工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

陳英

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙410004）

工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

陳英

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙410004）

開發(fā)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠基于DSP控制器TMS320F2812、從系統(tǒng)需求分析、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、電路模塊設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)果證實(shí)，在工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中，能夠提高工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，確保提升工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作精度，提升18.0%，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。結(jié)論表明，在實(shí)際中優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠提升工業(yè)機(jī)器人設(shè)備動(dòng)作精度，發(fā)揮積極影響，可以在實(shí)踐中推廣該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

交流伺服；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；工業(yè)機(jī)器人；設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人，就是通過運(yùn)用一些半閉環(huán)式的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行進(jìn)行控制，可以確保工業(yè)機(jī)器人根據(jù)控制指令，做出相應(yīng)的動(dòng)作，完成工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。在我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)之中，其常規(guī)的伺服系統(tǒng)，多是機(jī)器人運(yùn)行位置的伺服，并且在設(shè)計(jì)位置伺服系統(tǒng)中，也多是通過在系統(tǒng)中上位控制器運(yùn)用插補(bǔ)運(yùn)算，以此來獲取控制工業(yè)機(jī)器人的信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人位置控制[1-4]。然而，由于當(dāng)前工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求也在不斷提高，亟待確保工業(yè)機(jī)器人所具備的自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用靈活的特點(diǎn)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境[5-6]，機(jī)器人動(dòng)作的完成主要是依靠伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成，因此機(jī)器人性能好壞與伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有著直接的關(guān)系。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

隨著電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)，電機(jī)設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)的發(fā)展，由以數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器，高精度位置編碼器，及交流永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的典型的交流伺服系統(tǒng)，已經(jīng)在速度、響應(yīng)、精度等方面有了極大的提高[7-12]。在強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)率的今天，它在現(xiàn)代工業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)高精度位置控制的核心部件[13]?；诋?dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的智能控制是當(dāng)前機(jī)器人控制技術(shù)的核心，其相比上述技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此該技術(shù)直接應(yīng)用到交流伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中。對(duì)于本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，控制芯片的體積越來越小，抗干擾能力越來越強(qiáng)，其實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)越來越便利，可以隨時(shí)通過編程對(duì)軟件程序進(jìn)行控制，因此其數(shù)字化技術(shù)越來越高[14]；要求交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要適應(yīng)不同的環(huán)境，因此需要其具有智能化的特點(diǎn)，減少人工參與[15]；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般配有多種控制功能參數(shù)，這樣做的目的就是不改變硬件電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同模式的工作，保證其符合多種工作環(huán)境。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以將系統(tǒng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)控制部分，劃分為電機(jī)控制、CAN總線通信以及人機(jī)交互3個(gè)主要任務(wù)，從而可以優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制：交流伺服驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行之時(shí)，能夠確保系統(tǒng)指定控制指令的實(shí)時(shí)性，能夠以定時(shí)執(zhí)行指令的模式，執(zhí)行定時(shí)PWM中斷，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人電機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)化控制。

人機(jī)交互的模塊：主要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，就是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中伺服控制器的測(cè)試應(yīng)用，能夠確保用戶通過系統(tǒng)中的操作面板（觸摸屏、LED屏幕）進(jìn)行控制，這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人電機(jī)的試運(yùn)行，也可以調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還可以在該模塊中修改工業(yè)機(jī)器伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的通信參數(shù)。

電機(jī)控制：工業(yè)機(jī)器人交流伺服系統(tǒng)中，一臺(tái)機(jī)器人控制器，確?？梢钥刂贫鄠€(gè)交流的伺服驅(qū)動(dòng)器，在本次設(shè)計(jì)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，能夠運(yùn)用DSP、CAN技術(shù)，確?？梢杂蒁SP通過 CAN接口，從而實(shí)現(xiàn)與工業(yè)機(jī)器人上位系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交互通信，控制工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行情況。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

交流伺服驅(qū)動(dòng)硬件電路是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其中包括主電路、核心控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路以及通訊接口等（見圖2）。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

其具體的工作流程是首先由上位機(jī)向DSP控制器中，能夠發(fā)出一些伺服驅(qū)動(dòng)控制的指令，然后在經(jīng)過了特殊的控制處理之后，就可以由系統(tǒng)中的DSP控制器部分，把接收的控制指令進(jìn)行輸出，并確?？梢钥刂祁A(yù)期相應(yīng)頻率的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，電機(jī)再利用傳感器輸出電流等信息，這些信息在經(jīng)過處理之后再返回DSP控制器。

2.3 電路模塊設(shè)計(jì)

1）主電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中主電路主要采取交直拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流經(jīng)過濾波以及整流、穩(wěn)壓之后，還將會(huì)經(jīng)過系統(tǒng)的逆變器逆變，只有到最后，才可以得到能夠符合要求的三相交流電，以確保交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)基于工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用過程中存在的頻繁操作啟停的現(xiàn)象，需要在主電路中設(shè)置能耗制動(dòng)模塊，防止直流母線上的泵升電壓過高的問題。在設(shè)置能耗制動(dòng)模塊時(shí)需要計(jì)算制動(dòng)電阻的功率，以此選擇相應(yīng)制動(dòng)電阻，由于本系統(tǒng)提供的電源為220 V，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該將制動(dòng)電壓的門檻值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定，將其設(shè)定為380 V，這樣就可以保證在系統(tǒng)中的直流母線電壓比系統(tǒng)制動(dòng)電壓門檻大時(shí)，及時(shí)發(fā)揮系統(tǒng)長(zhǎng)能耗制動(dòng)模塊的功能，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，降低工業(yè)機(jī)器人交流伺服系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電流、電壓檢測(cè)模塊

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于該部分的內(nèi)容就是電流檢測(cè)與電壓檢測(cè)。在系統(tǒng)的電流檢測(cè)中，就是確保系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行矢量控制的關(guān)鍵依據(jù)，因而在本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將會(huì)選擇應(yīng)用霍爾電流感應(yīng)器HDC010G/S作為電流采樣元件，這是因?yàn)樵搨鞲衅骶哂辛己玫姆€(wěn)定性和可靠性特點(diǎn)，能夠完全隔離主電路和檢測(cè)電路；二是電壓檢測(cè)。在矢量控制計(jì)算方法中需要將直流母線電壓作為參考，因此在設(shè)計(jì)直流母線電壓檢測(cè)電路時(shí)，首先確定該直流母線電壓為220 V，通過電阻分壓的方式獲得采樣電壓，然后，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還可以通過使用高線性度的模擬信號(hào)，運(yùn)用HCNR200光電隔離器件，可以對(duì)采樣的電壓進(jìn)行無衰減，并將其送到系統(tǒng)中的控制電路側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中主電路同控制電路的隔離，實(shí)現(xiàn)將隔離后采集的電壓送到 DSP的ADC接口進(jìn)行采樣并且計(jì)算電壓，為軟件制動(dòng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

3）ADC校正電路設(shè)計(jì)

ADC信號(hào)轉(zhuǎn)換電路是模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵電路，但是在實(shí)踐中由于存在無功損耗，因此ADC的轉(zhuǎn)化結(jié)果存在一定的誤差，為提高控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行靈活的應(yīng)用。

4）設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)的模塊

對(duì)于系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)部分，能夠采用智能的功率模塊（IPM），應(yīng)用DPS11032芯片。在該模塊的芯片輸入端，能夠?qū)SP中的PWM信號(hào)，確保其輸出后能夠經(jīng)過光耦隔離，這樣就可以控制輸出信號(hào)，確保提升系統(tǒng)運(yùn)行功率。

5）設(shè)計(jì)安全保護(hù)的模塊

在工業(yè)機(jī)器人的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為避免機(jī)器人運(yùn)行中出現(xiàn)上電過程過流的狀況，因此可以對(duì)系統(tǒng)中的功率模塊，優(yōu)化設(shè)計(jì)繼電器部分的保護(hù)電路，對(duì)于這部分的電路可以運(yùn)用DSP進(jìn)行控制，保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行安全。然后在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也可以采集母線電壓進(jìn)行電阻分壓壓，這樣就可以有效監(jiān)控系統(tǒng)中的過壓欠壓故障，維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用安全。同時(shí)，在系統(tǒng)中也可以運(yùn)用DSP檢測(cè)系統(tǒng)中的過壓、欠壓信號(hào)，并將其封鎖到PWM中輸出，這樣可以保護(hù)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率板。

2.4 系統(tǒng)的軟件代碼實(shí)現(xiàn)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之中，對(duì)于系統(tǒng)軟件的主程序設(shè)計(jì)部分，其主要的任務(wù)就是能夠完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)控制器中寄存器的初始化工作，實(shí)現(xiàn)對(duì) ADC采樣通道軟件的校正，具體結(jié)構(gòu)為：開始——變量初始化——I/O接口初始化——A/D通道檢測(cè)及校正處理——調(diào)用各子程序初始化函數(shù)——狀態(tài)檢測(cè)——循環(huán)等待中斷。

3 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益

設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為驗(yàn)證改系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用性能，進(jìn)行速度環(huán)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行中電機(jī)的固定小負(fù)載維持1 500 r/min時(shí)間后，其運(yùn)行中Q軸的穩(wěn)態(tài)電流能夠達(dá)到200 mA左右，并且系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的恒定轉(zhuǎn)速也能夠達(dá)到1 500 r/min；然而，在固定負(fù)載的基礎(chǔ)突然加上2N.M負(fù)載之后，此時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)Q軸的電流，也會(huì)馬上的出現(xiàn)上升趨勢(shì)，并且直接上升到了2.99 A左右，由于受到了負(fù)載的影響，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速也護(hù)有些下降，達(dá)到1 420 r/min左右。經(jīng)進(jìn)一步應(yīng)用測(cè)試得出，工業(yè)機(jī)器人交流伺服控制系統(tǒng)，又用時(shí)50 ms之后，采取伺服驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定到1 500 r/min，由此可見，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)際工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的抗負(fù)載波動(dòng)方面，也發(fā)揮著良好的應(yīng)用效果。

通過檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)中的電機(jī)僅僅用時(shí)200 ms之后，系統(tǒng)的脈沖就達(dá)到了29 998脈沖數(shù)值。并且，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行中，當(dāng)從零位置啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)部分的速度是 0，隨后就會(huì)一直的以加速模式上升，最高的速度限制范圍為2 000 r/min，等到轉(zhuǎn)速到達(dá)這個(gè)范圍之后，就會(huì)保持恒速運(yùn)行。同時(shí)在系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)中，當(dāng)接近一個(gè)指定的位置之時(shí)，優(yōu)化開始進(jìn)行減速運(yùn)行，當(dāng)位置的差小于2脈沖之時(shí)，轉(zhuǎn)速也會(huì)下降到0。由此可見，設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠在工業(yè)機(jī)器人的控制中，發(fā)揮積極的應(yīng)用性能。如下圖3所示。

在工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中，能夠提高工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，確保提升工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作精度，提升18.0%，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)，確保實(shí)際中工業(yè)機(jī)器人能夠完成相應(yīng)制定的動(dòng)作目標(biāo)，完善的工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，交流伺服系統(tǒng)作為核心部件，優(yōu)化攻破交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅有助于推進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也可以強(qiáng)化我國(guó)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)制造裝備市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。

圖3 速度跟蹤

4 結(jié) 論

綜上所述，在實(shí)際中優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠提升工業(yè)機(jī)器人設(shè)備動(dòng)作精度，能達(dá)到預(yù)期性能指標(biāo)要求，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，發(fā)揮積極影響，可以在實(shí)踐中推廣該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

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Research on industrial robot AC servo drive system

CHEN Ying
（Changsha Social Work College，Changsha 410004，China）

development of industrial robot design and AC servo drive system development，based on TMS320F2812 DSP controller，from the system requirements analysis，overall structure design，hardware design，circuit module design，optimize design and development of AC servo drive system.The results show that in the design and development of industrial robot AC servo drive system，the technology of industrial robot can be improved，and the movement accuracy of industrial robot can be improved.18%.The conclusion shows that the design of industrial robot AC servo drive system can promote the movement accuracy of industrial robot，and exert positive influence，and can promote the design of the system in practice.

AC servo； servo drive system； industrial robot； design

TN99

A

1674－6236（2017）16-0080-04

2016-06-30稿件編號(hào)：201606235

陳 英（1975—），女，湖南永州人，碩士，副教授。研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。