淺談工業機器人伺服驅動器的現狀和發展趨勢

摘 要：工業機器人伺服驅動器是工業機器人控制系統的重要部件，隨著半導體技術和控制理論技術的快速發展，未來的工業機器人伺服驅動器將向更加集成化、網絡化和智能化方向發展。本文對工業機器人伺服驅動器的發展現狀和發展趨勢等方面進行了分析，可作為工業機器人伺服驅動器設計開發和選型的參考。

關鍵詞：工業機器人；伺服驅動器；發展現狀；發展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.022

1 引言

工業機器人伺服驅動器是指控制機器人伺服電機的專用控制器，可通過位置、速度和轉矩三種方式對工業機器人伺服電機進行閉環控制。隨著本世紀國內外工業機器人的快速發展，工業機器人伺服驅動器作為機器人的四大核心部件之一，也取得了突飛猛進的發展。但是，國內伺服驅動器仍然和國外伺服驅動器有一定的差距，必須持續提高伺服驅動器性能和可靠性，才能不斷提高我國的工業機器人技術水平。

2 工業機器人伺服驅動器的分類和發展現狀

2.1 工業機器人伺服驅動器的分類

工業機器人伺服驅動器分類可按照功率等級、編碼器類型、總線控制方式等進行分類。工業機器人伺服驅動器按照功率等級可分為：400W伺服驅動器、1KW伺服驅動器、2KW伺服驅動器、5.5KW伺服驅動器、7.5KW伺服驅動器、11KW伺服驅動器、18KW伺服驅動器等；按照電機編碼器類型分為：增量式光電編碼器伺服驅動器、旋轉變壓器伺服驅動器、磁編碼器伺服驅動器和高精度編碼器伺服驅動器等；按照總線控制方式分為：EtherCAT總線伺服驅動器、Powerlink總線伺服驅動器和Mechatrolink總線伺服驅動器等。

2.2 工業機器人伺服驅動器的國內外發展現狀

國外的工業機器人伺服驅動器已經有五十多年的發展歷史，特別是隨著近年電力電子技術、電機永磁材料技術、控制總線技術的發展，在伺服驅動器的處理速度、響應速度、控制精度等方面得到了較大的提升。

目前，歐美系品牌工業機器人伺服驅動器的特點是過載能力強、動態性能好、總線技術性能優秀、開發性較好，典型代表是西門子、倍福、貝加萊、羅克韋爾等。日系品牌工業機器人伺服驅動器的特點是價格較低、體積較小、重量輕、動態性能稍弱，能夠滿足絕大部分的應用要求，典型代表是法拉克、安川、松下、三菱等。在中高端工業機器人應用行業，國外品牌的伺服驅動器占據了國內工業機器人伺服驅動器市場份額的80%以上。

國內的工業機器人伺服驅動器起步較晚，但是發展迅速，已經發展有30多家較大規模的伺服廠家，主要代表是匯川、英威騰、廣州數控、邁信、埃斯頓等，在伺服驅動器的功能方面，與國外伺服驅動器差距相差已經不大，但是在性能方面，仍然有一定的差距，對伺服驅動器控制性能和精度要求比較高的工業機器人行業，比如焊接機器人、噴涂機器人及打磨機器人等，使用國產伺服驅動器的仍然占比較少。

3 工業機器人伺服驅動器的發展趨勢

3.1 高速、高精、高性能化

工業機器人伺服驅動器的主控芯片采用更高速度的處理器，如DSP、FPGA等，提高了伺服驅動器的處理速度和處理能力；采用更高精度的編碼器，如17或20位高精度絕對式串行編碼器，17位和20位分別對應每圈脈沖數為13萬和104萬，顯著提高了電機的控制精度和低速性能，非常適合高精度工業機器人的應用；采用實時任務調度、先進非線性控制、參數識辨自整定等控制方法和策略，顯著提高了伺服驅動的性能指標。通過以上一些措施和辦法，實現工業機器人伺服驅動器向高處理速度、高精度、高性能方向發展。

3.2 通用化和專用化

通用化指將工業機器人伺服驅動器的功能進行集成，驅動器內部配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，靈活地設置開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、電機控制等工作方式，適用于各種場合，可以驅動不同類型的電機，比如異步電機、永磁同步電機、無刷電機、步進電機。這樣只需要設計一款伺服驅動器，就能滿足大部分應用行業的需求，實現伺服驅動器的通用化和標準化。國外伺服驅動器廠家如西門子已經推出相關通用化伺服驅動器。

雖然通用化的伺服驅動器具有設計改型成本低、生產庫存壓力小等優點，但是通用化伺服驅動器由于功能齊全，導致價格較高，某些應該場合就不太適合，這就需要開發專用化的伺服驅動器，比如直角機器人，需要專門設計適合直角機器人應用的驅動器，以減低伺服驅動器的成本和體積。所以，未來通用化和專用化伺服驅動器將會并存。

3.3 集成化和模塊化

隨著使用工業機器人不斷往小型化方向發展，也需要體積更小的伺服驅動器和電機，針對某些特殊應用場合，將伺服驅動器和電機集成一體越來越成為一種趨勢。

模塊化伺服驅動器是指將驅動器按照功能模塊進行劃分，每個功能模塊做成一個整體，根據不同的需求，將各個功能模塊進行疊加。比如，將電源模塊做成一個整體，一個電源模塊可以給一個或者幾個控制模塊同時供電。目前國外伺服驅動器廠家采用模塊化比較多，比如西門子、貝加萊、羅克韋爾等。國內模塊化伺服尚處于起步階段，只有極少數廠家部分產品推向市場。模塊化的優點很多，只需要完成各個功能模塊的設計開發，就可以任意組合成不同功率等級、不同功能的伺服驅動器，減少設計開發成本、減低了采購和庫存壓力、提高了市場快速響應能力。

3.4 網絡化

隨著工業機器人由低速向高速、由低精度向高精度、由集中式控制向分布式控制的發展，對伺服驅動器的總線傳輸速度和數據量要求越來越高，RS485和CAN通訊技術已經不能滿足要求，越來越多的應用場合采用EtherCAT、SERCOS III、Mechatrolink、Powerlink等工業以太網總線。這些總線的使用極大的提升了工業機器人的響應速度，實現了工業機器人的實時控制，提高了機器人的加工精度和生產效率。

3.5 智能化

智能化是工業機器人伺服驅動器的一個重要的發展方向，伺服驅動器可以通過自學習、自適應、自校正等智能控制方法，使其具有人工智能的特性。智能控制方法的應用，包括使用工況的慣量自識別、控制參數的自整定、電機參數的自辨識等。驅動器的智能化簡化了工業機器人的工程調試過程，縮短了工業機器人的工程調試時間，降低了對調試人員技術水平的要求。

3.6 從故障診斷到預測性維護

隨著安全標準的不斷發展，傳統的待問題發生后再進行故障診斷和保護的方法已經不能滿足要求，新一代工業機器人伺服驅動器需要嵌入預測性維護技術，使用戶或者生產廠家可以通過網絡及時掌握重要技術參數的動態變化，并采取預防性措施，保證在發生故障前及時維護產品，減少因為驅動器發生故障導致的自動化生產線停產、設備損壞、甚至作業人員的傷亡。比如，實時檢測驅動器的電流、IPM模塊溫升、電機位置及轉速信息等，將檢測到的參數與標準的參數進行對比，如果發現某些參數出現異常或者有異常的趨勢，及時對相應的驅動器進行檢測和維護，防止故障的發生和生產線的停產。

4 結束語

隨著半導體技術和控制理論技術的發展，工業機器人伺服驅動器的發展將會更加突飛猛進，未來的工業機器人伺服驅動器將會更加集成化、網絡化和智能化，隨著中國制造2025的推進，工業機器人伺服驅動器將迎來新一輪發展機遇。

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作者簡介：周洲（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：電機控制。