伺服电机全闭环控制系统架构
1. 指令输入与模式选择层
1.1 控制模式切换
- 位置模式 (Position Mode)
- 速度模式 (Velocity Mode)
- 转矩模式 (Torque Mode)
- 模式互锁与优先级逻辑
1.2 指令预处理通道
- 位置指令通道
- 指令源选择 (脉冲/模拟量/总线通信)
- 电子齿轮比变换 (0x2093/0x2094)
- 位置单位变换 (指令脉冲→编码器脉冲)
- 位置指令低通滤波器 (0x2075)
- 位置指令滤波时间常数
- 速度指令通道
- 转矩指令通道
- 转矩限制设定 (正向最大值0x20A0/反向最大值0x209F)
2. 位置控制环 (外环)
2.1 位置偏差生成
- 位置指令总和 (指令+补偿)
- 位置反馈 (编码器实际值)
- 位置偏差计算 (0x20F9)
2.2 位置调节器
- 比例增益 Kp (0x20C1)
- 位置环前馈控制
- 位置偏差清零逻辑
2.3 位置规划器 (Motion Profile)
3. 速度控制环 (中环)
3.1 速度指令合成
- 位置环输出指令
- 速度前馈叠加 (Velocity Feedforward)
- 速度指令低通滤波器 (0x2072)
3.2 速度反馈处理
- 编码器位置微分 (d/dt)
- 速度反馈低通滤波器 (0x2070)
- 速度单位变换 (rpm→pps或内部单位)
3.3 速度调节器 (ASR)
- 速度偏差计算 (指令-反馈)
- PI 控制器
- 比例增益 Kvp (0x21C9)
- 积分增益 Kvi (0x21CA)
- 积分限幅/积分分离
- 输出限幅 (速度限制)
3.4 速度环补偿网络
- 摩擦补偿 (0x20E0)
- 负载扰动补偿 (0x20D1)
- 转矩前馈增益
4. 转矩/电流控制环 (内环)
4.1 转矩指令处理
- 速度环输出转矩指令
- 转矩指令低通滤波器 (0x2073)
- 转矩指令限制 (限幅保护)
4.2 电流指令分配
- d轴电流指令 (Id=0 控制)
- q轴电流指令 (转矩电流 Iq)
- 弱磁控制逻辑 (高速区)
4.3 电流调节器 (ACR)
- d轴电流 PI 控制器
- 比例增益 (0x21C0)
- 积分增益 (0x21C1)
- q轴电流 PI 控制器
- 比例增益 (0x21C2)
- 积分增益 (0x21C3)
- 解耦控制 (电压前馈补偿)
- 输出电压限幅 (母线电压利用率)
4.4 电流坐标变换
- Clark 变换 (3相UVW → 2相静止αβ)
- Park 变换 (静止αβ → 旋转dq坐标系)
- 反 Park 变换 (dq → αβ)
- 电角度获取与补偿 (0x20D4)
5. 功率驱动与执行层
5.1 PWM 调制
- SVPWM (空间矢量脉宽调制)
- 载波频率设定 (0x20B3)
- 死区时间补偿
5.2 功率逆变器
- 三相全桥 IGBT/MOSFET
- 电流采样电阻/霍尔传感器
- 母线电压检测
5.3 伺服电机本体
- 永磁同步电机 (PMSM)
- 反电动势特性
- 相电感/电阻参数
6. 状态观测与反馈层
6.1 位置检测
- 编码器信号采集 (增量式/绝对值)
- 编码器分辨率设定 (0x20D4)
- 位置环周期 (0x21E0)
6.2 速度观测
- 微分法速度计算 (Δθ/Δt)
- 状态观测器 (龙伯格观测器/滑模观测器)
- 速度检测滤波
6.3 电流检测
- 三相电流采样 (U/V/W相)
- 电流偏置自动校正 (0x2094)
- 采样电阻温度补偿
7. 高级补偿与自适应模块
7.1 机械共振抑制
- 陷波滤波器 (Notch Filter)
- 中心频率 (0x21C4)
- 带宽 (0x21C5)
- 深度 (0x21C6)
- 低通滤波器级联
7.2 惯量辨识与自适应
- 在线惯量辨识 (0x2160)
- 惯量比实时计算 (负载惯量/电机惯量)
- 增益自动调整 (根据惯量比自整定)
7.3 非线性补偿
- 齿隙补偿 (Backlash)
- 死区补偿
- 粘滑摩擦补偿 (Stick-slip)
7.4 扰动抑制
- 扩展状态观测器 (ESO)
- 负载转矩观测器
- 外部扰动前馈补偿
8. 参数管理与接口层
8.1 参数存储区
- 运动参数组 (0x20xx 段)
- 增益参数组 (0x21xx 段)
- 滤波器参数组 (0x20E0-0x20EF)
- 保护阈值参数
8.2 通信接口
- 编码器分频输出
- 脉冲指令输入 (CW/CCW或A/B相)
- 模拟量输入 (±10V)
- 工业总线 (CANopen/Modbus/EtherCAT)
8.3 保护与监控
- 过流保护 (硬件/软件)
- 过压/欠压保护
- 过载保护 (I²t算法)
- 编码器断线检测
