2、伺服系统基础：伺服电机工作原理、编码器类型与原理、伺服驱动器核心参数、伺服系统三环（位置环、速度环、电流环）调节
大家好，我是老张。搞运动控制这些年，我见过太多工程师一上来就调参数，结果越调越乱。其实伺服系统没那么玄乎，你把它拆开看，无非就是电机、编码器、驱动器这三样东西。今天咱们就把这三样东西彻底聊透。
2.1 伺服电机工作原理
伺服电机跟普通电机最大的区别在哪？说白了，普通电机只管转，伺服电机知道自己在哪、要转到哪。这个"知道自己在哪"的能力，就是它跟步进电机最大的不同。
我刚开始做项目时，有次用步进电机做定位，结果丢步了，产品全废了。从那以后，但凡精度要求高的场合，我必用伺服。为什么？因为伺服电机内部有编码器，能实时反馈位置。
伺服电机的工作原理，我习惯用一句话概括：给定目标位置，编码器反馈当前位置，控制器算出误差，然后驱动电机往目标跑。就这么简单。
具体到电机本体，伺服电机通常是永磁同步电机（PMSM）。转子是永磁体，定子绕了三相线圈。通电后，定子产生旋转磁场，拉着转子转。这个旋转磁场的速度，就是同步转速。所以伺服电机的转速跟频率是严格对应的。
核心要点：伺服电机的转速 n = 60f / p，其中 f 是频率，p 是极对数。比如 4 极电机（p=2），50Hz 时转速就是 1500rpm。
这里有个坑，我提醒一下：伺服电机不能直接接工频电源。必须通过驱动器供电，因为驱动器能控制频率和电压，实现调速。
2.2 编码器类型与原理
编码器是伺服系统的眼睛。没有它，伺服就是瞎转。编码器分两大类：增量式和绝对式。
2.2.1 增量式编码器
增量式编码器输出脉冲信号。每转一圈，输出一定数量的脉冲。比如 2500 线编码器，转一圈输出 2500 个脉冲。驱动器通过计数脉冲个数，就知道电机转了多少。
但增量式有个致命问题：断电后位置丢失。你想想看，机器断电了，编码器不计数了，再上电时它不知道自己在哪。所以每次上电都要回零。
我在一个自动化产线项目中吃过这个亏。客户要求断电后不能回零，因为产线太长，回零要花 5 分钟。最后只能换成绝对式编码器。
2.2.2 绝对式编码器
绝对式编码器就牛了。它每个位置都有一个唯一的编码值。断电再上电，直接读编码值就知道位置。不需要回零。
绝对式编码器分两种：单圈和多圈。单圈的只能记一圈内的位置，多圈的能记多圈。多圈编码器内部有齿轮组或电池，能记录圈数。
| 类型 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 增量式 | 便宜、简单 | 断电丢位置 | 每次上电可回零 |
| 绝对式单圈 | 断电不丢位置 | 只能记一圈 | 旋转角度小于360° |
| 绝对式多圈 | 断电不丢位置，可记多圈 | 贵 | 长行程、多圈旋转 |
我的建议：新项目尽量用绝对式编码器。虽然贵一点，但省去了回零的麻烦，而且可靠性高。尤其是做设备出口的，国外客户对回零时间很敏感。
2.3 伺服驱动器核心参数
伺服驱动器是大脑。它接收控制器的指令，驱动电机运转。驱动器的参数很多，但核心的就几个。
2.3.1 额定电流与峰值电流
额定电流是驱动器能长期输出的电流。峰值电流是短时间能输出的最大电流。一般峰值电流是额定电流的 2-3 倍。
选型时要注意：电机的额定电流不能超过驱动器的额定电流。但电机的峰值电流可以超过驱动器的额定电流，只要不超过驱动器的峰值电流就行。
2.3.2 带宽
带宽决定了驱动器的响应速度。带宽越高，响应越快。一般电流环带宽 1-2kHz，速度环带宽 100-500Hz，位置环带宽 10-50Hz。
我遇到过有人把位置环带宽设到 200Hz，结果系统震荡得跟筛子似的。为什么？因为位置环带宽不能超过速度环带宽的 1/5。这是经验值。
2.3.3 控制模式
驱动器支持三种控制模式：位置模式、速度模式、转矩模式。位置模式最常用，直接给脉冲或总线指令。速度模式给模拟量或数字量速度指令。转矩模式给电流指令。
注意：转矩模式下，电机没有位置限制。如果负载突然消失，电机会飞车。所以转矩模式一定要配合机械限位或软件限位使用。
2.4 伺服系统三环调节
这是伺服系统的核心。三环就是位置环、速度环、电流环。它们像俄罗斯套娃一样，一层套一层。
2.4.1 电流环
电流环在最里面，响应最快。它控制电机的电流，也就是转矩。电流环的输入是电流指令，输出是 PWM 波驱动电机。
调电流环时，我习惯先调 PI 参数。比例系数 P 先给一个较小的值，积分系数 I 给 0。然后慢慢加大 P，直到电流响应出现震荡。再把 P 往回退 20%，然后加 I 消除稳态误差。
经验值：电流环的 P 一般在 0.1-1.0 之间，I 在 0.01-0.1 之间。具体看电机和驱动器的匹配。
2.4.2 速度环
速度环在中间。它接收位置环给出的速度指令，然后输出电流指令给电流环。速度环的响应比电流环慢，但比位置环快。
调速度环时，要注意：速度环的带宽不能超过电流环带宽的 1/5。否则系统会不稳定。我见过有人把速度环带宽设到 500Hz，电流环带宽才 1kHz，结果电机嗡嗡响。
2.4.3 位置环
位置环在最外面，响应最慢。它接收控制器给的目标位置，然后输出速度指令给速度环。位置环的 P 参数决定了系统的刚性。
位置环的 P 越大，系统刚性越强，定位越快。但 P 太大，系统会震荡。我一般把位置环的 P 调到速度环带宽的 1/5 左右。
避坑指南：我曾经调一个高速贴片机，位置环 P 给得太大，结果电机一启动就尖叫。后来发现是机械共振。解决办法是加一个陷波滤波器，把共振频率滤掉。
2.5 三环调节实战步骤
说了这么多理论，来点实际的。我调三环的步骤是这样的：
- 先调电流环：给一个阶跃电流指令，看电流响应。调 PI 参数，让电流响应快且无超调。
- 再调速度环：给一个阶跃速度指令，看速度响应。调 PI 参数，让速度响应快且无超调。
- 最后调位置环：给一个阶跃位置指令，看位置响应。调 P 参数，让位置响应快且无超调。
记住：每一步都要在前一步调好的基础上进行。不要跳步，否则你会陷入死循环。
重要提醒：调参数时，一定要先备份原参数。我见过有人调乱了，恢复不了，只能重新写参数。那叫一个惨。
好了，伺服系统的基础就这些。你把这些搞懂了，后面调参数、修故障就有底气了。记住：伺服系统没那么神秘，它就是电机、编码器、驱动器三件套，加上三环控制。搞懂了这些，你就入门了。
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