说说：工业机器人常用电机驱动系统的分类以及要求

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机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。经过多年的发展，我国工业机器人已经初具规模，目前我国已生产出部分机器人关键元器件，以线性滑台为主的电器元件正发挥着优势作用，一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上、一批机器人技术的研究人才也涌现出来、某些关键技术已达到或接近世界水平。

对工业机器人关节驱动的电动机要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电动机尤其是要求快速响应时伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。

一、机器人对关节驱动电机的主要要求

1、快速性电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短电伺服系统的灵敏性愈高快速响应性能愈好一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。
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动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动机的转速能连续变化有时还需转速与控制信号成正比或似成正比。
4、调速范围宽能使用于1：1000～10000的调速范围。
5、体积小、质量小、轴向尺寸短。
6、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过载。

目由于高起动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用一般负载1000N(相当100)以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机步进电动机和DC伺服电动机。其中交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机(DD)均采用位置闭环控制一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。步进电动机驱动系统多适用于对精度、速度要求不高的小型简易机器人开环系统中。交流伺服电动机由于采用电子换向无换向火花在易燃易爆环境中得到了广泛的使用。机器人关节驱动电动机的功率范围一般为01～10W。

二、机器人驱动系统中所采用的电动机

工业机器人驱动系统所采用的电机大致可细分为以下几种：

1、交流伺服电动机包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。
2、直流伺服电动机包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。
3、步进电动机包括永磁感应步进电动机。

速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器;位置传感器多用宽带码盘和旋转变压器。来国外机器人制造厂家已经在使用一种集宽带码盘及旋转变压器功能为一体的混合式宽带位置传感器伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单。

机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。

三、常用的减速机构

工业机器人电动机驱动原理如图所示：

工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制即电流环、速度环和位置环。

目国外许多电动机生产厂家均开发出与交流伺服电动机相适配的驱动产品用户根据自己所需功能侧重不同而选择不同的伺服控制方式一般情况下交流伺服驱动器可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现功能。

四、驱动器种类

1、直流伺服电动机驱动器直流伺服电动机驱动器多采用脉宽调制(PWM)伺服驱动器通过改变脉冲宽度来改变加在电动机电枢两端的平均电压从而改变电动机的转速。PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器。

2、同步式交流伺服电动机驱动器同直流伺服电动机驱动系统相比同步式交流伺服电动机驱动器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。

同步式交流伺服电动机驱动器通常采用电流型脉宽调制(PWM)相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统以实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控制。根据其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同它又可分为两种伺服系统：(1)矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统。(2)正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。

采用矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷直流伺服电动机采用正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流伺服电动机。

3、步进电动机驱动器步进电动机是将电脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移的件它的角位移和线位移量与脉冲数成正比。转速或线速度与脉冲频率成正比。在负载能力的范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化误差不长期积累步进电动机驱动系统可以在较宽的范围内通过改变脉冲频率来调速实现快速起动、正反转制动。作为一种开环数字控制系统在小型机器人中得到较广泛的应用。但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不平衡等缺点一般只应用于小型或简易型机器人中。

4、直接驱动所谓直接驱动(DD)系统就是电动机与其所驱动的负载直接耦合在一起中间不存在任何减速机构。

同传统的电动机伺服驱动相比DD驱动减少了减速机构从而减少了系统传动过程中减速机构所产生的间隙和松动极大地提高了机器人的精度同时也减少了由于减速机构的摩擦及传送转矩脉动所造成的机器人控制精度降低。而DD驱动由于具有上述优点所以机械刚性好可以高速高精度动作且具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点在高精度、高速工业机器人应用中越来越引起人们的重视。

作为DD驱动技术的关键环节是DD电动机及其驱动器。它应具有以下特性：(1)输出转矩大：为传统驱动方式中伺服电动机输出转矩的50～100倍。(2)转矩脉动小： DD电动机的转矩脉动可抑制在输出转矩的5～10以内。(3)效率：与采用合理阻抗匹配的电动机(传统驱动方式下)相比DD电动机是在功率转换较差的使用条件下工作的。因此负载越大越倾向于选用较大的电动机。

目DD电动机主要分为变磁阻型和变磁阻混合型有以下两种结构型式：(1)双定子结构变磁阻型DD电动机;(2)中央定子型结构的变磁阻混合型DD电动机。

5、特种驱动器

(1)压电驱动器众所周知利用压电件的电或电致伸缩现象已制造出应变式加速度传感器和超声波传感器压电驱动器利用电场能把几微米到几百微米的位移控制在高于微米级大的力所以压电驱动器一般用于特殊用途的微型机器人系统中。
(2)超声波电动机
(3)真空电动机用于超洁净环境下工作的真空机器人例如用于搬运半导体硅片的超真空机器人等。