一文详解伺服系统需求重点在哪里

机器人作为典型的机电一体化技术密集型产品，它是如何实现运作的？据了解，机器人的控制分为机械本体控制和伺服机构控制两大类，伺服控制系统则是实现机器人机械本体控制和伺服机构控制的重要部分。因而要了解机器人的运作过程，必然绕不过伺服系统。

伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

机器人对关节驱动电机的要求非常严格，交流伺服电机在工业机器人中得到广泛应用。机器人对伺服电机的严格要求：

1）快速响应性，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好。

2）起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电机的起动转矩大，转动惯量小。

3）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，能使用于1：1000～10000的调速范围。

4）体积小、质量小、轴向尺寸短，以配合机器人的体形。

5）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，并能在短时间内承受数倍过载。交流伺服驱动器因其具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。

伺服的控制原理

伺服系统的最大特色：透过回馈信号的控制方式〔可做指令值与目标值的比较，因而大幅减少误差状况〕。

何谓回馈信号：向控制对象下达指令后，正确的追踪并查明现在值，且随时回馈控制内容的偏差值、待目标物到达目的地后，回馈位置值，如此反复动作。

控制流程：检测机械本体之位置检出，回路为封闭系统，称之为全闭回路 。相反，检测马达轴端之回路系统就称为半闭回路。

伺服驱动器的内部构成

整流部：通过整流部，将交流电源变为直流电源，经电容滤波，产生平稳无脉动的直流电源。

逆变部：由控制部过来的SPWM信号，驱动IGBT，将直流电源变为SPWM波形，以驱动伺服电机。

控制部分：伺服单元采用全数字化结构，通过高性能的硬件支持，实现闭环控制的软件化，现在所有的伺服已采用（DSP数字信号处理）芯片，DSP，能够执行位置、速度、转矩和电流控制器的功能。给出PWM信号控制信号作用于功率驱动单元，并能够接收处理位置与电流反馈，具有通讯接口。

编码器：伺服电机配有高性能的转角测量编码器，可以精确测量转子的位置与电机的转速，

逆变器采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGPT）等。这些先进器件的应用显着地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（Intelligent Power Modules，简称IPM）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显着地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。

智能机器人

现代制造业的生产模式正从大批量、标准化生产，往小批量、定制化、个性化的生产方向转变，这种变化对于机器人产品和智能装备的需求与日俱增，其中也包括对制造设备的柔性、可重构性和成本效益等方面都提出了一定的要求。

另一方面，未来制造业所面临的挑战有：新一轮的工业革命呼唤机器人发展；劳动力成本上升加速机器人应用需求；新技术进步促进提升机器人性能；客户定制化依赖机器人制造。制造业的三项关键技术正在发生着重大转变：生产方式朝着数字化制造、生产决策朝着人工智能、生产工具朝着智能型机器人方向演进，用机器人来武装中国制造是转型升级的唯一出路，机器人与新一代信息技术（物联网、大数据、云计算和人工智能等）的融合，将对人类的生产、生活产生革命性的颠覆。

从产业链来看，机器人的上游关键零部件行业包括伺服电机、伺服系统、精密减速器、控制系统等等，下游行业主要包括机器人的相关系统集成商，目前国内大约有1000多家机器人相关企业，其中约有50多家是上市公司。

传统的机器人更偏向于是一类“机器”，它比较简单，而且适应性也较差，但今天，技术进步彻底提升了机器人的性能，机器人开始由“机器”向“人”的方向进化。这类智能型机器人更加复杂、高级，适应能力也更强，并且在此基础之上，将形成一套智能制造的生产模式，具备智能化、数字化、网络化、定制化的“四化”特点，即智能机器成为生产主力，产品与设备信息可采集、存储和分析，产品与设备信息可联网，按客户订单来设计，甚至单元产品个性化，机器人在智能制造模式变革中将发挥重要支撑作用。

目前，机器人应用正逐渐从以汽车行业代表的高端市场客户，走向普通市场客户，其中包括电子制造行业、五金卫浴、金属加工等民生领域。另一个重要的发展趋势是，机器人的市场应用正在由单机系统（如：机器人点焊系统、汽车总装AGV、机器人机床上下料等）向数字化工厂迈进，这些都是值得大家关注和探索的方向。

机器人应用对伺服的需求重点

一般来说，传统的工业机器人应用对伺服系统的要求主要都是单轴伺服驱动器加电机，每个驱动器单独接入交流电，制动能量靠制动电阻消耗；而现在，越来越多的机器人应用要求使用共直流母线驱动器+电机的方案，具备公共的直流母线电源模块，能回收利用制动回馈能量，提高效率，降低交流输入级的成本，且系统结构紧凑，能适合机器人的运行工况。

伺服系统的部分主要参数包括：速度环带宽（几百Hz到3KHz）；速度波动率、转矩控制精度，这些直接影响到机器人行走的轨迹精度和定位精度；惯量适用范围，即机器人带着负载的情况下，或是在做运动时，其运动速度和运动轨迹都有可能发生改变，这对于每个关节来说会产生不同的影响，因此对伺服的惯量也有一定的要求，总体来说就是适用范围要扩大。

在电机方面，目前工业机器人上用到的电机基本上都是永磁同步电机，反馈装置大多是多圈绝对值编码器（也有用旋转变压器的），且带有制动器，让机器人在下电时保持一个姿态。

在伺服驱动器方面，工业机器人一般采用的是总线通信型产品（EtherCAT、CAN等），以实现位置、速度、电流环控制；同时驱动器还要具备振动抑制功能；并要集成安全功能，以保证机器人安全转矩关断、安全停止、安全制动控制等运行要求；另外，为了实现电机的恒功率扩速运行，就需要具有弱磁功能。

对于协作机器人来说，它相对于传统工业机器人应用来说，还应注意以下几个特点：

①关节一般都是一体化的，因此包括编码器、驱动器、减速器、电机、制动器等都需采用集成式设计。

②协作机器人的负载自重比较大，基本可以达到1：7到1：3，目前国内技术还做不到后者。

③要求有良好的人机协作性能，传统的工业机器人不具备人和机器人直接接触的能力，但现在，一些机器人具备了力感知功能，可以与人进行安全协作。

除了电机之外，协作机器人对伺服驱动器有一些特殊的需求，其中包括：由于协作机器人的走线和执行机构的穿气管都在内部，所以要求电机、减速器、驱动器等都要放在一个大中空的结构里；一般来说都采用无框电机，永磁定子、转子分体设计；无论是驱动器还是电机都要求尺寸小、功率密度高，可以集成在有限的空间内；直流24V或者48V供电，并可方便搭载在电池供电的移动机器人上。而对于移动机器人来说，它的特点主要是轮式结构，用于室内或室外的移动作业，包括双轮差动、四驱、全方位轮等，直流无刷/有刷电机，反馈装置多用增量式编码器和数字HALL，一般配合行星减速器来使用。

以全产业链布局应对开发

新松机器人在开发上有着全产业链布局。最近几年，首先在机器人控制器这一块，我们在2017年将通用机器人控制器升级到SIRC感知智能型机器人控制器，能够在非结构化的工作环境中进行人机安全协作，且包括丰富的机器人模型、轨迹规划、智能感知算法，以及激光导航、视觉感知、力感知等功能。其次，新松在新型柔性协作机器人、双臂协作机器人、轻载复合机器人、协作机器人+AR技术、智能服务机器人、医疗辅助机器人等开发领域均取得了显著的成绩。

在智能机器人技术的研究上，总体来说，未来的智能型机器人将具有感知能力，能在复杂的环境里面精确地感知环境特征；具备共融作业技术，能建立人机和谐共存的行为方式和安全机制；具有交互能力，能实现机器人之间、机器人与人之间的自然交互；另外，智能型机器人还将具备任务与决策技能，能够完成复杂任务和智能决策。