工業機器人用伺服系統

工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。
    目前國外許多電動機生產廠家均開發出與交流伺服電動機相適配的驅動產品，用戶根據自己所需功能側重不同而選擇不同的伺服控制方式，一般情況下，交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行人工設定而實現以下功能：

    1．位置控制方式；

    2．速度控制方式；

    3．轉矩控制方式；

    4．位置、速度混合方式；

    5．位置、轉矩混合方式；

    6．速度、轉矩混合方式；

    7．轉矩限制；

    8．位置偏差過大報警；

    9．速度PID參數設置；

    10．速度及加速度前饋參數設置；  

    11．零漂補償參數設置；

    12．加減速時間設置等。

四、驅動器種類

    1．直流伺服電動機驅動器
    直流伺服電動機驅動器多采用脈寬調制（PWM）伺服驅動器，通過改變脈沖寬度來改變加在電動機電樞兩端的平均電壓，從而改變電動機的轉速。
    PWM伺服驅動器具有調速范圍寬、低速特性好、響應快、效率高、過載能力強等特點，在工業機器人中常作為直流伺服電動機驅動器。

    2．同步式交流伺服電動機驅動器
    同直流伺服電動機驅動系統相比，同步式交流伺服電動機驅動器具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在工業機器人中得到廣泛應用。
    同步式交流伺服電動機驅動器通常采用電流型脈寬調制（PWM）相逆變器和具有電流環為內環、速度環為外環的多閉環控制系統，以實現對三相永磁同步伺服電動機的電流控制。根據其工作原理、驅動電流波形和控制方式的不同，它又可分為兩種伺服系統：

    （1）矩形波電流驅動的永磁交流伺服系統。

    （2）正弦波電流驅動的永磁交流伺服系統。

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

    3．步進電動機驅動器

    步進電動機是將電脈沖信號變換為相應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成正比。轉速或線速度與脈沖頻率成正比。在負載能力的范圍內，這些關系不因電源電壓、負載大小、環境條件的波動而變化，誤差不長期積累，步進電動機驅動系統可以在較寬的范圍內，通過改變脈沖頻率來調速，實現快速起動、正反轉制動。作為一種開環數字控制系統，在小型機器人中得到較廣泛的應用。但由于其存在過載能力差、調速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等缺點，一般只應用于小型或簡易型機器人中。
    步進電動機所用的驅動器，主要包括脈沖發生器、環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．直接驅動

    所謂直接驅動（DD）系統，就是電動機與其所驅動的負載直接耦合在一起，中間不存在任何減速機構。

    同傳統的電動機伺服驅動相比，DD驅動減少了減速機構，從而減少了系統傳動過程中減速機構所產生的間隙和松動，極大地提高了機器人的精度，同時也減少了由于減速機構的摩擦及傳送轉矩脈動所造成的機器人控制精度降低。而DD驅動由于具有上述優點，所以機械剛性好，可以高速高精度動作，且具有部件少、結構簡單、容易維修、可靠性高等特點，在高精度、高速工業機器人應用中越來越引起人們的重視。

    作為DD驅動技術的關鍵環節是DD電動機及其驅動器。它應具有以下特性：

    （1）輸出轉矩大：為傳統驅動方式中伺服電動機輸出轉矩的50～100倍。

    （2）轉矩脈動小： DD電動機的轉矩脈動可抑制在輸出轉矩的5％～10％以內。

    （3）效率：與采用合理阻抗匹配的電動機（傳統驅動方式下）相比，DD電動機是在功率轉換較差的使用條件下工作的。因此，負載越大，越傾向于選用較大的電動機。

    目前，DD電動機主要分為變磁阻型和變磁阻混合型，有以下兩種結構型式：

    （1）雙定子結構變磁阻型DD電動機；

    （2）中央定子型結構的變磁阻混合型DD電動機。

    5．特種驅動器

    （1）壓電驅動器。

    眾所周知，利用壓電元件的電或電致伸縮現象已制造出應變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅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，所以壓電驅動器一般用于特殊用途的微型機器人系統中。

    （2）超聲波電動機。

    （3）真空電動機。

    用于超潔凈環境下工作的真空機器人，例如用于搬運半導體硅片的超真空機器人等。