（Nm）
• 最大转速限制（防止失控）

示例：
假设要设定电机输出恒定 3Nm 转矩：

set_torque(3.0);  // 设定目标转矩 3Nm
set_speed_limit(4000); // 限制最大速度 4000 RPM，防止超速

电机会持续提供 3Nm 的力矩，负载变重时速度会降低，负载变轻时速度会提高。

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小结：三种模式的对比

模式	控制目标	输入信号	适用场景
位置模式	控制目标位置	脉冲信号 / 总线命令	CNC机床、机器人、自动化
速度模式	控制转速	模拟量（±10V）/ 总线命令	传送带、电梯、风机
转矩模式	控制输出力矩	模拟量（±10V）/ 总线命令	张力控制、扭矩测试

简单理解：

• 位置模式：我要转到 某个固定位置，最常见！
• 速度模式：我要保持 固定速度，不管位置。
• 转矩模式：我要提供 固定力矩，不管速度和位置。

不同应用场景会选择不同模式，在 C 语言嵌入式开发中，这些模式通常在 伺服驱动器控制代码 里由寄存器参数或 CAN 指令设置。

在伺服控制系统中，主要有 电流环、速度环和位置环 这三个核心控制环，它们组成了三闭环控制系统，用于实现高精度的电机控制。每个环控制不同的物理量，按照内环优先响应、外环慢速调整的原则，逐层递进控制。

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1. 电流环（Current Loop）——控制力

作用：控制电机的电流（即转矩）

• 最内层的控制环，负责 调节电机的相电流，确保电流跟随设定值。
• 由于电机的转矩与电流成正比，因此电流环也可以看作是 转矩控制环。
• 响应速度最快（一般在微秒级，常见带宽 > 1kHz），能够快速调整电机的输出力矩。

适用于：转矩模式（Torque Mode）

• 在 转矩模式 下，控制系统只使用 电流环，直接控制电机的输出力矩。

控制算法：PI 调节

• 典型的 PI（比例-积分）控制，根据电流误差（期望电流 - 实际电流）调节 PWM 信号，控制逆变器的输出电压。

示例：

假设目标转矩需要 5Nm，根据电机的转矩常数 ( K_t )，计算出相应的电流 ( I )：

float target_torque = 5.0;   // 目标转矩 5Nm
float Kt = 0.5;  // 假设电机的转矩常数 Kt = 0.5 Nm/A
float target_current = target_torque / Kt;  // 计算目标电流
set_current(target_current);  // 设定目标电流

电流环会调整电流，使得电机提供恒定 5Nm 力矩。

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2. 速度环（Velocity Loop）——控制快慢

作用：控制电机的转速

• 速度环是中间层控制环，它的目标是确保电机按设定的 速度 旋转。
• 速度环内部包含 电流环，用于间接调整力矩（电流）。
• 响应速度较快（常见带宽 100~500Hz），比电流环慢，但比位置环快。

适用于：速度模式（Speed Mode）

• 在 速度模式 下，控制系统使用 速度环 + 电流环，通过调节电流来实现目标转速。

控制算法：PI 调节

• 计算速度误差（期望速度 - 实际速度），然后输出合适的目标电流给电流环。

示例：

假设目标速度是 3000 RPM：

float target_speed = 3000;  // 目标速度 3000 RPM
set_speed(target_speed);    // 设定目标速度

速度环会调整电流环，让电机稳定运行在 3000 RPM。

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3. 位置环（Position Loop）——控制去哪

作用：控制电机的位置

• 位置环是最外层的控制环，负责让电机转到目标位置。
• 位置环的输出是目标速度，交给速度环去执行。
• 由于涉及机械惯性，位置环的带宽较低（常见 10~50Hz），响应最慢。

适用于：位置模式（Position Mode）

• 在 位置模式 下，控制系统使用 位置环 + 速度环 + 电流环，逐层控制电机到达目标位置。

控制算法：PID 调节

• 计算位置误差（目标位置 - 当前位置），然后输出合适的目标速度给速度环。

示例：

假设目标位置是 100000 脉冲：

long target_position = 100000;  // 目标位置 100000 脉冲
set_position(target_position);  // 设定目标位置

位置环会调整速度环，让电机平稳移动到 100000 脉冲的位置。

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4. 三环的关系

伺服系统通常采用 位置 → 速度 → 电流 三环级联控制：

1. 位置环 计算出目标速度，传递给速度环。
2. 速度环 计算出目标电流，传递给电流环。
3. 电流环 直接控制电机的电流，使其产生期望的转矩。

形象理解：

• 电流环 = 控制“用多大力”（直接控制电机转矩）
• 速度环 = 控制“转得多快”（用转矩来控制转速）
• 位置环 = 控制“转到哪去”（用速度来控制位置）

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5. 具体应用示例

控制模式	控制环	作用	典型应用
转矩模式	电流环	控制电流（力矩）	印刷机、纺织机、张力控制
速度模式	速度环 + 电流环	控制转速	传送带、电梯、风机
位置模式	位置环 + 速度环 + 电流环	控制位置	数控机床、机器人、自动化流水线

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6. 代码实现（简化版）

void control_loop() {
    float pos_error = target_position - current_position;
    float target_speed = pid_position(pos_error);  // 位置环

    float speed_error = target_speed - current_speed;
    float target_current = pid_speed(speed_error); // 速度环

    float current_error = target_current - current_feedback;
    float pwm_output = pid_current(current_error); // 电流环

    set_pwm(pwm_output); // 控制电机电流
}

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7. 小结

环	控制变量	输入	输出	作用	响应速度
电流环	电流（转矩）	目标电流	PWM 输出	控制力矩，影响加速度	最快（>1kHz）
速度环	速度（转速）	目标速度	目标电流	控制电机转速	中等（100~500Hz）
位置环	位置	目标位置	目标速度	控制电机目标位置	最慢（10~50Hz）

位置环 → 速度环 → 电流环，控制由外向内逐层递进，确保伺服电机平稳、精准运行。