工業(yè)機(jī)器人用伺服系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。
    目前國(guó)外許多電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動(dòng)機(jī)相適配的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，用戶根據(jù)自己所需功能側(cè)重不同而選擇不同的伺服控制方式，一般情況下，交流伺服驅(qū)動(dòng)器，可通過對(duì)其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能：

    1．位置控制方式；

    2．速度控制方式；

    3．轉(zhuǎn)矩控制方式；

    4．位置、速度混合方式；

    5．位置、轉(zhuǎn)矩混合方式；

    6．速度、轉(zhuǎn)矩混合方式；

    7．轉(zhuǎn)矩限制；

    8．位置偏差過大報(bào)警；

    9．速度PID參數(shù)設(shè)置；

    10．速度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置；  

    11．零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置；

    12．加減速時(shí)間設(shè)置等。

四、驅(qū)動(dòng)器種類

    1．直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
    直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用脈寬調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動(dòng)器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    PWM伺服驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

    2．同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器
    同直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。
    同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統(tǒng)：

    （1）矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。

    （2）正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。

    采用矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)稱為無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。

    3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，誤差不長(zhǎng)期積累，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對(duì)較小、低速運(yùn)動(dòng)有脈動(dòng)、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡(jiǎn)易型機(jī)器人中。
    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所用的驅(qū)動(dòng)器，主要包括脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器和功率放大等幾大部分，其原理框圖如圖2所示。

    4．直接驅(qū)動(dòng)

    所謂直接驅(qū)動(dòng)（DD）系統(tǒng)，就是電動(dòng)機(jī)與其所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機(jī)構(gòu)。

    同傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)相比，DD驅(qū)動(dòng)減少了減速機(jī)構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動(dòng)過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動(dòng)，極大地提高了機(jī)器人的精度，同時(shí)也減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)所造成的機(jī)器人控制精度降低。而DD驅(qū)動(dòng)由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)械剛性好，可以高速高精度動(dòng)作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維修、可靠性高等特點(diǎn)，在高精度、高速工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中越來越引起人們的重視。

    作為DD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。它應(yīng)具有以下特性：

    （1）輸出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的50～100倍。

    （2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小： DD電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的5％～10％以內(nèi)。

    （3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動(dòng)機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式下）相比，DD電動(dòng)機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此，負(fù)載越大，越傾向于選用較大的電動(dòng)機(jī)。

    目前，DD電動(dòng)機(jī)主要分為變磁阻型和變磁阻混合型，有以下兩種結(jié)構(gòu)型式：

    （1）雙定子結(jié)構(gòu)變磁阻型DD電動(dòng)機(jī)；

    （2）中央定子型結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型DD電動(dòng)機(jī)。

    5．特種驅(qū)動(dòng)器

    （1）壓電驅(qū)動(dòng)器。

    眾所周知，利用壓電元件的電或電致伸縮現(xiàn)象已制造出應(yīng)變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅(qū)動(dòng)器利用電場(chǎng)能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級(jí)大的力，所以壓電驅(qū)動(dòng)器一般用于特殊用途的微型機(jī)器人系統(tǒng)中。

    （2）超聲波電動(dòng)機(jī)。

    （3）真空電動(dòng)機(jī)。

    用于超潔凈環(huán)境下工作的真空機(jī)器人，例如用于搬運(yùn)半導(dǎo)體硅片的超真空機(jī)器人等。