机器人热潮驱动升级：伺服系统呈现三大发展趋势

James

机器人热潮驱动升级：伺服系统呈现三大发展趋势

　　若说当下什么话题最热门，机器人绝对算一个。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。

　　通常情况下，我们所说的机器人伺服系统是指应用于多轴运动控制的精密伺服系统。一个多轴运动控制系统是由高阶运动控制器与低阶伺服驱动器所组成，运动控制器负责运动控制命令译码、各个位置控制轴彼此间的相对运动、加减速轮廓控制等等，其主要作用在于降低整体系统运动控制的路径误差;伺服驱动器负责伺服电机的位置控制，其主要作用在于降低伺服轴的追随误差。

　　下图展示的是一个双轴运动控制系统的简化控制方块图，在一般的情况下X-轴与Y-轴的动态响应特性会有相当大的差异，在高速轮廓控制时会造成明显的误差，因此必须设计一个运动控制器以整体考虑的观点来解决这个题目。

　　伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。

　　机器人对伺服电机的要求比其它两个部分都高。首先要求伺服电机具有快速响应性。电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，一般是以伺服电机的机电时间常数的大小来说明伺服电机快速响应的性能。其次，伺服电机的起动转矩惯量比要大。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。最后，伺服电机要具有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。

当然，为了配合机器人的体形，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短。还要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。

　　伺服驱动器是可利用各种电机产生的力矩和力，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，具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在机器人中应用比较广泛。

　　随着伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

　　集成化：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，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，构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化显著地缩小了整个控制系统的体积。

　　智能化：伺服系统的智能化表现在以下几个方面:系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置;它们都具有故障自诊断与分析功能;参数自整定的功能等。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

　　网络化：伺服系统网络化是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。

　　简易化：这里所说的“简”不是简单而是精简，是根据用户情况，将用户使用的伺服功能予以强化，使之专而精，而将不使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统成本，为客户创造更多的收益。

　　机器人的工作表现受伺服系统影响极大，因而精密伺服系统的关键性能指标永远都是先进性比较的首要因素。国外先进伺服系统已经能够很好地适应绝大多数应用的需求，其研发资源集中在个别高端应用及整体性能提升方面，处于精雕细刻阶段。而国内厂家的产品很多连基本要求都尚未达到，所以国内伺服系统市场仍由国外企业占据大半壁江山，国产伺服任重而道远，还需努力追赶。

James

　　相关知识：伺服系统与机器人控制初步
　　在运动控制系统中最常见的术语之一为所谓伺服系统(servomechanism)。广义的伺服系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统，它并不一定局限于机械运动。但是在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义地应用于利用反馈和误差修正信号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是使输出的机械位移准确地实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。伺服系统的结构组成与其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
　　伺服系统最初应用于船舶驾驶和火炮控制，后来逐渐推广到很多领域，如天线位置控制、制导和导航、数控机床和机器人等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：
　　 (1)以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
　　(2)在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距离同步传动，例如轧钢机和长距离多段传送带的运动控制系统。
　　 (3)使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令，这些指令可以是预先编制的，也可能是随机产生的，如数控机床和行走机器人。
　　伺服系统按所用驱动元件的类型可分为液压伺服系统、气动伺服系统和机电伺服系统。前两者特色明显，但应用范围有一定的限制。而机电伺服系统的能源是可以用最方便最灵活的方式加以利用的电能，其驱动元件是可按各种特定需求设计和选用的电动机，可以达到最为优异的系统性能，因此成为应用最为广泛的伺服系统。
　　伺服系统的控制精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中对高精度的测量给予较高的重视，并研究各种附加措施来提高系统的精度。
　　衡量伺服系统性能的主要指标与一般的控制系统类似，例如其频域指标带宽由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15Hz，大型设备伺服系统的带宽则在1～2Hz以下。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50Hz，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场合。    下面介绍伺服系统中的一些基本概念。
　　坐标系统
　　一般认为任何定位平台坐标系统(coordinates)均具有6个自由度，其中有3个分别称为X、y和Z轴的直线坐标，另外则是围绕3个直线坐标按右手定则形成的3个旋转坐标A、B和C。任何空间动作(movement)均可分解为沿直线坐标的平移(translation)和沿旋转坐标的旋转(rotation)。
　　在一个运动控制系统中往往存在多个定位平台，例如机器人的肩、肘、腕关节和行走部分均有各自的定位平台，在这样的系统中，坐标的总数将超过6个。运动控制系统中的坐标一般称之为轴(axis)。
　　最小运动增量和分辨率
　　最小运动增量( Minimum  Incremental Motion)指的是一个装置能可靠提供的最小的运动，而分辨率(Resolution)则是运动系统中可检测到的最小位置增量，也被称为显示分辨率或编码分辨率。它与最小运动增量有所不同，一般由反馈装置的输出所确定。由于传动链中的滞环、回差等，除非反馈装置可以直接测量运动本身，大多数系统不能使得最小运动增量等于分辨率，所以这两个指标不能混淆。分辨率主要是基于控制器检测和显示的最小增量，它比实际的运动输出更使人印象深刻。
　　准确度（精度）
　　准确度(accuracy)又称精度，它是预期位置与实际位置之差的最大期望值。运动装置的准确度在很大程度上取决于实际位置的测量，这个术语更直观地应该说成不准确度。当一个运动系统被命令移动10mm，而被理想的测量装置测出实际移动了9.99mm时，其不准确度为0.Olmm。
　　精密度与重复性
　　精密度(precision) -般定义为：对于完全相同的输入，系统多次运行输出95%的结果的偏差范围。而重复性(Repeatability)则是系统在多次运行中到达命令指定位置的能力，可见这两个指标虽然说法不同，但具有相同的本质。注意精密度与准确度是不同的。
　　跟踪误差
　　跟踪误差(Following Error)理想测量装置测得的实际位置与控制器通过命令要求的预期位置之间的瞬时差值。
　　调整时间
　　调整时间(Settling Time)为运动接受指令后进入并保持于可接受的指令位置误差范围所需花费的时间。
　　超调
　　超调(Overshoot)为欠阻尼系统中过校正行为的度量，这在位置伺服系统中是希望避免的。
　　稳态误差
　　稳态误差(Steady-State Error)为控制器完成校正行为后实际位置与指令位置之间的差。
　　振动
　　振动(Vibration)为当运行速度接近机械系统的自然频率时可导致结构的振动或振铃现象，振铃也可由系统中速度或位置的突然改变引起。这种振荡将减小有效转矩并导致电动机和控制器之间的失步。谐振可以通过机械手段如摩擦或粘滞阻尼器来抑制。
　　运动规划
　　运动规划(Motion profile)是一种以时间、位置和速度描述运动操作的方法。运动规划的典型应用是数控设备中的速度曲线，它们是速度相对于时间或距离的一条三角形和梯形曲线。