淺談工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

摘 要：工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要部件，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和控制理論技術(shù)的快速發(fā)展，未來的工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器將向更加集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。本文對工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行了分析，可作為工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)開發(fā)和選型的參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；伺服驅(qū)動(dòng)器；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

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

1 引言

工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器是指控制機(jī)器人伺服電機(jī)的專用控制器，可通過位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種方式對工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。隨著本世紀(jì)國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)器人的四大核心部件之一，也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但是，國內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)器仍然和國外伺服驅(qū)動(dòng)器有一定的差距，必須持續(xù)提高伺服驅(qū)動(dòng)器性能和可靠性，才能不斷提高我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平。

2 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的分類和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的分類

工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器分類可按照功率等級、編碼器類型、總線控制方式等進(jìn)行分類。工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器按照功率等級可分為：400W伺服驅(qū)動(dòng)器、1KW伺服驅(qū)動(dòng)器、2KW伺服驅(qū)動(dòng)器、5.5KW伺服驅(qū)動(dòng)器、7.5KW伺服驅(qū)動(dòng)器、11KW伺服驅(qū)動(dòng)器、18KW伺服驅(qū)動(dòng)器等；按照電機(jī)編碼器類型分為：增量式光電編碼器伺服驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)變壓器伺服驅(qū)動(dòng)器、磁編碼器伺服驅(qū)動(dòng)器和高精度編碼器伺服驅(qū)動(dòng)器等；按照總線控制方式分為：EtherCAT總線伺服驅(qū)動(dòng)器、Powerlink總線伺服驅(qū)動(dòng)器和Mechatrolink總線伺服驅(qū)動(dòng)器等。

2.2 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外的工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)有五十多年的發(fā)展歷史，特別是隨著近年電力電子技術(shù)、電機(jī)永磁材料技術(shù)、控制總線技術(shù)的發(fā)展，在伺服驅(qū)動(dòng)器的處理速度、響應(yīng)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(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、總線技術(shù)性能優(yōu)秀、開發(fā)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(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是價(jià)格較低、體積較小、重量輕、動(dòng)態(tài)性能稍弱，能夠滿足絕大部分的應(yīng)用要求，典型代表是法拉克、安川、松下、三菱等。在中高端工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)，國外品牌的伺服驅(qū)動(dòng)器占據(jù)了國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器市場份額的80%以上。

國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器起步較晚，但是發(fā)展迅速，已經(jīng)發(fā)展有30多家較大規(guī)模的伺服廠家，主要代表是匯川、英威騰、廣州數(shù)控、邁信、埃斯頓等，在伺服驅(qū)動(dòng)器的功能方面，與國外伺服驅(qū)動(dòng)器差距相差已經(jīng)不大，但是在性能方面，仍然有一定的差距，對伺服驅(qū)動(dòng)器控制性能和精度要求比較高的工業(yè)機(jī)器人行業(yè)，比如焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人及打磨機(jī)器人等，使用國產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器的仍然占比較少。

3 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢

3.1 高速、高精、高性能化

工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(yīng)每圈脈沖數(shù)為13萬和104萬，顯著提高了電機(jī)的控制精度和低速性能，非常適合高精度工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用；采用實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、先進(jìn)非線性控制、參數(shù)識(shí)辨自整定等控制方法和策略，顯著提高了伺服驅(qū)動(dòng)的性能指標(biāo)。通過以上一些措施和辦法，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器向高處理速度、高精度、高性能方向發(fā)展。

3.2 通用化和專用化

通用化指將工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的功能進(jìn)行集成，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部配置有大量的參數(shù)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(shè)置開環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、電機(jī)控制等工作方式，適用于各種場合，可以驅(qū)動(dòng)不同類型的電機(jī)，比如異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。這樣只需要設(shè)計(jì)一款伺服驅(qū)動(dòng)器，就能滿足大部分應(yīng)用行業(yè)的需求，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。國外伺服驅(qū)動(dòng)器廠家如西門子已經(jīng)推出相關(guān)通用化伺服驅(qū)動(dòng)器。

雖然通用化的伺服驅(qū)動(dòng)器具有設(shè)計(jì)改型成本低、生產(chǎn)庫存壓力小等優(yōu)點(diǎn)，但是通用化伺服驅(qū)動(dòng)器由于功能齊全，導(dǎo)致價(jià)格較高，某些應(yīng)該場合就不太適合，這就需要開發(fā)專用化的伺服驅(qū)動(dòng)器，比如直角機(jī)器人，需要專門設(shè)計(jì)適合直角機(jī)器人應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器，以減低伺服驅(qū)動(dòng)器的成本和體積。所以，未來通用化和專用化伺服驅(qū)動(dòng)器將會(huì)并存。

3.3 集成化和模塊化

隨著使用工業(yè)機(jī)器人不斷往小型化方向發(fā)展，也需要體積更小的伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，針對某些特殊應(yīng)用場合，將伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)集成一體越來越成為一種趨勢。

模塊化伺服驅(qū)動(dòng)器是指將驅(qū)動(dòng)器按照功能模塊進(jìn)行劃分，每個(gè)功能模塊做成一個(gè)整體，根據(jù)不同的需求，將各個(gè)功能模塊進(jìn)行疊加。比如，將電源模塊做成一個(gè)整體，一個(gè)電源模塊可以給一個(gè)或者幾個(gè)控制模塊同時(shí)供電。目前國外伺服驅(qū)動(dòng)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(nèi)模塊化伺服尚處于起步階段，只有極少數(shù)廠家部分產(chǎn)品推向市場。模塊化的優(yōu)點(diǎn)很多，只需要完成各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)，就可以任意組合成不同功率等級、不同功能的伺服驅(qū)動(dòng)器，減少設(shè)計(jì)開發(fā)成本、減低了采購和庫存壓力、提高了市場快速響應(yīng)能力。

3.4 網(wǎng)絡(luò)化

隨著工業(yè)機(jī)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(fā)展，對伺服驅(qū)動(dòng)器的總線傳輸速度和數(shù)據(jù)量要求越來越高，RS485和CAN通訊技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求，越來越多的應(yīng)用場合采用EtherCAT、SERCOS III、Mechatrolink、Powerlink等工業(yè)以太網(wǎng)總線。這些總線的使用極大的提升了工業(yè)機(jī)器人的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，提高了機(jī)器人的加工精度和生產(chǎn)效率。

3.5 智能化

智能化是工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要的發(fā)展方向，伺服驅(qū)動(dòng)器可以通過自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、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(yīng)用，包括使用工況的慣量自識(shí)別、控制參數(shù)的自整定、電機(jī)參數(shù)的自辨識(shí)等。驅(qū)動(dòng)器的智能化簡化了工業(yè)機(jī)器人的工程調(diào)試過程，縮短了工業(yè)機(jī)器人的工程調(diào)試時(shí)間，降低了對調(diào)試人員技術(shù)水平的要求。

3.6 從故障診斷到預(yù)測性維護(hù)

隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的待問題發(fā)生后再進(jìn)行故障診斷和保護(hù)的方法已經(jīng)不能滿足要求，新一代工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器需要嵌入預(yù)測性維護(hù)技術(shù)，使用戶或者生產(chǎn)廠家可以通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)掌握重要技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，并采取預(yù)防性措施，保證在發(fā)生故障前及時(shí)維護(hù)產(chǎn)品，減少因?yàn)轵?qū)動(dòng)器發(fā)生故障導(dǎo)致的自動(dòng)化生產(chǎn)線停產(chǎn)、設(shè)備損壞、甚至作業(yè)人員的傷亡。比如，實(shí)時(shí)檢測驅(qū)動(dòng)器的電流、IPM模塊溫升、電機(jī)位置及轉(zhuǎn)速信息等，將檢測到的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行對比，如果發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)出現(xiàn)異常或者有異常的趨勢，及時(shí)對相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行檢測和維護(hù)，防止故障的發(fā)生和生產(chǎn)線的停產(chǎn)。

4 結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和控制理論技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展將會(huì)更加突飛猛進(jìn)，未來的工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器將會(huì)更加集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，隨著中國制造2025的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器將迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇。

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作者簡介：周洲（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：電機(jī)控制。