系統(tǒng)組合與產(chǎn)品要求

伺服電機(jī)

作為工業(yè)機(jī)器人必不可少的關(guān)鍵零部件——伺服系統(tǒng)是以變頻技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品，它通常由伺服電機(jī)以及伺服驅(qū)動(dòng)器組成。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)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。

機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求非常嚴(yán)格，首先就是快速響應(yīng)性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)的大小來說明伺服電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)的性能。其次，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)器人的伺服電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。第三，控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號(hào)的變化，電動(dòng)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。隨后，調(diào)速范圍寬。能使用于1：1000～10000的調(diào)速范圍。當(dāng)然，為了配合機(jī)器人的體形，伺服電機(jī)必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。最后就是能經(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。

伺服驅(qū)動(dòng)器

交流伺服電動(dòng)機(jī)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。一般情況下，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制（PWM）相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電流控制

歷史與現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，伺服系統(tǒng)從直流轉(zhuǎn)向交流并在國外得到飛速的發(fā)展。這個(gè)時(shí)候，有部分知名品牌脫穎而出站在伺服界的世界舞臺(tái)，如日本的松下、三菱、安川、山洋，德國的西門子等等。

由于我國在伺服系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展較晚難以與國外品牌競爭，直到2000年，中國加入WTO，中國企業(yè)在吸取國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的前提下，開始自主研發(fā)伺服系統(tǒng)。至此，中國的伺服系統(tǒng)的市場份額有所提高。到了2011年市場容量60多億元，比上年增長22.0%。2012年，由于國際經(jīng)濟(jì)的影響以及國內(nèi)供求問題導(dǎo)致伺服市場下滑14.9%。直到2013年下半年，伺服市場才開始逐步回暖，上升幅度在5%左右?，F(xiàn)在中國的伺服系統(tǒng)市場仍由國外企業(yè)占據(jù)大半壁江山。而一批國內(nèi)企業(yè)也在激烈的市場競爭中逐漸成長起來。

發(fā)展趨勢

數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，用戶對伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求越來越高?？偟膩碚f，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個(gè)方面：

1.集成化

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，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。同一個(gè)控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以外接外部傳感器如位置、速度、力矩傳感器等，構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化顯著地縮小了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積。

2.智能化

目前伺服內(nèi)部控制核心大都采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（DSP），從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)數(shù)字化是其實(shí)現(xiàn)智能化的前提條件。伺服系統(tǒng)的智能化表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置；其次它們都具有故障自診斷與分析功能；以及參數(shù)自整定的功能等。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時(shí)間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行，自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。

3.網(wǎng)絡(luò)化

伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。現(xiàn)場總線現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)之間、伺服系統(tǒng)和其它外圍設(shè)備如人機(jī)界面HMI、可編程控制器PLC等信息交互傳輸?，F(xiàn)場總線有如下幾個(gè)類型FF；ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。這些通訊協(xié)議都為多軸實(shí)時(shí)同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動(dòng)器集成進(jìn)去，從而使伺服系統(tǒng)達(dá)到了分布、開放、互聯(lián)以及高可靠性。

4.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(qiáng)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，且通過精簡一些元器件，減少了資源的浪費(fèi)從而利于環(huán)保。這里所說的“易”是指，伺服系統(tǒng)的軟件編程及操作是從用戶角度出發(fā)開發(fā)設(shè)計(jì)，力求簡單易行，使用戶調(diào)試時(shí)只需簡單。

正式因?yàn)楹芏嘤羞h(yuǎn)識(shí)的國產(chǎn)廠商加大研發(fā)力度提升其產(chǎn)品的性能，進(jìn)而擴(kuò)大其品牌的號(hào)召力，國產(chǎn)伺服廠商改變進(jìn)口壟斷格局將指日可待。有數(shù)據(jù)顯示，未來五年，我國伺服系統(tǒng)行業(yè)受益于產(chǎn)業(yè)升級(jí)的影響，仍將保持20%以上的增長速度，至2015年，我國伺服系統(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模有望突破100億元，其中，國產(chǎn)伺服產(chǎn)品的市場占有率將達(dá)到40%左右。

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