伺服扭矩控制模式的原理

伺服扭矩（转矩）控制模式完整原理

一、核心一句话概括

扭矩模式的控制目标：直接控制电机输出电磁力矩大小，转速交由负载决定。驱动器内部电流环作为主控外环，独立限制 q 轴扭矩电流；只要电机输出扭矩达到设定值，就维持该力矩，负载轻就加速、负载重就减速甚至静止。

伺服三环结构回顾：电流环（扭矩）→速度环→位置环

• 位置模式：外环 = 位置环

• 速度模式：外环 = 速度环

• 扭矩模式：外环直接使用【电流环】，关闭位置环、速度环

二、底层电磁原理（FOC 矢量控制）

永磁同步 / 无刷伺服采用 FOC 磁场定向控制，电流被解耦分成两路：

1. d 轴电流（励磁电流）：控制磁场强弱

2. q 轴电流（扭矩电流）：决定输出力矩公式简化：

\(T \propto I_q\)输出扭矩与 q 轴电流近似成正比。

扭矩模式工作逻辑：

1. 上位机给定扭矩指令（0~10V 模拟量 / 总线数值）；

2. 驱动器换算成对应的目标\(I_q\)；

3. 电流环高速调节三相绕组电流，强制把 q 轴电流稳定在目标值；

4. 持续输出固定力矩；

5. 没有转速闭环，转速不受驱动器主动管控。

三、运行两种状态

状态 1：设定扭矩 ＜ 负载阻力

电机产生的力矩不足以克服负载 → 电机静止，持续保持恒定推力 / 扭力。例：恒力压紧机构。

状态 2：设定扭矩 ＞ 负载阻力

合力不为零 → 电机持续加速旋转；⚠️ 空载时会不断加速 “飞车”！这是扭矩模式****危险点。

四、指令给定方式（时代超群 SD300 无刷伺服同样适用）

1. 0～10V 模拟量输入（AVI 端子）【最常用】0V=0 扭矩；10V = 驱动器****额定扭矩；电压线性对应力矩大小。

2. RS485/CAN 总线：直接写入扭矩百分比参数。

五、非常重要：扭矩模式必须配套【速度限制】

因为没有速度闭环，空载飞车风险极高！几乎所有伺服驱动器提供功能：扭矩模式下启用内部速度限幅工作逻辑：正常阶段：按设定扭矩输出；一旦转速超过设定限速 → 自动切入速度限制，不再继续加速。

收卷设备、张力控制标准方案：扭矩模式 + 转速限制

六、扭矩模式 vs 速度 / 位置模式本质区别

1. 位置模式：盯「位置」，力矩自动变化，用来到达目标坐标；

2. 速度模式：盯「转速」，力矩自动变化，维持转速恒定；

3. 扭矩模式：盯「输出力矩」，转速随负载自由变化。

七、典型应用场景

1. 薄膜、布料、锂电池极片 收放卷张力控制

2. 压合设备、弹性工件恒力压紧

3. 张力牵引、线材放线

4. 主从跟随、力矩随动机构

八、实操注意点（时代超群 SD 系列）

1. 参数 Pr000 设置为 2 = 扭矩模式；

2. 务必开启速度上限，防止飞车；

3. 模拟量控制线远离动力线，干扰会造成力矩波动；

4. 扭矩模式不会产生 E4/E5 位置超差报警（E4、E5 仅位置模式特有）。

九、通俗类比理解

想象用手推箱子：

• 位置模式：目标推到 3 米处，自动用力，到达停止；

• 速度模式：保持每秒 0.5 米前进，阻力大就自动加大力气；

• 扭矩模式：规定你只用 50N 的力量持续去推；箱子阻力大就不动，阻力小就越跑越快（不加限速会失控）。