機器人熱潮驅動升級：伺服系統呈現三大發展趨勢

若說當下什么話題最熱門，機器人絕對算一個。機器人作為典型的機電一體化技術密集型產品，它是如何實現運作的？據小編了解，機器人的控制分為機械本體控制和伺服機構控制兩大類，伺服控制系統則是實現機器人機械本體控制和伺服機構控制的重要部分。因而要了解機器人的運作過程，必然繞不過伺服系統。

伺服系統是以變頻技術為基礎發展起來的產品，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。伺服系統除了可以進行速度與轉矩控制外，還可以進行精確、快速、穩定的位置控制。

通常情況下，我們所說的機器人伺服系統是指應用于多軸運動控制的精密伺服系統。一個多軸運動控制系統是由高階運動控制器與低階伺服驅動器所組成，運動控制器負責運動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要作用在于降低整體系統運動控制的路徑誤差;伺服驅動器負責伺服電機的位置控制，其主要作用在于降低伺服軸的追隨誤差。

下圖展示的是一個雙軸運動控制系統的簡化控制方塊圖，在一般的情況下X-軸與Y-軸的動態響應特性會有相當大的差異，在高速輪廓控制時會造成明顯的誤差，因此必須設計一個運動控制器以整體考慮的觀點來解決這個題目。

伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執行機構，就是靠它來實現運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發脈沖或者給速度用于配合伺服驅動器正常工作的。

機器人對伺服電機的要求比其它兩個部分都高。首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來說明伺服電機快速響應的性能。其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。最后，伺服電機要具有控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。

當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要經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，并能在短時間內承受數倍過載。

伺服驅動器是可利用各種電機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構，具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在機器人中應用比較廣泛。

隨著伺服系統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求也越來越高。總的來說，伺服系統的發展趨勢可以概括為以下幾個方面：

集成化：伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件，這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中，構成高精度的全閉環調節系統。高度的集成化顯著地縮小了整個控制系統的體積。

智能化：伺服系統的智能化表現在以下幾個方面:系統的所有運行參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置;它們都具有故障自診斷與分析功能;參數自整定的功能等。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統的參數整定出來，并自動實現其最優化。

網絡化：伺服系統網絡化是綜合自動化技術發展的必然趨勢，是控制技術、計算機技術和通信技術相結合的產物。

簡易化：這里所說的“簡”不是簡單而是精簡，是根據用戶情況，將用戶使用的伺服功能予以強化，使之專而精，而將不使用的一些功能予以精簡，從而降低了伺服系統成本，為客戶創造更多的收益。

機器人的工作表現受伺服系統影響極大，因而精密伺服系統的關鍵性能指標永遠都是先進性比較的首要因素。國外先進伺服系統已經能夠很好地適應絕大多數應用的需求，其研發資源集中在個別高端應用及整體性能提升方面，處于精雕細刻階段。而國內廠家的產品很多連基本要求都尚未達到，所以國內伺服系統市場仍由國外企業占據大半壁江山，國產伺服任重而道遠，還需努力追趕。