守得云开见月明 国产机器人伺服系统何时“熬”出头

　　作为工业机器人必不可少的关键零部件——伺服系统是以变频技术基础发展起来的产品，它通常由伺服电机以及伺服驱动器组成。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。

　　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。

　　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。

　　机器人对关节驱动电机的要求非常严格，首先就是快速响应性。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。其次，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。第三，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近似成正比。随后，调速范围宽。能使用于1：1000～10000的调速范围。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。最后就是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数倍过载。

　　伺服驱动器

　　交流伺服电动机驱动器因其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。一般情况下，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。

　　历史与现状

　　20世纪70年代，随着技术的飞速发展，伺服系统从直流转向交流并在国外得到飞速的发展。这个时候，有部分知名品牌脱颖而出站在伺服界的世界舞台，如日本的松下、三菱、安川、山洋，德国的西门子等等。

　　由于我国在伺服系统相关技术发展较晚难以与国外品牌竞争，直到2000年，中国加入WTO，中国企业在吸取国外先进技术经验的前提下，开始自主研发伺服系统。至此，中国的伺服系统的市场份额有所提高。到了2011年市场容量60多亿元，比上年增长22.0%。2012年，由于国际经济的影响以及国内供求问题导致伺服市场下滑14.9%。直到2013年下半年，伺服市场才开始逐步回暖，上升幅度在5%左右。现在中国的伺服系统市场仍由国外企业占据大半壁江山。而一批国内企业也在激烈的市场竞争中逐渐成长起来。

　　发展趋势

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

　　1.集成化

　　目前，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。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以外接外部传感器如位置、速度、力矩传感器等，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。

　　2. 智能化

　　目前伺服内部控制核心大都采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)，从而实现完全数字化的伺服系统。伺服系统数字化是其实现智能化的前提条件。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;其次它们都具有故障自诊断与分析功能;以及参数自整定的功能等。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。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。

　　3. 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，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。现场总线现已被广泛应用在伺服系统之间、伺服系统和其它外围设备如人机界面HMI、可编程控制器PLC 等信息交互传输。现场总线有如下几个类型FF;ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去，从而使伺服系统达到了分布、开放、互联以及高可靠性。

　　4. 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，且通过精简一些元器件，减少了资源的浪费从而利于环保。这里所说的“易”是指，伺服系统的软件编程及操作是从用户角度出发开发设计，力求简单易行，使用户调试时只需简单。

　　正式因为很多有远识的国产厂商加大研发力度提升其产品的性能，进而扩大其品牌的号召力，国产伺服厂商改变进口垄断格局将指日可待。有数据显示，未来五年，我国伺服系统行业受益于产业升级的影响，仍将保持20%以上的增长速度，至2015年，我国伺服系统行业市场规模有望突破100亿元，其中，国产伺服产品的市场占有率将达到40%左右。