一文詳解伺服系統(tǒng)需求重點(diǎn)在哪里

機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化技術(shù)密集型產(chǎn)品，它是如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)作的？據(jù)了解，機(jī)器人的控制分為機(jī)械本體控制和伺服機(jī)構(gòu)控制兩大類，伺服控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械本體控制和伺服機(jī)構(gòu)控制的重要部分。因而要了解機(jī)器人的運(yùn)作過程，必然繞不過伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，還可以進(jìn)行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制。

機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)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。機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的嚴(yán)格要求：

1）快速響應(yīng)性，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好。

2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

3）控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號(hào)成正比或近似成正比，調(diào)速范圍寬，能使用于1：1000～10000的調(diào)速范圍。

4）體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，以配合機(jī)器人的體形。

5）能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍過載。交流伺服驅(qū)動(dòng)器因其具有轉(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。

伺服的控制原理

伺服系統(tǒng)的最大特色：透過回饋信號(hào)的控制方式〔可做指令值與目標(biāo)值的比較，因而大幅減少誤差狀況〕。

何謂回饋信號(hào)：向控制對(duì)象下達(dá)指令后，正確的追蹤并查明現(xiàn)在值，且隨時(shí)回饋控制內(nèi)容的偏差值、待目標(biāo)物到達(dá)目的地后，回饋位置值，如此反復(fù)動(dòng)作。

控制流程：檢測(cè)機(jī)械本體之位置檢出，回路為封閉系統(tǒng)，稱之為全閉回路 。相反，檢測(cè)馬達(dá)軸端之回路系統(tǒng)就稱為半閉回路。

伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部構(gòu)成

整流部：通過整流部，將交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，?jīng)電容濾波，產(chǎn)生平穩(wěn)無脈動(dòng)的直流電源。

逆變部：由控制部過來的SPWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT，將直流電源變?yōu)镾PWM波形，以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

控制部分：伺服單元采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，通過高性能的硬件支持，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的軟件化，現(xiàn)在所有的伺服已采用（DSP數(shù)字信號(hào)處理）芯片，DSP，能夠執(zhí)行位置、速度、轉(zhuǎn)矩和電流控制器的功能。給出PWM信號(hào)控制信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)單元，并能夠接收處理位置與電流反饋，具有通訊接口。

編碼器：伺服電機(jī)配有高性能的轉(zhuǎn)角測(cè)量編碼器，可以精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置與電機(jī)的轉(zhuǎn)速，

逆變器采用新型電力電子半導(dǎo)體器件 目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGPT）等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡(jiǎn)稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號(hào)完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。

智能機(jī)器人

現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)模式正從大批量、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，往小批量、定制化、個(gè)性化的生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)變，這種變化對(duì)于機(jī)器人產(chǎn)品和智能裝備的需求與日俱增，其中也包括對(duì)制造設(shè)備的柔性、可重構(gòu)性和成本效益等方面都提出了一定的要求。

另一方面，未來制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)有：新一輪的工業(yè)革命呼喚機(jī)器人發(fā)展；勞動(dòng)力成本上升加速機(jī)器人應(yīng)用需求；新技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)提升機(jī)器人性能；客戶定制化依賴機(jī)器人制造。制造業(yè)的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)正在發(fā)生著重大轉(zhuǎn)變：生產(chǎn)方式朝著數(shù)字化制造、生產(chǎn)決策朝著人工智能、生產(chǎn)工具朝著智能型機(jī)器人方向演進(jìn)，用機(jī)器人來武裝中國(guó)制造是轉(zhuǎn)型升級(jí)的唯一出路，機(jī)器人與新一代信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等）的融合，將對(duì)人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生革命性的顛覆。

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，機(jī)器人的上游關(guān)鍵零部件行業(yè)包括伺服電機(jī)、伺服系統(tǒng)、精密減速器、控制系統(tǒng)等等，下游行業(yè)主要包括機(jī)器人的相關(guān)系統(tǒng)集成商，目前國(guó)內(nèi)大約有1000多家機(jī)器人相關(guān)企業(yè)，其中約有50多家是上市公司。

傳統(tǒng)的機(jī)器人更偏向于是一類“機(jī)器”，它比較簡(jiǎn)單，而且適應(yīng)性也較差，但今天，技術(shù)進(jìn)步徹底提升了機(jī)器人的性能，機(jī)器人開始由“機(jī)器”向“人”的方向進(jìn)化。這類智能型機(jī)器人更加復(fù)雜、高級(jí)，適應(yīng)能力也更強(qiáng)，并且在此基礎(chǔ)之上，將形成一套智能制造的生產(chǎn)模式，具備智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化的“四化”特點(diǎn)，即智能機(jī)器成為生產(chǎn)主力，產(chǎn)品與設(shè)備信息可采集、存儲(chǔ)和分析，產(chǎn)品與設(shè)備信息可聯(lián)網(wǎng)，按客戶訂單來設(shè)計(jì)，甚至單元產(chǎn)品個(gè)性化，機(jī)器人在智能制造模式變革中將發(fā)揮重要支撐作用。

目前，機(jī)器人應(yīng)用正逐漸從以汽車行業(yè)代表的高端市場(chǎng)客戶，走向普通市場(chǎng)客戶，其中包括電子制造行業(yè)、五金衛(wèi)浴、金屬加工等民生領(lǐng)域。另一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是，機(jī)器人的市場(chǎng)應(yīng)用正在由單機(jī)系統(tǒng)（如：機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)、汽車總裝AGV、機(jī)器人機(jī)床上下料等）向數(shù)字化工廠邁進(jìn)，這些都是值得大家關(guān)注和探索的方向。

機(jī)器人應(yīng)用對(duì)伺服的需求重點(diǎn)

一般來說，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用對(duì)伺服系統(tǒng)的要求主要都是單軸伺服驅(qū)動(dòng)器加電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)接入交流電，制動(dòng)能量靠制動(dòng)電阻消耗；而現(xiàn)在，越來越多的機(jī)器人應(yīng)用要求使用共直流母線驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)的方案，具備公共的直流母線電源模塊，能回收利用制動(dòng)回饋能量，提高效率，降低交流輸入級(jí)的成本，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能適合機(jī)器人的運(yùn)行工況。

伺服系統(tǒng)的部分主要參數(shù)包括：速度環(huán)帶寬（幾百Hz到3KHz）；速度波動(dòng)率、轉(zhuǎn)矩控制精度，這些直接影響到機(jī)器人行走的軌跡精度和定位精度；慣量適用范圍，即機(jī)器人帶著負(fù)載的情況下，或是在做運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡都有可能發(fā)生改變，這對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)來說會(huì)產(chǎn)生不同的影響，因此對(duì)伺服的慣量也有一定的要求，總體來說就是適用范圍要擴(kuò)大。

在電機(jī)方面，目前工業(yè)機(jī)器人上用到的電機(jī)基本上都是永磁同步電機(jī)，反饋裝置大多是多圈絕對(duì)值編碼器（也有用旋轉(zhuǎn)變壓器的），且?guī)в兄苿?dòng)器，讓機(jī)器人在下電時(shí)保持一個(gè)姿態(tài)。

在伺服驅(qū)動(dòng)器方面，工業(yè)機(jī)器人一般采用的是總線通信型產(chǎn)品（EtherCAT、CAN等），以實(shí)現(xiàn)位置、速度、電流環(huán)控制；同時(shí)驅(qū)動(dòng)器還要具備振動(dòng)抑制功能；并要集成安全功能，以保證機(jī)器人安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷、安全停止、安全制動(dòng)控制等運(yùn)行要求；另外，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒功率擴(kuò)速運(yùn)行，就需要具有弱磁功能。

對(duì)于協(xié)作機(jī)器人來說，它相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用來說，還應(yīng)注意以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①關(guān)節(jié)一般都是一體化的，因此包括編碼器、驅(qū)動(dòng)器、減速器、電機(jī)、制動(dòng)器等都需采用集成式設(shè)計(jì)。

②協(xié)作機(jī)器人的負(fù)載自重比較大，基本可以達(dá)到1：7到1：3，目前國(guó)內(nèi)技術(shù)還做不到后者。

③要求有良好的人機(jī)協(xié)作性能，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人不具備人和機(jī)器人直接接觸的能力，但現(xiàn)在，一些機(jī)器人具備了力感知功能，可以與人進(jìn)行安全協(xié)作。

除了電機(jī)之外，協(xié)作機(jī)器人對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器有一些特殊的需求，其中包括：由于協(xié)作機(jī)器人的走線和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穿氣管都在內(nèi)部，所以要求電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器等都要放在一個(gè)大中空的結(jié)構(gòu)里；一般來說都采用無框電機(jī)，永磁定子、轉(zhuǎn)子分體設(shè)計(jì)；無論是驅(qū)動(dòng)器還是電機(jī)都要求尺寸小、功率密度高，可以集成在有限的空間內(nèi)；直流24V或者48V供電，并可方便搭載在電池供電的移動(dòng)機(jī)器人上。而對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說，它的特點(diǎn)主要是輪式結(jié)構(gòu)，用于室內(nèi)或室外的移動(dòng)作業(yè)，包括雙輪差動(dòng)、四驅(qū)、全方位輪等，直流無刷/有刷電機(jī)，反饋裝置多用增量式編碼器和數(shù)字HALL，一般配合行星減速器來使用。

以全產(chǎn)業(yè)鏈布局應(yīng)對(duì)開發(fā)

新松機(jī)器人在開發(fā)上有著全產(chǎn)業(yè)鏈布局。最近幾年，首先在機(jī)器人控制器這一塊，我們?cè)?017年將通用機(jī)器人控制器升級(jí)到SIRC感知智能型機(jī)器人控制器，能夠在非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)安全協(xié)作，且包括豐富的機(jī)器人模型、軌跡規(guī)劃、智能感知算法，以及激光導(dǎo)航、視覺感知、力感知等功能。其次，新松在新型柔性協(xié)作機(jī)器人、雙臂協(xié)作機(jī)器人、輕載復(fù)合機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人+AR技術(shù)、智能服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療輔助機(jī)器人等開發(fā)領(lǐng)域均取得了顯著的成績(jī)。

在智能機(jī)器人技術(shù)的研究上，總體來說，未來的智能型機(jī)器人將具有感知能力，能在復(fù)雜的環(huán)境里面精確地感知環(huán)境特征；具備共融作業(yè)技術(shù)，能建立人機(jī)和諧共存的行為方式和安全機(jī)制；具有交互能力，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間、機(jī)器人與人之間的自然交互；另外，智能型機(jī)器人還將具備任務(wù)與決策技能，能夠完成復(fù)雜任務(wù)和智能決策。