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伺服电机系统在工业机器人中是如何应用发展的？

2023-06-07 23:22:00

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中操作机械元件的发动机，是一种补贴电动机间接变速装置。AD5628ARUZ-2工业机器人电动伺服系统的一般结构是三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。选择精度更高的编码器，采样精度更高，信息位数更高，DSP更快，高性能旋转电机和无齿槽效用的直线电机，以及各种当代控制方法，如自适应和人工智能的应用，不断提高伺服系统的基本指标(操作速度和控制精度)。

什么是伺服电机

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中操作机械元件的发动机，是一种补贴电动机间接变速装置。

伺服电机可以使操作速度和位置精度非常准确，电压信号可以转换成转距和转速，以驱动控制目标。伺服电机的转子转速由输入信号控制，可以快速响应。在自动控制系统中，它被用作执行元件，具有机电稳态值小、线性高、起动电压等特点。，并且可以将收到的电信号转换成电机轴上的角速度或角速度导出。它分为两类:DC和交流伺服电机。其核心特点是当信号电压为零时，没有旋转，转速随着扭矩的增加而降低。

伺服电动机在工业机器人中的应用

随着机器人行业的快速增长和蓬勃发展，大量机床制造商、伺服制造商和其他有条件的公司纷纷转向机器人市场。为什么机床制造商和伺服制造商如此积极地转型和研发机器人？工业机器人有四个组成部分，即自身、伺服、减速器和控制器。

步进电机用于驱动设备人员的关节，要求具有最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动扭矩、低惯量和较宽且平滑的调速范围。

随着机器人行业的发展，必须在伺服、集成控制等领域取得突破。目前，我国在伺服等领域仍处于突破阶段，对当地机器人行业产生不利影响。

工业机器人电动伺服系统的一般结构是三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般来说，对于交流伺服控制器，位置控制、速度控制、扭矩控制等功能可以通过人工设置其内部功能参数来实现。

随着工业自动化进程的深入推进，对自动化软件和硬件配置的需求不断增加，国内工业机器人市场不断增长，预计2015年将成为全球最大的需求市场。

此外，直接促进伺服系统的市场需求。美莱克提供的鸣志步进伺服电机系统将伺服控制技术融入到集成电机中，具有精度高、性能稳定、速度快的特点。

目前，由于高启动扭矩、大转距、低惯量交流和DC伺服电机广泛应用于工业机器人。交流伺服电机、步进电机等其他电机也将根据不同的应用需求应用于工业机器人。

尤其是机器人末端执行器(手爪)应使用体积和质量最小的电机，尤其是快速响应时，伺服电机必须具有较高的稳定性和较大的短期过载能力。实际使用要求:

◆快速性。

◆启动扭矩惯性比大。

随着控制信号的变化，控制特性的连续性和直线性不断变化，电机的转速可以不断变化，有时需要转速与控制信号正相关或类似正相关。

◆速度调节范围广。

◆体积小，质量小，径向规格短。

能够承受严格的运行条件，能够非常频繁地进行正反向和加减速运行，并能在短时间内承受负荷。

未来伺服电机领域趋势

在经历了从模拟到数字化的转变之后，当代交流伺服系统的内部数字控制环已经无处不在，如换相、电流、速度和位置控制等；事实上，主要通过高性能DSP加FPGA等新型功率半导体设备实现。、甚至伺服专用模块也不足为奇。而且每2个新的功率器件或模块～2.5年更新一次，新的软件算法日新月异。国际厂商的伺服产品每五年左右都会升级一次——总的来说，生命周期越来越短，变化越来越快。总结国内外伺服厂商的技术路线和产品路线，整合市场需求变化，可以看到以下伺服电机系统的最新发展趋势:

(1)、高效率化

虽然高效率一直是伺服系统的重要发展课题，但仍需加强。主要包括电机本身的高效率:如永磁材料特性的改进和更好的磁铁安装结构设计；还包括驱动系统的高效率: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。

(2)、直接驱动

直接驱动包括选择盘式电机的转台伺服驱动和选择线性电机的线性伺服驱动，因为它避免了中间机械传动设备(如齿轮箱)的传动偏差，从而实现了高速高精度等级。然而，线性电机容易改变形状的特性，使线性线性机构的各种设备微型化和轻量化。

(3)、高速、高精度、高性能化

选择精度更高的编码器，采样精度更高，信息位数更高，DSP更快，高性能旋转电机和无齿槽效用的直线电机，以及各种当代控制方法，如自适应和人工智能的应用，不断提高伺服系统的基本指标(操作速度和控制精度)。

(4)、一体化和集成化

电机、反馈、操作、驱动和通信的纵向一体化已经成为当前小功率伺服系统的发展方向。有时候我们称这种配备驱动和通信的电机为智能电机，有时候我们称配备运动控制和通信的控制器为智能伺服控制器。电机和驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行和维护更加紧密地融合在一起。但这种方法面临着更多的技术挑战和工程师用户习惯的考验，很难成为主流，是整个伺服市场的一小部分。

(5)、通用化

通用控制器配备了大量的参数和丰富的菜单功能，方便客户在不影响系统配置的情况下轻松设置V/F操作、无速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机控制、再生模块等五种工作模式。适用于各种场所，可以驱动异步电机、永磁同步电机、无刷DC电机、步进电机等不同类型的电机，也可以适应不同类型的传感器甚至无相位传感器。半闭环控制系统可以通过电机本身的反馈形成，也可以通过接口和外部位置的全速度传感应力。

(6)、智能化

当代交流伺服控制器具有参数记忆、故障自我诊断和分析功能。大多数进口控制器具有负载惯量测量和自动增益调节功能。有的可以自动识别电机参数，自动测量编码器零位，有的可以自动振动抑制。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、补充运动等控制功能与驱动相结合，为伺服用户带来更好的体验。

(7)、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控制器中，已经成为欧洲和美国制造商的常见做法。如何适应高性能运动控制对传输数据的实用性、稳定性和同步性的要求，是现代工业局域网发展的重要方向和各种总线规范竞争的焦点。随着国内对大规模分布式控制装置的要求越来越高，高档数控系统的研发成功，网络数据伺服的研发成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源芯片、再生制动模块和通信模块之间的组合，也指的硬件。

(8)、从故障检测到预测性维护

随着设备检测标准的不断提高，传统的故障检测和保护技术已经过时，最新的产品已经投入到预测性维护技术中，使人们能够及时掌握关键性能参数的动态趋势，并通过Internet制定保护对策。比如在关注电流上升、负载变化时，对尖峰电流、外壳或铁心温度上升时的温度传感器进行监控，对电流波形的任何畸变保持警惕。

(9)、特殊性和多样性

虽然市场上有通用的伺服产品，但专门为特定应用场所设计制造的伺服系统数不胜数。电机采用不同特性、不同形状、不同表面粘结构和嵌入式永磁转子结构的磁性材料出现。分割式铁芯结构技术在日本的应用，使得永磁无刷伺服电机的生产高效、大批量、自动化，引发了国内厂商的研究。

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