工業(yè)機器人電機驅(qū)動

1、對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機，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，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機必須具有較高的 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 機在工業(yè)機器人中應(yīng)用的先決條件。直接或間接地驅(qū)動機器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力, 機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)。對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機，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。特別是像機器人末端執(zhí)行器（手 爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡

2、可能小的電動機，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機 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 機在工業(yè)機器人中應(yīng)用的先決條件。一、機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的主要要求規(guī)納如下1 .快速性電動機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 電動機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機快速響應(yīng)的性能。2 .起動轉(zhuǎn)矩慣量比大在驅(qū)動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉(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，電動機的轉(zhuǎn)速能連 續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與 控制信

3、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)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行， 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、直流伺服電動機在工業(yè)機器 人中得到廣泛應(yīng)用，一般負載1000N（相當(dāng)100kgf）以下的工業(yè)機器人大多采用 電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機主要是AC伺服電動機，步進電動機和DC伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、直接驅(qū)動電動機 （DD均采用位置閉環(huán) 控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機器人驅(qū)動系統(tǒng)中。 步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)多適用于

4、對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環(huán)系統(tǒng) 中。交流伺服電動機由于采用電子換向， 無換向火花，在易燃易爆環(huán)境中得到了 廣泛的使用。機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機的功率范圍一般為0.110kW工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)中所采用的電動機。二、電機大致可細分為以下幾種：1 交流伺服電動機包括同步型交流伺服電動機及反應(yīng)式步進電動機等。2 .直流伺服電動機包括小慣量永磁直流伺服電動機、 印制繞組直流伺服電動機、大慣量永磁直 流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機。3 .步進電動機包括永磁感應(yīng)步進電動機。速度傳感器多采用測速發(fā)電機和旋轉(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，國外機器人制造廠家已經(jīng)在使用一種

5、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，伺服電動機可與位置及速度檢測器、制 動器、減速機構(gòu)組成伺服電動機驅(qū)動單元。機器人驅(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、常用的減速機構(gòu)1 . RV減速機構(gòu)；2 .諧波減速機械；3 .擺線針輪減速機構(gòu)；4 .行星齒輪減速機械；5 .無側(cè)隙減速機構(gòu)；6 .蝸輪減速機構(gòu)；7 .滾珠絲杠機構(gòu)；8 .金屬帶/齒形減速機構(gòu)；9 .球減速機構(gòu)。工業(yè)機器人電動機驅(qū)動原理如圖1所示蕭用環(huán)teaWM連度整制 轉(zhuǎn)距控制不IF t D電動機單兀帆tt傳動顒量給定 隹置環(huán)ffl 1工業(yè)機器人電動機騾動原理框圖工業(yè)機器人電動伺服系統(tǒng)的一

6、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生產(chǎn)廠家均開發(fā)出與交流伺服電動機相適配的驅(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)進行人工設(shè)定而實現(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 直流伺服電動機驅(qū)動器直流伺服電動機驅(qū)動器多采用脈寬

7、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電樞兩端的平均電壓，從而改 變電動機的轉(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 強等特點，在工業(yè)機器人中常作為直流伺服電動機驅(qū)動器。2 同步式交流伺服電動機驅(qū)動器同直流伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動機驅(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，在工業(yè)機器人中得到廣泛應(yīng)用。同步式交流伺服電動機驅(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)，以實現(xiàn)對三相永磁同步伺 服電動機的電流 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，

8、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稱為無刷直流伺服電動機，采用正弦波電流驅(qū)動的永磁交流伺服電動機稱為無刷交流伺服電動機。3 .步進電動機驅(qū)動器步進電動機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。在負載能力 的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化，誤差不 長期積累，步進電動機驅(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

9、型機器人中得到 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、低速運動有脈動、 不平衡等缺點，一般只應(yīng)用于小型或簡易型機器人中。步進電動機所用的驅(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)，就是電動機與其所驅(qū)動的負載直接耦合在一起， 中間不存在任何減速機構(gòu)。同傳統(tǒng)的電動機伺服驅(qū)動相比，DD驅(qū)動減少了減速機構(gòu)，從而減少了系統(tǒng) 傳動過程中減速機構(gòu)所產(chǎn)生的間隙和松動， 極大地提高了機器人的精度，同時也 減少了由于減速機構(gòu)的摩擦及傳送轉(zhuǎn)矩脈動所造成的機器人 控制精度降低。而 DD驅(qū)動由于具有上述優(yōu)點，所以機械剛性好，

10、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，在高精度、高速工業(yè)機器人應(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輸出轉(zhuǎn)矩的50100倍。(2) 轉(zhuǎn)矩脈動?。篋D電動機的轉(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(傳統(tǒng)驅(qū)動方式下)相比， DD電 動機是在功率轉(zhuǎn)換較差的使用條件下工作的。 因此，負載越大，越傾向于選用較 大的電動機。目前，DD電動機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；(2) 中央定子型結(jié)構(gòu)的變磁阻混合型 DD電動機。5 特種驅(qū)動器(1) 壓電驅(qū)動器。眾所周