基于ESVIEW3.2.1的PRONET伺服驱动器PID调试

基于ESVIEW3.2.1的PRONET伺服驱动器PID调试

一、三闭环控制的伺服系统

在伺服驱动器中，往往采用三闭环的控制方式来控制伺服的运行。如图所示：

市面上常见的交流伺服系统具有电流反馈，速度反馈和位置反馈的三闭环结构形式，其中电流环和速度环为内环（局部环），位置环为外环（主环）。电流环的作用是使电机绕组电流实时、准确的跟踪电流指令信号，限制电枢电流在动态过程中不超过最大值，使系统有足够大的加速转矩和实时性，但是电流环的处理时间十分短暂，只能通过电路元器件来进行控制。速度环的作用是增强系统的抗负载扰动的能力，抑制速度波动，实现稳态无静差。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能，这直接关系伺服系统的稳定性和能否高性能运行。通常来说，我们调节一台伺服的PID参数时，我们只调节速度环和位置环。

二、PID控制器基本概念

那么PID到底是什么呢。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。比例控制可以决定系统的响应速度，如果比例系数过大，会产生震荡，就是俗称刚性过强。

积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到接近于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后几乎无稳态误差。

微分（D）控制

在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

三、ESVIEW3.2.1界面介绍

在实际调节PRONET系列伺服电机时，我们会用到ESVIEW软件，下面我们来基本介绍下该软件的界面。

打开主界面：

我们可以看到，主界面和我们平常使用的软件基本一致，顶端一栏是菜单，左边是树状结构菜单，中间是主画面。下面我们一一介绍菜单栏图标的含义：

图例 示波器，可以采集波形图像 监视设定 Jog模式 报警信息

我们在手动整定参数的时候，需要用到“手动参数整定”的功能：

说明 连接，软件连接到PRONET系列伺服电机或者采用离线连接 断开连接

打开之后，我们可以看到如下的界面：

该界面中，左边是参数设定窗口，右边是波形采集窗口。我们可以在“测试参数”下的窗口中设置测试运行距离，重复时间，运行速度等参数。通过设定“测试参数”下的参数，我们可以大致模拟电机在实际运行中的运行状态。“伺服参数”下可以设定PID参数，其中有很多参数我们不需要设定和改变，我们需要调节的参数有“速度环增益”，“速度环积分时间”，“位置环增益”。通常来说，对于跟随精度要求并不特别高的情况，我们只需要调节这三个参数。需要注意，一组PID参数往往只能针对一种负载情况。所以在调节前，最好将电机接上负载。

四、ESVIEW3.2.1连接PRONET

在调节前，我们需要将ESVIEW连接PRONET。这里我们用到485串口进行连接。首先是硬件连接。对于PC来说，我们可能需要USB转485的转换器，PC通过转换器与PRONET相连。对于PRONET来说，我们需要根据不同的型号，找到485接口，并将对应的接口接到我们的转换器上，详细可以参见图示（以ProNet-02AEA-EC为例）：

图示是ProNet-02AEA-EC系列的CN1口部分引脚说明，我们可以看到6,7引脚对应的是485信号引脚。那么大致的接线图如下图：

485+ 485- D+/A+ D-/B- PRONET CN1 USB-485转换器 接线完成后，我们上电，打开PC的设备管理器，可以看到我们的设备名称。

记下此时的端口号码，接下来的连接会用到。 打开ESVIEW的连接功能，选择“接口”选项中的第一个“Serial”选项，“通信参数”中将端口改为之前设备管理器中显示的端口号。然后点击搜索，我们就可以看到设备了。然后点击连接，这样，目前为止我们已经使用ESVIEW连接上了PRONET。

五、手动整定PID参数

那么，如何整定PID参数呢。我们打开前文所提的“手动整定参数”的功能。在调解时，我们需要一边对比图像，一边进行参数修改。该功能抓取的图像有四条曲线，分别是“速度给定”，“速度反馈”，“位置给定”，“位置反馈”。我们通过对比给定和反馈的曲线，来判断是否需要调节PID和如何调节PID。 下面，我们以实验室拉杆箱中的丝杆机构为例：

按图设定参数以后，依次电机如图按钮，便可以生成波形。注意：采样波形时会实际控制电机的移动。

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图中，我们需要关注速度曲线的响应时间以及跟随误差，位置曲线的响应时间。以上图为例，速度的跟随误差在峰值时也有接近300rpm，而电机的最大转速是2500rpm，也就是说误差有10%以上。响应时间大概有10ms。接下来我们看位置曲线，它的响应时间可能有90ms左右，在90ms以前都是存在很微小的误差。 通过上述的分析，我们大致判定，我们需要将速度环的比例增益和积分时间都放大，位置环的比例增益放大。这里，我们直接将调节过后的参数进行演示。

我们可以对比上面的两张图片可以发现，调节之后的曲线是明显跟随地更加紧密，速度曲线的峰值误差几乎不存在，位置曲线响应时间缩短到60ms，而其中是存在给定曲线的加速时间的，所以可以说位置曲线的响应时间已经很快了。 接下来我们将波形采样时的移动距离增加，可以更完整地看到曲线：

分析一下图片，可以发现，当速度给定曲线稳定以后，速度反馈曲线会有小幅度的波动，这种波动是增益过大造成的，但是减小增益会导致速度跟随误差扩大，我们可以通过调节速度的积分时间进行略微使速度曲线平滑，但是积分时间过大，会导致跟随误差的扩大。所以针对速度曲线来说，理论上是有一组最佳的PI参数的，但是如果控制对象运动中的跟随误差要求并不是很严格，图中的曲线已经可以达到要求了。我们在看下位置曲线，控制位置曲线的参数只有一个位置环增益P，其控制着曲线的响应时间，理论上增益越大，跟随误差越小。但是过大的增益会导致超调震荡，也就是所谓的刚性过强，使机械抖动。严重时会导致机械故障。所以调节位置增益时一般增幅很小，简易正负5之间调节，切勿变化过大。

六、PID参数整定的心得

一般来说，如果用户对于运动时的跟随误差没有要求，只是需要点对点的定位运动，一般只需要大概地调节PID参数或者不调节，不必调节的特别精细。这里，我给出一组起调参数，速度环增益=600，速度环积分时间=200，位置环增益=70。使用时可以直接将这组参数输入到Pn102，Pn103，Pn104中；也可以输入到“手动整定参数”的功能中对应的参数栏。这时观察曲线，进行参数的整定。参考整定量如下：速度环增益：±50，速度环积分时间：±5~±10，位置环增益：±5。同时需要注意，速度环增益一般不超过1500，速度环积分时间一般不超过2000，位置环增益一般不超过100。 若有不足之处请指正，谢谢！ 2018.6.11 王磊

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