工業(yè)機(jī)器人常用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)探究

        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)量盡可能小的電機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，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(shí)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(shí)間應(yīng)短。響應(yīng)指令信號的時(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，一般是以伺服電動機(jī)的機(jī)電時(shí)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(shí)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1：1000～10000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(shí)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1000N（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0.1～10kW。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)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(gè)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(shí)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)，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(shí)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)動由于具有東莞電機(jī)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50～100倍。

        （2）轉(zhuǎn)矩脈動小： 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電致伸縮現(xiàn)象已制造出應(yīng)變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅(qū)動器利用電場能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級大的力，所以壓電驅(qū)動器一般用于特殊用途的微型機(jī)器人系統(tǒng)中。

        （2）超聲波電動機(jī)。

        （3）真空電動機(jī)。

        用于超潔凈環(huán)境下工作的真空機(jī)器人，例如用于搬運(yùn)半導(dǎo)體硅片的超真空機(jī)器人等。