什么是伺服电机的电流环、速度环、位置环和带宽？

FAQ: What are servo motor current, velocity and position loops and bandwidths?

1. 伺服电机在闭环系统中运行，该系统包括反馈装置、驱动器（放大器）和控制器。控制器使用反馈装置的输出将指令值（位置、速度或扭矩）与达到的值进行比较，并向驱动器发出指令以纠正任何错误。监控反馈和进行纠正的过程称为控制回路，即为环。根据应用和性能要求，伺服系统可以包括三种控制回路的任意组合：位置回路、速度回路和/或电流回路。
   伺服驱动器通常具有多回路结构，电流回路嵌套在速度回路中，速度回路嵌套在位置回路中。
2. 速度环
   速度环是最常见的伺服控制环。它通过转速表或编码器将指令速度与实际速度进行比较，并相应地发出增加或降低电机速度的指令。速度回路也称为PI控制器，因为它通常使用比例增益（Kvp）和积分增益（Kvi）来确定校正命令。顾名思义，比例增益的大小与误差的大小成正比，而积分增益随着时间的推移而增加，用于在运动结束时将电机“推”到零误差。伺服反馈增益，即比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd，决定了伺服试图纠正或减少指令值和实际值之间的误差的程度。
3. 位置环
   对于需要位置控制的应用，在所谓的级联位置/速度回路中，在速度回路的“周围”添加位置回路。位置回路确定跟随误差，即实际位置和指令位置之间的偏差，并发出速度指令以减少或消除跟随误差。在级联系统中，位置回路通常只使用比例增益Kp。
   伺服系统可以使用位置回路而不使用速度回路，尽管速度反馈提供了额外的刚度，并对抗高频干扰。如果单独使用位置回路，而没有速度回路，则位置回路将为PID控制器。比例、积分和微分三种增益的使用虽然更复杂，但允许系统调整到最佳性能。
4. 电流环
   当所需的响应时间很高时，需要电流控制，如许多工业伺服应用中的情况。电流回路的主要目标是控制转矩，转矩会影响速度，从而影响位置。电流环通常嵌套在速度环内，使电流成为最内层的回路，中间的速度环，位置环是最外环。电流回路通常是PI控制器，具有比例增益和积分增益。电流控制参数通常由制造商设置，从而节省用户调整电流控制回路的时间和精力。
5. 带宽
   在任何级联系统中，内环的响应时间或带宽必须快于外环的响应时间。否则，内环对外环几乎没有影响。嵌套伺服控制回路的一般规则是，速度回路的带宽应为位置回路的5到10倍，当前回路的带宽应为速度回路的5到10倍。
   一般来说，带宽越高越好，但由于一个环路的带宽会影响其中的下一个环路，因此增加位置环路的带宽会导致速度环路所需的带宽增加。同样，增加速度回路的带宽会导致当前回路所需的带宽增加。在这两种情况下，将一个循环的带宽增加到下一个嵌套循环所需的带宽无法实现的程度，对系统的性能没有好处。