工業(yè)機(jī)器人用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

1、工業(yè)機(jī)器人用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地 驅(qū)動機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機(jī)，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高 起動轉(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)量盡可能小的電動機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機(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過載能力。這是伺服電動 機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。一、機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的主要要求規(guī)納如下1.快速性電動機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應(yīng)短。響應(yīng)指令 信號的時間愈短，電伺服系

2、統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應(yīng)性能愈好，一般是以伺服 電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機(jī)快速響應(yīng)的性能。2.起動轉(zhuǎn)矩慣量比大在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。3. 控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù) 變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。4. 調(diào)速范圍寬。能使用于1：100010000的調(diào)速范圍。5. 體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。6. 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 能在短時間內(nèi)承受過載。目前，由于高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器 人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載 1

3、000n（相當(dāng)100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用 電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)主要是 ac 伺服電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī) 和 dc 伺服電動機(jī)。其中，交流伺服電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)、直接驅(qū)動電動機(jī) （dd）均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中。 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機(jī)器人開環(huán)系統(tǒng) 中。交流伺服電動機(jī)由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了 廣泛的使用。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)的功率范圍一般為 0.110kw。工業(yè)機(jī)器人 驅(qū)動系統(tǒng)中所采用的電動機(jī)。二、電機(jī)大致可細(xì)分為以下幾種：1.交流伺服電動機(jī)包括同步型交流伺服電動機(jī)

4、及反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)等。2.直流伺服電動機(jī)包括小慣量永磁直流伺服電動機(jī)、印制繞組直流伺服電動機(jī)、大慣量永磁直 流伺服電動機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動機(jī)。3.步進(jìn)電動機(jī)包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動機(jī)。速度傳感器多采用測速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋 轉(zhuǎn)變壓器。近年來，國外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓 器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動機(jī)可與位置及速度檢測器、制 動器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動機(jī)驅(qū)動單元。機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)要求傳動系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大。 三、常用的減速機(jī)構(gòu)1. rv 減速機(jī)構(gòu)；2. 諧波減速機(jī)械；3. 擺線針輪減速機(jī)構(gòu)；4. 行星齒

5、輪減速機(jī)械；5. 無側(cè)隙減速機(jī)構(gòu)；6. 蝸輪減速機(jī)構(gòu)；7. 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)；8. 金屬帶齒形減速機(jī)構(gòu)；9. 球減速機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人電動機(jī)驅(qū)動原理如圖1所示。工業(yè)機(jī)器人電動伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)為三個閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度 環(huán)和位置環(huán)。目前國外許多電動機(jī)生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動機(jī)相適配的驅(qū)動產(chǎn) 品，用戶根據(jù)自己所需功能側(cè)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(qū)動器，可通過對其內(nèi)部功能參數(shù)進(jìn)行人工設(shè)定而實(shí)現(xiàn)以下功能：1. 位置控制方式；2. 速度控制方式；3. 轉(zhuǎn)矩控制方式；4. 位置、速度混合方式；5. 位置、轉(zhuǎn)矩混合方式；6. 速度、轉(zhuǎn)矩混合方式；7. 轉(zhuǎn)矩限制；8. 位置偏

6、差過大報(bào)警；9. 速度 pid 參數(shù)設(shè)置；10. 速度及加速度前饋參數(shù)設(shè)置；11. 零漂補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置；12. 加減速時間設(shè)置等。四、驅(qū)動器種類1.直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器多采用脈寬調(diào)制（ pwm）伺服驅(qū)動器，通過改變脈沖 寬度來改變加在電動機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。pwm 伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好、響應(yīng)快、效率高、過載能力 強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中常作為直流伺服電動機(jī)驅(qū)動器。2.同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器同直流伺服電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動機(jī)驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 動慣量比高、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。同步式交流伺服

7、電動機(jī)驅(qū)動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 服電動機(jī)的電流控制。根據(jù)其工作原理、驅(qū)動電流波形和控制方式的不同，它又 可分為兩種伺服系統(tǒng)：（1） 矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。（2） 正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。采用矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服電動機(jī)稱為無刷直流伺服電動機(jī)，采用 正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服電動機(jī)稱為無刷交流伺服電動機(jī)。3.步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖信號變換為相應(yīng)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(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力 的范圍內(nèi)

8、，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不 長期積累，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速， 實(shí)現(xiàn)快速起動、正反轉(zhuǎn)制動。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到 較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對較小、低速運(yùn)動有脈動、 不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機(jī)器人中。步進(jìn)電動機(jī)所用的驅(qū)動器，主要包括脈沖發(fā)生器、環(huán)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(qū)動所謂直接驅(qū)動（dd）系統(tǒng)，就是電動機(jī)與其所驅(qū)動的負(fù)載直接耦合在一起， 中間不存在任何減速機(jī)構(gòu)。同傳統(tǒng)的電動機(jī)伺服驅(qū)動相比， dd 驅(qū)動減少了減速機(jī)構(gòu)，從而減

9、少了系統(tǒng)傳動過程中減速機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動，極大地提高了機(jī)器人的精度，同時也 減少了由于減速機(jī)構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動所造成的機(jī)器人控制精度降低。而 dd 驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)械剛性好，可以高速高精度動作，且具有部 件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、可靠性高等特點(diǎn)，在高精度、高速工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用 中越來越引起人們的重視。作為 dd 驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是 dd 電動機(jī)及其驅(qū)動器。它應(yīng)具有以下特性：（1） 輸出轉(zhuǎn)矩大：為傳統(tǒng)驅(qū)動方式中伺服電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的50100倍。（2） 轉(zhuǎn)矩脈動?。?dd 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動可抑制在輸出轉(zhuǎn)矩的5%10%以內(nèi)。（3） 效率：與采用合理阻抗匹配的電動機(jī)（傳統(tǒng)驅(qū)動方式下）相比，dd 電 動機(jī)是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。因此，負(fù)載越大，越傾向于選用較 大的電動機(jī)。目前，dd 電動機(jī)主要分為變磁阻型和變磁阻混合型，有以下兩種結(jié)構(gòu)型式： （1）雙定子結(jié)構(gòu)變磁阻型 dd 電動機(jī)；（2）中央定子型結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型 dd 電動機(jī)。5.特種驅(qū)動器（1）壓電驅(qū)動器。眾所周知，利用壓電元件的電或