伺服電機(jī)的分類、特點(diǎn)及接線圖 機(jī)器人的工作原理和技術(shù)參數(shù)

來源：中國指揮與控制學(xué)會

伺服電機(jī)的概述

伺服驅(qū)動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。

一、伺服電機(jī)的分類

分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，交流伺服電動機(jī)又分為異步伺服電動機(jī)和同步伺服電動機(jī)，目前交流系統(tǒng)正在逐漸代替直流系統(tǒng)。與直流系統(tǒng)相比，交流伺服電機(jī)具有高可靠性、散熱好、轉(zhuǎn)動慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闊o電刷和轉(zhuǎn)向器，故交流私服系統(tǒng)也成為無刷伺服系統(tǒng)，用于其中的電機(jī)是無刷結(jié)構(gòu)的籠型異步電機(jī)和永磁同步型電機(jī)。

1）直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)

①有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對使用環(huán)境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合；

②無刷電機(jī)體積小重量輕，出力大響應(yīng)快，速度高慣量小，力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動平滑，控制復(fù)雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機(jī)免維護(hù)，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環(huán)境。

二、不同類型伺服電機(jī)的特點(diǎn)

1）直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：速度控制精確，轉(zhuǎn)矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。

缺點(diǎn)：電刷換向，速度限制，附加阻力，產(chǎn)生磨損微粒（無塵易爆環(huán)境不宜）

2）交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決于編碼器精度），額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護(hù)（適用于無塵、易爆環(huán)境）。

缺點(diǎn)：控制較復(fù)雜，驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。

目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

三、伺服系統(tǒng)接線圖

1. 驅(qū)動器接線

伺服驅(qū)動器主要有控制回路電源、主控制回路電源、伺服輸出電源、控制器輸入CN1、編碼器接口CN2、連接起CN3?？刂苹芈冯娫词菃蜗郃C電源，輸入電源可單相、三相，但是必須是220v，就是說三相輸入時，咱們的三相電源必須經(jīng)過變壓器變壓才能接，對于功率較小的驅(qū)動器，可單相直接驅(qū)動，單相接法必須接R、S端子。伺服電機(jī)輸出U、V、W切記千萬不能與主電路電源連接，有可能燒毀驅(qū)動器。CN1端口主要用于上位機(jī)控制器的連接，提供輸入、輸出、編碼器ABZ三相輸出、各種監(jiān)控信號的模擬量輸出。

2. 編碼器接線

從上圖看出九個端子我們只使用了5個，一個屏蔽線、電源線兩根、串行通訊信號(+-)兩根，與我們普通的編碼器接線差不多。

3. 通訊端口

驅(qū)動器通過CN3端口與電腦PLC、HMI等上位機(jī)相連接，采用MODBUS通訊來控制驅(qū)動器，可使用RS232、RS485進(jìn)行通訊。

四、伺服驅(qū)動器市場

機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的要求非常嚴(yán)格，交流伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)高端市場主要被國外名企占據(jù)，主要來自日本和歐美，未來國產(chǎn)替代空間大。目前國外品牌占據(jù)了中國交流伺服市場近80%的市場份額，主要來自日本和歐美。其中，日系產(chǎn)品以約50%的市場份額居首，其著名品牌包括松下、三菱電機(jī)、安川、三洋、富士等，其產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)和性能水平比較符合中國用戶的需求，以良好的性價比和較高的可靠性獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源，在中小型OEM市場上尤其具有壟斷優(yōu)勢。

精密減速器

最近看了一則新聞：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要破除“卡脖子”難題，感觸挺深。隨著人工成本的提高，工業(yè)機(jī)器人替換人已成為趨勢。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的基石，但核心零部件卻制約著我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示目前國內(nèi)機(jī)器人減速器普通依賴進(jìn)口。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在中國要成氣候，必須下決心解決核心零部件的問題。

下面介紹工業(yè)機(jī)器人核心精密零部件：減速器，與通用減速器相比，機(jī)器人用減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。減速器行業(yè)，我們不得不提這行業(yè)兩巨頭是Nabtesco（帝人，也叫納博特斯克）和Hamonica Drive（哈默納科），業(yè)界俗稱（RV減速器和諧波減器）。他們幾乎壟斷了全球的機(jī)器人用減速器。這兩種減速器都是微米級的加工精度，光這一條在量產(chǎn)階段可靠性高就很難了，更別說幾千轉(zhuǎn)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還要高壽命。目前市面上的大量應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人上的減速器主要有兩類：RV減速器和諧波減速器。

RV減速器：

是少齒差嚙合，但相對于諧波減速器，RV減速器通常用的是擺線針輪，RV減速器由擺線針輪和行星支架組成。相比諧波減速器，RV減速器的關(guān)鍵在于加工工藝和裝配工藝。RV減速器具有更高的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長，運(yùn)動精度會顯著降低，其缺點(diǎn)是重量重，外形尺寸較大。RV減速器用于轉(zhuǎn)矩大的機(jī)器人腿部腰部和肘部三個關(guān)節(jié)，負(fù)載大的工業(yè)機(jī)器人，一二三軸都是用RV減速器。

它較機(jī)器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不像諧波傳動那樣隨著使用時間增長運(yùn)動精度就會顯著降低，故世界上許多國家高精度機(jī)器人傳動多采用RV減速器，因此，該種RV減速器在先進(jìn)機(jī)器人傳動中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。

RV減速器分解圖

諧波減速器：

用的也是少齒差嚙合，諧波里的一種關(guān)鍵齒輪是柔性的，它需要反復(fù)的高速變形，所以它比較脆弱，承載力和壽命都有限。

諧波減速器是諧波傳動裝置的一種，諧波傳動裝置包括諧波加速器和諧波減速器。諧波減速器主要包括：剛輪、柔輪、和徑向變形的波發(fā)生器三者組成。它是利用柔性齒輪產(chǎn)生可控制的彈性變形波，引起剛輪與柔輪的齒間相對錯齒來傳遞動力和運(yùn)動。這種傳動與一般的齒輪傳遞具有本質(zhì)上的差別，在嚙合理論、集合計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有特殊性。諧波齒輪減速器具有高精度、高承載力等優(yōu)點(diǎn)，和普通減速器相比，由于使用的材料要少50%，其體積及重量至少減少1/3。所以諧波減速機(jī)主用于小型機(jī)器人，特點(diǎn)是體積小、重量輕、承載能力大、運(yùn)動精度高，單級傳動比大。一般用于負(fù)載小的工業(yè)機(jī)器人或大型機(jī)器人末端幾個軸。

日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設(shè)計(jì)到1986年RV減速器研究獲得實(shí)質(zhì)性突破，花了6-7年時間；而國內(nèi)率先拿出結(jié)果的南通振康和恒豐泰花費(fèi)時間也為6-8年。是不是意味著我國本土企業(yè)就沒什么機(jī)會了呢！可喜的是中國企業(yè)布局若干年后，終于取得一些突破。國產(chǎn)主要由南通振康、秦川機(jī)床、武漢精華、浙江恒豐泰和浙江雙環(huán)傳動提供。據(jù)說南通振康產(chǎn)量已經(jīng)突破萬臺，秦川機(jī)床生產(chǎn)線已經(jīng)打通，產(chǎn)量正在逐步上升。秦川機(jī)床的是國家進(jìn)口替代項(xiàng)目，秦川機(jī)床9萬套工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器技術(shù)改造項(xiàng)目、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器生產(chǎn)線兩項(xiàng)合計(jì)投資3.14億元。

控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素?？刂葡到y(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和實(shí)行機(jī)構(gòu)收回指令信號，并進(jìn)行控制。下面文章主要介紹機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1、機(jī)器人的控制系統(tǒng)

“控制”的目的是指被控對象會按照者所期望的方式產(chǎn)生行為。“控制”的基本條件是了解被控對象的特性。

“實(shí)質(zhì)”是對驅(qū)動器輸出力矩的控制。

2、機(jī)器人的基本工作原理

工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導(dǎo)引示教，既是人工導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際需求動作流程操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的姿態(tài)、位置、工藝參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行的程序。完成示教后，只需要給機(jī)器人一個啟動命令，機(jī)器人將會地自動按照示教好的動作，完成全部流程；

3、機(jī)器人控制的分類

1）按照有無反饋分為：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、開環(huán)精確控制的條件：精確地知道被控對象的模型，并且這一模型在控制過程中保持不變。

2）按照期望控制量分為：力控制、位置控制、混合控制這三種。

位置控制分為：單關(guān)節(jié)位置控制（位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋）、多關(guān)節(jié)位置控制，多關(guān)節(jié)位置控制分為分解運(yùn)動控制、集中控制力控制分為：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制

3）智能化的控制方式

模糊控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 、專家控制

4、控制系統(tǒng)硬件配置及結(jié)構(gòu) .電氣硬件 .軟件架構(gòu)

由于機(jī)器人的控制過程中涉及大量的坐標(biāo)變換和插補(bǔ)運(yùn)算以及較低層的實(shí)時控制。所以，目前市面上機(jī)器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大部分采用分層結(jié)構(gòu)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

1）具體流程：

主控計(jì)算機(jī)接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定手的運(yùn)動參數(shù)。然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和插補(bǔ)運(yùn)算，最后得出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動參數(shù)。這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級，作為各個關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號。關(guān)節(jié)上的伺服驅(qū)動器將此信號D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動各個關(guān)節(jié)產(chǎn)生協(xié)調(diào)運(yùn)動。

傳感器將各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動輸出信號反饋回伺服控制級計(jì)算機(jī)形成局部閉環(huán)控制，達(dá)到精確的控制機(jī)器人在空間的運(yùn)動。

2）基于PLC的運(yùn)動控制 兩種控制方式：

①利用PLC的輸出端口使用脈沖指令來產(chǎn)生脈沖驅(qū)動電機(jī)，同時使用通用I/O或者計(jì)數(shù)零部件來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)位置控制

②使用PLC外部擴(kuò)展的位置控制模塊來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)位置控制，這種方式主要是以發(fā)高速脈沖控制，屬于位置控制方式，位置控制一般都是點(diǎn)到點(diǎn)的位置控制方式較多。

機(jī)器人重要參數(shù)

機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計(jì)、應(yīng)用機(jī)器人必須考慮的問題。機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。

1、自由度

是指機(jī)器人具有的獨(dú)立運(yùn)動的坐標(biāo)軸數(shù)量。

機(jī)器人的自由度是指確定機(jī)器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)量。機(jī)器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)量。

常見機(jī)器人自由度數(shù)一般有5～6個。有些機(jī)器人還附帶有外部軸。

2、關(guān)節(jié)（Joint）

即運(yùn)動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。

3、工作范圍

工業(yè)機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間范圍。

其形狀取決于機(jī)器人的自由度數(shù)和各運(yùn)動關(guān)節(jié)的類型與配置。機(jī)器人的工作范圍一般有：圖解法和解析法這兩種方法表示。

4、速度

機(jī)器人在工作過程中帶載荷條件下、勻速運(yùn)動過程時，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。

5、工作負(fù)載

是指機(jī)器人手腕前端安裝負(fù)荷在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的最大重量，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。

還和運(yùn)行速度和加速度大小等參數(shù)有關(guān)，工作負(fù)載一般用高速運(yùn)行時機(jī)器人所能抓取的工件重量作為負(fù)載承受能力為指標(biāo)。

搬運(yùn)機(jī)器人的負(fù)荷重量，必須考慮抓手和工件的合計(jì)。

6、分辨率

是指機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度 。

7、精度

重復(fù)性或重復(fù)定位精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異性。比如你要求一個軸走 100 mm 結(jié)果 第一次 實(shí)際上他走了 100.01 重復(fù)一次同樣的動作 他走了99.99 這之間的誤差 0.02 就是重復(fù)定位精度。它是衡量一列誤差值的集中程度，即重復(fù)度。機(jī)器人精度機(jī)不單取決與關(guān)節(jié)減速機(jī)及傳動裝置，且對機(jī)械裝配工藝存在很大關(guān)系，很多由于裝配不到位導(dǎo)致機(jī)器人重復(fù)定位精度下降。

審核編輯：湯梓紅