工業(yè)機(jī)器人用伺服系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。
    目前國外許多電動機(jī)生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動機(jī)相適配的驅(qū)動產(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)動器，可通過對其內(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．加減速時間設(shè)置等。

四、驅(qū)動器種類

    1．直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器
    直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器多采用脈寬調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    PWM伺服驅(qū)動器具有調(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機(jī)驅(qū)動器。

    2．同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器
    同直流伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比高、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機(jī)驅(qū)動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)對三相永磁同步伺服電動機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動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)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。

    （2）正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。

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

    3．步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器

    步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖信號變換為相應(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)境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(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、正反轉(zhuǎn)制動。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)速范圍相對較小、低速運(yùn)動有脈動、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機(jī)器人中。
    步進(jìn)電動機(jī)所用的驅(qū)動器，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

    所謂直接驅(qū)動（DD）系統(tǒng)，就是電動機(jī)與其所驅(qū)動的負(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)的電動機(jī)伺服驅(qū)動相比，DD驅(qū)動減少了減速機(jī)構(gòu)，從而減少了系統(tǒng)傳動過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動，極大地提高了機(jī)器人的精度，同時也減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動所造成的機(jī)器人控制精度降低。而DD驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)械剛性好，可以高速高精度動作，且具有部件少、結(jié)構(gòu)簡單、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)動技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是DD電動機(jī)及其驅(qū)動器。它應(yīng)具有以下特性：

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

    （2）轉(zhuǎn)矩脈動?。?DD電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的5％～10％以內(nèi)。

    （3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動方式下）相比，DD電動機(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機(jī)。

    目前，DD電動機(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電動機(jī)；

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

    5．特種驅(qū)動器

    （1）壓電驅(qū)動器。

    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)動器利用電場能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級大的力，所以壓電驅(qū)動器一般用于特殊用途的微型機(jī)器人系統(tǒng)中。

    （2）超聲波電動機(jī)。

    （3）真空電動機(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。