淺析伺服系統(tǒng)在機器人運作過程中的應用

若說當下的熱門科技，機器人絕對算一個。機器人作為典型的機電一體化技術密集型產(chǎn)品，它是如何實現(xiàn)運作的呢？

機器人的控制分為機械本體控制和伺服機構控制兩大類，伺服控制系統(tǒng)則是實現(xiàn)機器人機械本體控制和伺服機構控制的重要部分。因而要了解機器人的運作過程，必然繞不過伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)

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

廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復現(xiàn)某個給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)。

狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）作任意變化時，系統(tǒng)的主要任務是使輸出量快速而準確地復現(xiàn)給定量的變化。

伺服系統(tǒng)的結構組成

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。

伺服系統(tǒng)組成原理框圖

1、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID（比例、積分和微分）控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4、被控對象

被控對象指被控制的物件，例如一個機械手 臂，或是一個機械工作平臺。

5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

伺服系統(tǒng)的特點和功用

伺服系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質上差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，具有以下特點：

必須具備高精度的傳感器，能準確地給出輸出量的電信號。

功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。

足夠大的調速范圍及足夠強的低速帶載性能。

快速的響應能力和較強的抗干擾能力。

伺服系統(tǒng)的類型

按控制原理分：有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種形式

按被控制量性質分：有位移、速度、力和力矩等伺服系統(tǒng)形式

按驅動方式分： 有電氣、液壓和氣壓等伺服驅動形式

按執(zhí)行元件分： 有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式

伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件

1、執(zhí)行元件的種類及其特點

（1）電氣式執(zhí)行元件

電氣執(zhí)行元件包括直流(DC)伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執(zhí)行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩(wěn)以外，一般還要求動態(tài)性能好，適合于頻繁使用，便于維修等。

（2）液壓式執(zhí)行元件

液壓式執(zhí)行元件主要包括往復運動油缸、回轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點。

（3）氣壓式執(zhí)行元件

氣壓式執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執(zhí)行元件沒有區(qū)別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、行程和速度，但由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。

三種類型的區(qū)別

2、常用的控制用電機

控制用電機是電氣伺服控制系統(tǒng)的動力部件。它是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。機電一體化產(chǎn)品中常用的控制用電機是指能提供正確運動或較復雜動作的伺服電機。

控制用電機有回轉和直線驅動電機，通過電壓、電流、頻率(包括指令脈沖)等控制，實現(xiàn)定速、變速驅動或反復啟動、停止的增量驅動以及復雜的驅動，而驅動精度隨驅動對象的不同而不同。

（1）伺服驅動電機一般是指：步進電機（Stepping Motor）、直流伺服電機(DC Servo Motor)、交流伺服電機(AC Servo Motor)

（2）常用伺服控制電動機的控制方式主要有：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。

閉環(huán)系統(tǒng)的驅動系統(tǒng)具有位置(或速度)反饋環(huán)節(jié)；開環(huán)系統(tǒng)沒有位置與速度反饋環(huán)節(jié)。

a、開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。

這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。

b、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。

半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。

c、全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。

從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。

該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。

機器人的伺服系統(tǒng)

通常情況下，我們所說的機器人伺服系統(tǒng)是指應用于多軸運動控制的精密伺服系統(tǒng)。一個多軸運動控制系統(tǒng)是由高階運動控制器與低階伺服驅動器所組成，運動控制器負責運動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要作用在于降低整體系統(tǒng)運動控制的路徑誤差;伺服驅動器負責伺服電機的位置控制，其主要作用在于降低伺服軸的追隨誤差。

機器人的伺服系統(tǒng)由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執(zhí)行機構，就是靠它來實現(xiàn)運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發(fā)脈沖或者給速度用于配合伺服驅動器正常工作的。

機器人對伺服電機的要求比其它兩個部分都高。首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電機快速響應的性能。其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。最后，伺服電機要具有控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續(xù)變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。

當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要經(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，并能在短時間內承受數(shù)倍過載。

伺服驅動器是可利用各種電機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構，具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點，在機器人中應用比較廣泛。

伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著伺服系統(tǒng)的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求也越來越高。總的來說，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：

集成化：伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中，構成高精度的全閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積。

智能化：伺服系統(tǒng)的智能化表現(xiàn)在以下幾個方面:系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對話的方式由軟件來設置;它們都具有故障自診斷與分析功能;參數(shù)自整定的功能等。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最優(yōu)化。

網(wǎng)絡化：伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡化是綜合自動化技術發(fā)展的必然趨勢，是控制技術、計算機技術和通信技術相結合的產(chǎn)物。

簡易化：這里所說的“簡”不是簡單而是精簡，是根據(jù)用戶情況，將用戶使用的伺服功能予以強化，使之專而精，而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服系統(tǒng)成本，為客戶創(chuàng)造更多的收益。

機器人的工作表現(xiàn)受伺服系統(tǒng)影響極大，因而精密伺服系統(tǒng)的關鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地適應絕大多數(shù)應用的需求，其研發(fā)資源集中在個別高端應用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。在工業(yè)4.0的大背景下，國產(chǎn)伺服任重而道遠，還需努力追趕。