摘 要：研究并優(yōu)化交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，有助于我國工業(yè)機器人的進步與發(fā)展，從而推動我國向制造業(yè)強國邁進。本文首先對交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行了簡要概述，然后從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面分別介紹了交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，最后分析了幾種常用的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)測試方法。希望本文能為工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

中圖分類號：TP242.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0315-01

引 言

近年來工業(yè)機器人的發(fā)展突飛猛進，為我國的工業(yè)發(fā)展注入了蓬勃力量。工業(yè)機器人是融合了諸多學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)品，在多個生產(chǎn)領(lǐng)域皆有應(yīng)用。工業(yè)機器人因為集合了最新的自動化技術(shù)，可以非常良好地適應(yīng)多種多樣的生產(chǎn)環(huán)境。機器人動作的核心元件是伺服電機，因此機器人的性能是否優(yōu)良直接取決于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，所以研究工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對我國機器人事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述

目前，新型永磁同步電機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)控制要求，工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制。照目前的發(fā)展趨勢來看，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)將在未來呈現(xiàn)出數(shù)字化，智能化及通用化等特點。

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式主要有：①直接轉(zhuǎn)矩控制方式。變頻器中常用到這種控制方式，在該方式下，轉(zhuǎn)矩驅(qū)動響應(yīng)較快；②矢量控制方式。該控制方式的技術(shù)原理較為簡單，并具有良好動態(tài)性能，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是以矢量控制作為理論基礎(chǔ)發(fā)展起來的，所以該控制方式被廣泛應(yīng)用；③恒壓頻比控制方式。該控制方式普遍應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，通過控制輸出電壓和輸出功率使磁通量保持為一定值，并以此來控制電機的轉(zhuǎn)速；④智能控制方式。相比于以上三種控制方式，智能控制方式的優(yōu)勢十分明顯，因為它是基于計算機技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展起來的新興控制方式。

2 工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)能夠運行的基礎(chǔ)便是其內(nèi)部的硬件電路，如圖1所示，主要由主電路、功率驅(qū)動電路及核心控制器等組成，總的工作流程為：首先上位機發(fā)出一個伺服指令，并傳輸?shù)紻SP控制器，DSP控制器對伺服指令進行特殊處理后將其輸出，同時對輸出頻率進行控制，以此來驅(qū)動電機運行，接下來再由傳感器將電流等信息輸出。輸出的信息經(jīng)二次處理后將返回至DSP控制器。

主電路設(shè)計是整個交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計中最重要的一個部分。交直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是主電路設(shè)計中最常用的一種設(shè)計結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過了濾波、整流、穩(wěn)壓以及逆變器逆變等一系列流程后，電流最終輸出為三相交流電。除此之外，能耗制動模塊也常常出現(xiàn)在主電路設(shè)計中，主要用于解決工業(yè)機器人在實際運行過程中頻繁啟停而導(dǎo)致的直流母線上的過電壓問題。當(dāng)然，在設(shè)置能耗制動模塊的時候需要重點注意制動電阻的功率值，并以此為依據(jù)選擇合適的制動電阻。通常采用的系統(tǒng)電壓為220V，那么設(shè)置制動電壓為380V，一旦直流母線上的電壓大于380V，則能耗制動模塊開啟進行能耗制動，以降低工業(yè)機器人的能耗，延長其使用壽命。

2.2 軟件設(shè)計

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的核心技術(shù)是軟件系統(tǒng)。與硬件系統(tǒng)相比，軟件系統(tǒng)在確定之后還可以再次修改，比如可根據(jù)需求環(huán)境的不同來對軟件設(shè)計進行修改和優(yōu)化。軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要由主程序設(shè)計以及中斷子程序設(shè)計所組成，設(shè)計時采用C語言進行編程。

其中，主控制程序的設(shè)計是最重要的一部分?？刂破鞲骷拇嫫鞯某跏蓟ぷ鳎Ｕ鼳DC采樣通道軟件的工作等都是由主程序設(shè)計系統(tǒng)來完成的。主要流程為：首先對變量進行初始化，同時對I/O接口進行初始化，接下來檢測A/D通道，并對其進行校正處理，然后通過調(diào)用相應(yīng)的子程序來將函數(shù)初始化，之后便可等待循環(huán)程序中斷。

3 工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的測試

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計完成之后，便可對其性能進行測試，本文內(nèi)進行測試的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)是采用TMS320F2812控制器設(shè)計的，測試結(jié)果如下所示。

（1）位置環(huán)測試。該測試方式分為兩種：①帶固定小負(fù)載的位置測試，測試結(jié)果顯示，無論是在速度響應(yīng)及速度限制方面，還是在定位精度方面，該伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)都具有較為良好的性能；②帶可變負(fù)載的位置測試，測試結(jié)果表示可變負(fù)載時的定位時長大于固定小負(fù)載時的定位時長，且定位的誤差為零。

（2）電流環(huán)測試。該測試結(jié)果從某種程度上直接決定了矢量控制系統(tǒng)的性能，從電流環(huán)測試結(jié)果來看，電流環(huán)響應(yīng)曲線所反映的各個指標(biāo)（如超調(diào)量、上升時間以及穩(wěn)態(tài)誤差等）均滿足要求。

（3）速度環(huán)測試。該測試環(huán)節(jié)在很大程度上決定了伺服控制系統(tǒng)的性能，是非常重要的一個步驟。速度環(huán)測試主要分為三種：①帶固定小負(fù)載時的速度跟蹤，給定頻率5Hz，周期速度1500r/min，電機空載運行，得到的測試結(jié)果符合要求；②帶固定負(fù)載時的速度跟蹤，給伺服控制系統(tǒng)加一個周期性的負(fù)載，所得到的測試結(jié)果同樣符合工業(yè)機器人伺服控制系統(tǒng)的高精度要求；③恒定轉(zhuǎn)速突加負(fù)載速度跟蹤，當(dāng)電機在小負(fù)載情況下穩(wěn)定運行時，突然向其加載，然后電流會迅速增大，接著轉(zhuǎn)速會在負(fù)載的影響下慢慢降低至穩(wěn)定狀態(tài)。三種測試方式都證明該交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的性能。

4 結(jié) 語

交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為工業(yè)機器人的“心臟”，其性能決定了機器人能否很好地完成指定動作。從學(xué)科交叉的角度來看，做好交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，也將深刻地影響我國其他多個行業(yè)的發(fā)展。隨著我國制造行業(yè)水平的進一步提高，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)也將體積更小，速度更快，精度更準(zhǔn)，同時智能化程度更高。

參考文獻

[1]陳 英.工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計工程，2017，25（16）：80～83.

[2]龍 凱，李剛成.工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（11）：3～4.

[3]劉瑞濤.工業(yè)機器人交流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013，35（11）：67～69.

收稿日期：2018-10-19