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什么是闭环?

11 四月 2022
John Keesee

在学习伺服电机和伺服系统时,您可能会遇到“闭环系统”这个词。如果您曾想要了解它的含义和工作原理,那么您来对地方了。 让我们逐步了解一些最常见的问题。

什么是闭环? 环路不是一直闭合吗?

想象一下在我们周围看到的一些熟悉的环路,如过山车、赛道、钥匙圈,它们有一个共同的基本特征:头尾相连。 同样的概念可适用于伺服环路。 控制系统向驱动器发出命令;驱动器向电机输送动力;电机的响应(速度和位置)被传回控制系统,从而闭合环路。 目的是让反馈与命令相匹配。

但是,从技术上讲,是什么闭合了伺服电机环路? 

工程师通常会用一个词来回答——“反馈”,但这只是部分正确。 闭环系统确实依赖于提供转矩、速度和位置反馈的装置,但只有在控制器对反馈数据进行处理后,环路才会闭合。

例如,驱动器控制发出一个命令,或者说是一个目标,告诉驱动器以 1500 rpm 的速度驱动电机。 驱动器给电机通电,然后电机响应。 但是,如果反馈装置告知控制系统电机仅以 500 rpm 的转速运动,那么驱动控制系统会记录一个错误。 这里是伺服系统的核心。 认识到 500 rpm 不正确,驱动控制系统会重新计算使电机以 1500 rpm 旋转所需的时间,并相应调整电流。

那么,驱动器内部发生了什么使反馈控制环路闭合?

当反馈数据进入控制系统中的求和节点时,环路闭合,控制系统计算出误差(目标值和实际值之间的差值),然后驱动控制系统发出新命令进行补偿。 所有这些都发生得非常快,比眨眼的速度还快几百倍,而且这个过程会不断重复。

但如果我想调节其他方面,比如转矩或位置与速度控制,该如何操作?

对于包含多个环路的伺服系统。 主环路是电流环路。 电流在电机里转化为转矩。 驱动器中的电流环路接收命令,然后将电流输送到电机。 驱动器内部的传感装置测量电流,并将电流值发送回求和节点。 如果存在错误,驱动器将进行调整以修正电流。 但是,如果目标电流不正确,无法达到目标速度和位置,又会怎样? 这就是还配有额外环路的原因。

第二个环路是速度环路。 该环路的反馈通常连接到电机或运动控制中的物体。 反馈被发送回驱动控制系统。 这里的区别在于,如果存在速度错误,控制系统会向主电流环路发出新的电流命令。 换言之,速度环路将其误差反馈到电流环路中。 随着电流的变化,速度也随之变化,两个环路都会检查反馈数据是否存在错误。

第三个环路是位置环路。 您可以想象下,其过程相同。 目标位置与实际位置比较会得出位置误差,并作为新命令发送到速度环路。 速度环路按如上所述工作,以提供目标电流。 三个环路同时工作,以达到目标位置。  

总之,为了调节位置、速度、转矩或其他系统参数,如压力或张力,必须向其中一个控制环路提供相关反馈,以便该环路能够闭合。

如果我们称其为闭环系统,那么有开环系统吗?

虽然“开环”这个词很常见,但这可能被认为是用词不当,因为它实际上意味着“无环路”。事实是,只有通过反馈来闭合环路,环路才会存在。

在一个开环系统中,您对结果有一个预期,但由于没有测量它,您真的不知道负载发生了什么。 您可以用一个固有的开环系统,比如步进系统,并添加一个位置或速度反馈装置。 本质上,您认识到存在潜在的环路,您要将它们闭合。 这种情况确实会发生,这就是为什么您会在产品描述的某处看到步进电机的反馈装置,通常带有“伺服式”字样。

但问题会变成,如果您使用步进电机并闭合一个或多个环路:

您应该在什么时候使用伺服系统?

问得好。 这时您应该考虑咨询运动控制专家来讨论您的具体应用需求。

关于作者

John Keesee

John Keesee

John Keesee在科尔摩根担任技术工程师一职,专注于伺服电机和执行机构的新产品开发。 他拥有超过18年的应用、设计工程及管理经验,他擅长组建强大的技术支持团队,通过资深工程师的相互合作,应用创新的材料和生产技术,帮助客户以更高的精度和效率解决他们的运动控制挑战。 John拥有弗吉尼亚理工大学机械工程学士和硕士学位。

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