伺服电机在工业机器人中的应用

什么是伺服电机

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

伺服电机工作原理

伺服电机在工业机器人中的应用

机器人产业的增长如火如荼，遍地开花，大量机床厂家、伺服厂家和其他有条件的企业都纷纷转向机器人市场。为何机床厂家和伺服厂家如此积极转型研发机器人?工业机器人有4大组成部分，分别为本体，伺服，减速器和控制器。

步进电机用于驱动机器人的关节，要求是要有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。

机器人产业壮大，需要在伺服、集成控制等领域相继取得突破才能成行。目前，我国在伺服等领域依然处于待突破阶段，对本土机器人产业造成不利影响。

工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般情况下，对于交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。

工业自动化进程的持续推进，对于自动化软件及硬件设备的需求都居高不下，其中国内工业机器人的市场一直稳步增长，预计在2015我国成为全球最大需求市场。

与此同时，直接带动伺服系统的市场需求。美莱克供应的鸣志步进伺服电机系统在集成式电机中完美融入了伺服控制技术，具有精度高、稳定性好、速度快等特点。

目前，由于高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电机在工业机器人中得到广泛的应用。其他电机，如交流伺服电机、步进电机根据不同的应用需求也会应用到工业机器人中。

特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电机，尤其是要求快速响应时，伺服电机必须具有较高的可靠性，并且有较大的短时过载能力。具体使用要求：

快速性。

启动转矩惯量比大。

控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。

调速范围宽。

体积小、质量小、轴向尺寸短。

能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能够在短时间内承受过载。

伺服电机行业未来趋势

现代交流伺服系统，在经历了从模拟到数字化的转变后，其内部数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制等;其实现主要通过新型功率半导体器件，像高性能DSP加FPGA、甚至伺服专用模块也不足为奇。且新的功率器件或模块每2～2.5年就会更新一次，新的软件算法也日新月异，国际厂商的伺服产品大概每5年亦会更新换代——总而言之，产品生命周期越来越短，变化越来越快。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些伺服电机系统的最新发展趋势：

高效率化

尽管高效化一直都是伺服系统重要的发展课题，但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率：比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计；也包括驱动系统的高效率化：包括逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。

直接驱动

直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱动，由于消除了中间机械传动设备的（如齿轮箱）传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。而直线电机容易改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。

高速、高精、高性能化

采用更高精度的编码器，更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的基础指标（控制速度、控制精度）提高。

一体化和集成化

电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机，有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面临更大的技术挑战和工程师使用习惯的挑战，因此很难成为主流，在整个伺服市场中是一个很小的有特色的部分。

通用化

通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下，方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机，比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。

智能化

现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起，对于伺服用户来说，则提供了更好的体验。

网络化和模块化

将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中，已经成为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。

从故障诊断到预测性维护

随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过Internet及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。

**专用化和多样化**

虽然市场上存在通用化的伺服产品系列，但是为某种特定应用场合专门设计制造的伺服系统比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形状、不同表面粘接结构和嵌入式永磁转子结构的电机出现，分割式铁芯结构工艺在日本的使用使永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率、大批量和自动化，并引起国内厂家的研究