伺服電機在工業(yè)機器人中的應(yīng)用

什么是伺服電機

伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

伺服電機工作原理

伺服電機在工業(yè)機器人中的應(yīng)用

機器人產(chǎn)業(yè)的增長如火如荼，遍地開花，大量機床廠家、伺服廠家和其他有條件的企業(yè)都紛紛轉(zhuǎn)向機器人市場。為何機床廠家和伺服廠家如此積極轉(zhuǎn)型研發(fā)機器人?工業(yè)機器人有4大組成部分，分別為本體，伺服，減速器和控制器。

步進電機用于驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，要求是要有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。

機器人產(chǎn)業(yè)壯大，需要在伺服、集成控制等領(lǐng)域相繼取得突破才能成行。目前，我國在伺服等領(lǐng)域依然處于待突破階段，對本土機器人產(chǎn)業(yè)造成不利影響。

工業(yè)機器人電動伺服系統(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)。一般情況下，對于交流伺服驅(qū)動器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進行人工設(shè)定而實現(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等多種功能。

工業(yè)自動化進程的持續(xù)推進，對于自動化軟件及硬件設(shè)備的需求都居高不下，其中國內(nèi)工業(yè)機器人的市場一直穩(wěn)步增長，預計在2015我國成為全球最大需求市場。

與此同時，直接帶動伺服系統(tǒng)的市場需求。美萊克供應(yīng)的鳴志步進伺服電機系統(tǒng)在集成式電機中完美融入了伺服控制技術(shù)，具有精度高、穩(wěn)定性好、速度快等特點。

目前，由于高啟動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電機在工業(yè)機器人中得到廣泛的應(yīng)用。其他電機，如交流伺服電機、步進電機根據(jù)不同的應(yīng)用需求也會應(yīng)用到工業(yè)機器人中。

特別是像機器人末端執(zhí)行器(手爪)應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電機，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電機必須具有較高的可靠性，并且有較大的短時過載能力。具體使用要求：

快速性。

啟動轉(zhuǎn)矩慣量比大。

控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。

調(diào)速范圍寬。

體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。

能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能夠在短時間內(nèi)承受過載。

伺服電機行業(yè)未來趨勢

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，在經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變后，其內(nèi)部數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制等;其實現(xiàn)主要通過新型功率半導體器件，像高性能DSP加FPGA、甚至伺服專用模塊也不足為奇。且新的功率器件或模塊每2～2.5年就會更新一次，新的軟件算法也日新月異，國際廠商的伺服產(chǎn)品大概每5年亦會更新?lián)Q代——總而言之，產(chǎn)品生命周期越來越短，變化越來越快。總結(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下一些伺服電機系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢：

高效率化

盡管高效化一直都是伺服系統(tǒng)重要的發(fā)展課題，但是仍需要繼續(xù)加強。主要包括電機本身的高效率：比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計；也包括驅(qū)動系統(tǒng)的高效率化：包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化，加減速運動的優(yōu)化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

直接驅(qū)動

直接驅(qū)動包括采用盤式電機的轉(zhuǎn)臺伺服驅(qū)動和采用直線電機的線性伺服驅(qū)動，由于消除了中間機械傳動設(shè)備的（如齒輪箱）傳遞誤差，從而實現(xiàn)了高速化和高定位精度。而直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構(gòu)的各種裝置實現(xiàn)小型化和輕量化。

高速、高精、高性能化

采用更高精度的編碼器，更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機、直線電機，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)指標（控制速度、控制精度）提高。

一體化和集成化

電動機、反饋、控制、驅(qū)動、通訊的縱向一體化成為當前小功率伺服系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。有時我們稱這種集成了驅(qū)動和通訊的電機叫智能化電機，有時我們把集成了運動控制和通訊的驅(qū)動器叫智能化伺服驅(qū)動器。電機、驅(qū)動和控制的集成使三者從設(shè)計、制造到運行、維護都更緊密地融為一體。但是這種方式面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)和工程師使用習慣的挑戰(zhàn)，因此很難成為主流，在整個伺服市場中是一個很小的有特色的部分。

通用化

通用型驅(qū)動器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設(shè)置成V/F控制、無速度傳感器開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式，適用于各種場合，可以驅(qū)動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機，也可以適應(yīng)不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？梢允褂秒姍C本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

智能化

現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進口驅(qū)動器都具備負載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅(qū)動結(jié)合在一起，對于伺服用戶來說，則提供了更好的體驗。

網(wǎng)絡(luò)化和模塊化

將現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、甚至無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成到伺服驅(qū)動器當中，已經(jīng)成為歐洲和美國廠商的常用做法?，F(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應(yīng)高性能運動控制對數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內(nèi)對大規(guī)模分布式控制裝置的需求上升，高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的開發(fā)已經(jīng)成為當務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅(qū)動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅(qū)動器內(nèi)部軟件和硬件的模塊化和可重用。

從故障診斷到預測性維護

隨著機器安全標準的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護技術(shù)已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預測性維護技術(shù)，使得人們可以通過Internet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。

**專用化和多樣化**

雖然市場上存在通用化的伺服產(chǎn)品系列，但是為某種特定應(yīng)用場合專門設(shè)計制造的伺服系統(tǒng)比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結(jié)構(gòu)和嵌入式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機出現(xiàn)，分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產(chǎn)實現(xiàn)了高效率、大批量和自動化，并引起國內(nèi)廠家的研究