3. 位置/速度/转矩控制模式
伺服驱动器对外表现出的“位置模式、速度模式、转矩模式”，并不是三套彼此独立的控制硬件，而是同一套电流环、速度环、位置环在不同层级上“截取”指令的结果。理解这一点，是后续参数整定和模式切换不踩坑的前提。三环从内到外依次为：电流环（转矩环）→ 速度环 → 位置环，内环带宽最高、响应最快，外环逐级包裹内环。外环的输出就是内环的指令，因此外环永远无法比内环更快，这是整定时“先内后外”的根本原因。
一、三环控制结构：谁给谁下指令
以一台 750W 交流永磁同步伺服（额定转矩约 2.39 N·m、额定转速 3000 r/min、编码器 17bit 增量/绝对值）为例，三环的指令链如下：
- 电流环：输入是 q 轴电流指令 Iq_ref（对应转矩指令），反馈是 U/V/W 三相电流经 Clarke/Park 变换后的 Iq_fb。PI 调节器输出 Ud/Uq，再经 SVPWM 驱动 IPM。电流环周期通常为 62.5 μs～125 μs，带宽可达 1～2 kHz。
- 速度环：输入是速度指令 ω_ref（r/min 或 rad/s），反馈是编码器差分得到的速度 ω_fb。速度环 PI 输出即为 Iq_ref。速度环周期通常为 125 μs～250 μs，带宽约 100～300 Hz。
- 位置环：输入是位置指令 θ_ref（脉冲或用户单位），反馈是编码器累计位置 θ_fb。位置环通常只用比例增益 Kp（部分驱动器带前馈），输出即为 ω_ref。位置环周期通常为 250 μs～1 ms，带宽约 20～80 Hz。
三种“控制模式”本质上是把指令入口放在不同层级：转矩模式直接给 Iq_ref；速度模式直接给 ω_ref，由驱动器内部闭合速度环和电流环；位置模式直接给 θ_ref，由驱动器内部闭合三环。因此模式越高层，驱动器承担的控制任务越多，对参数整定的依赖也越强。
二、参数整定方法：先内后外，逐环闭合
整定的顺序必须是电流环 → 速度环 → 位置环，且每一环闭合稳定后再整下一环。工程上常用的方法是“临界比例度法”与“阶跃响应法”结合，具体操作如下。
电流环整定：多数驱动器出厂已根据电机电感、电阻自动计算电流环 PI，一般不需要用户改动。若需手动整定，可先设 Ki=0，逐步增大 Kp 直到电流阶跃响应出现约 5% 超调且无持续振荡，再加入 Ki 消除稳态误差。判断依据是示波器观察 Iq_fb 对 Iq_ref 阶跃的响应，上升时间应在 0.5～1 ms 量级。
速度环整定：先设位置环增益为 0（或切到速度模式），给速度指令一个 100 r/min 的阶跃。初始 Kp 取较小值，逐步增大直到速度反馈出现轻微超调（约 10%～20%），此时再加入积分 Ki，使稳态速度误差趋近于零。若出现高频啸叫或电流波形毛刺，说明 Kp 过大，应回调 20%～30%。速度环带宽一般整定到 100～200 Hz 即可，不必追求过高。
位置环整定：位置环通常只用比例增益 Kp_pos，单位是 1/s。经验公式为 Kp_pos ≈ (1/3～1/5) × 速度环带宽（Hz）× 2π。例如速度环带宽 150 Hz，则 Kp_pos 约 30～50 1/s。增大 Kp_pos 可减小位置跟随误差，但过大会引起定位超调或机械振动。若机械刚性较低（如皮带传动、长丝杠），Kp_pos 应取小值并配合加减速时间常数使用。
三、模式切换：不能“硬切”，要“软过渡”
三种模式之间切换时，最容易出问题的是切换瞬间指令突变导致转矩冲击或过流报警。正确的做法是：
- 转矩→速度：先将转矩指令降为 0，使电机自由停车或由外部机械保持，再切换到速度模式并给 0 速指令，确认无异常后再给速度指令。
- 速度→位置：先让速度指令降为 0，电机停稳后切换位置模式，再将当前位置设为位置指令原点（或执行回零），最后给定位指令。
- 位置→速度：先停止位置指令输出，等位置环稳定，再切换速度模式。若在运动过程中切换，必须保证速度指令与当前实际速度方向、大小接近，否则会产生速度突变。
部分驱动器支持“模式切换平滑过渡”功能，内部会在切换时自动做指令斜坡处理。若没有该功能，应在 PLC 或运动控制器侧做指令斜坡，斜坡时间一般取 50～200 ms。
四、工程调试步骤与判断依据
下面给出一套可直接执行的调试流程，适用于首次上电或更换电机后的系统。
| 步骤 | 操作 | 观察对象 | 合格判断 |
|---|---|---|---|
| 1 | 确认电机参数（额定电流、转矩、编码器分辨率）已正确写入驱动器 | 驱动器参数页 | 与铭牌一致，无报警 |
| 2 | 转矩模式，给 10% 额定转矩指令，电机堵转或轻载 | Iq_fb 波形 | 电流跟随指令，无剧烈振荡 |
| 3 | 速度模式，给 100 r/min 阶跃 | 速度反馈波形 | 上升时间 < 50 ms，超调 < 20% |
| 4 | 位置模式，给 10000 脉冲定位指令 | 位置跟随误差 | 稳态误差 < 5 脉冲，无超调 |
| 5 | 连续 10 次往返定位 | 每次到位信号 | 10 次均到位，无过冲报警 |
| 6 | 模式切换测试（速度→位置） | 切换瞬间电流 | 无过流报警，无机械冲击声 |
调试中若出现定位超调，优先降低位置环 Kp_pos 或增加速度环积分时间；若出现低速爬行，检查速度环 Ki 是否过小或机械摩擦是否过大；若出现高频啸叫，检查速度环 Kp 是否过大或编码器分辨率设置是否正确。所有参数修改后都应重新执行第 5 步的往返定位验证，确认稳定性没有退化。
最后强调一个工程习惯：每次整定完成后，把电流环、速度环、位置环的关键参数以及对应的阶跃响应波形存档。下次遇到相似机械结构时，可以以此为起点微调，而不是从零开始试凑。三环整定没有“万能参数”，只有与当前机械负载匹配的参数。