工业机器人交流伺服驱动系统研究

陈英

（长沙民政职业技术学院 湖南 长沙410004）

工业机器人交流伺服驱动系统研究

陈英

（长沙民政职业技术学院 湖南 长沙410004）

开发设计工业机器人交流伺服驱动系统，能够基于DSP控制器TMS320F2812、从系统需求分析、总体结构设计、硬件设计、电路模块设计方面，优化设计开发交流伺服驱动系统。结果证实，在工业机器人交流伺服驱动系统设计开发中，能够提高工业机器人技术，确保提升工业机器人动作精度，提升18.0%，发挥积极设计实现效益。结论表明，在实际中优化设计工业机器人交流伺服驱动系统，能够提升工业机器人设备动作精度，发挥积极影响，可以在实践中推广该系统设计方案。

交流伺服；伺服驱动系统；工业机器人；设计

工业机器人，就是通过运用一些半闭环式的伺服驱动系统，从而可以对工业机器人运行进行控制，可以确保工业机器人根据控制指令，做出相应的动作，完成工业生产应用。在我国的工业机器人技术之中，其常规的伺服系统，多是机器人运行位置的伺服，并且在设计位置伺服系统中，也多是通过在系统中上位控制器运用插补运算，以此来获取控制工业机器人的信号，从而可以实现工业机器人位置控制[1-4]。然而，由于当前工业技术的发展，人们对工业机器人的应用需求也在不断提高，亟待确保工业机器人所具备的自动化技术及应用灵活的特点能够适应各种复杂的生产环境[5-6]，机器人动作的完成主要是依靠伺服驱动电机完成，因此机器人性能好坏与伺服驱动控制系统有着直接的关系。

1 系统设计需求分析

随着电力电子技术、永磁材料技术，电机设计及制造工艺技术的发展，由以数字式伺服驱动器，高精度位置编码器，及交流永磁同步电动机组成的典型的交流伺服系统，已经在速度、响应、精度等方面有了极大的提高[7-12]。在强调生产率的今天，它在现代工业中得到了非常广泛的应用，是实现高精度位置控制的核心部件[13]。基于当前计算机技术及大数据技术的发展而产生的智能控制是当前机器人控制技术的核心，其相比上述技术具有明显的优势，因此该技术直接应用到交流伺服驱动控制系统中。对于本次设计的工业机器人交流伺服驱动系统中，由于随着微电子技术的发展，控制芯片的体积越来越小，抗干扰能力越来越强，其实现控制结构越来越便利，可以随时通过编程对软件程序进行控制，因此其数字化技术越来越高[14]；要求交流驱动系统要适应不同的环境，因此需要其具有智能化的特点，减少人工参与[15]；伺服驱动系统一般配有多种控制功能参数，这样做的目的就是不改变硬件电路的基础上实现不同模式的工作，保证其符合多种工作环境。

2 优化设计开发工业机器人交流伺服驱动系统

2.1 系统总体结构设计

在设计工业机器人交流伺服驱动系统中，对于系统设计中，可以将系统的交流伺服驱动控制部分，划分为电机控制、CAN总线通信以及人机交互3个主要任务，从而可以优化设计系统的结构。如图1中所示。

图1 系统总体结构

电机控制：交流伺服驱动器在运行之时，能够确保系统指定控制指令的实时性，能够以定时执行指令的模式，执行定时PWM中断，以此来实现对工业机器人电机运动的实时化控制。

人机交互的模块：主要在系统设计中，就是实现对系统中伺服控制器的测试应用，能够确保用户通过系统中的操作面板（触摸屏、LED屏幕）进行控制，这样就可实现对工业机器人电机的试运行，也可以调整工业机器人的运动参数，还可以在该模块中修改工业机器伺服驱动系统中的通信参数。

电机控制：工业机器人交流伺服系统中，一台机器人控制器，确保可以控制多个交流的伺服驱动器，在本次设计的交流伺服驱动系统中，能够运用DSP、CAN技术，确保可以由DSP通过 CAN接口，从而实现与工业机器人上位系统中的数据交互通信，控制工业机器人的运行情况。

2.2 系统硬件设计

交流伺服驱动硬件电路是系统运行的基础，其中包括主电路、核心控制器、功率驱动电路以及通讯接口等（见图2）。

图2 硬件结构

其具体的工作流程是首先由上位机向DSP控制器中，能够发出一些伺服驱动控制的指令，然后在经过了特殊的控制处理之后，就可以由系统中的DSP控制器部分，把接收的控制指令进行输出，并确保可以控制预期相应频率的设备，实现对驱动电机的运行，电机再利用传感器输出电流等信息，这些信息在经过处理之后再返回DSP控制器。

2.3 电路模块设计

1）主电路设计

在整个交流伺服驱动系统硬件设计中主电路主要采取交直拓扑结构，电流经过滤波以及整流、稳压之后，还将会经过系统的逆变器逆变，只有到最后，才可以得到能够符合要求的三相交流电，以确保交流伺服驱动系统正常运行。同时基于工业机器人在应用过程中存在的频繁操作启停的现象，需要在主电路中设置能耗制动模块，防止直流母线上的泵升电压过高的问题。在设置能耗制动模块时需要计算制动电阻的功率，以此选择相应制动电阻，由于本系统提供的电源为220 V，因此在系统设计中，应该将制动电压的门槛值进行优化设定，将其设定为380 V，这样就可以保证在系统中的直流母线电压比系统制动电压门槛大时，及时发挥系统长能耗制动模块的功能，实现能耗制动，降低工业机器人交流伺服系统的运行能耗。

2）优化设计系统的电流、电压检测模块

在系统设计中，对于该部分的内容就是电流检测与电压检测。在系统的电流检测中，就是确保系统驱动进行矢量控制的关键依据，因而在本次的系统设计中，将会选择应用霍尔电流感应器HDC010G/S作为电流采样元件，这是因为该传感器具有良好的稳定性和可靠性特点，能够完全隔离主电路和检测电路；二是电压检测。在矢量控制计算方法中需要将直流母线电压作为参考，因此在设计直流母线电压检测电路时，首先确定该直流母线电压为220 V，通过电阻分压的方式获得采样电压，然后，在系统设计中，还可以通过使用高线性度的模拟信号，运用HCNR200光电隔离器件，可以对采样的电压进行无衰减，并将其送到系统中的控制电路侧，实现对系统中主电路同控制电路的隔离，实现将隔离后采集的电压送到 DSP的ADC接口进行采样并且计算电压，为软件制动设计做准备。

3）ADC校正电路设计

ADC信号转换电路是模拟信号与数字信号转换的关键电路，但是在实践中由于存在无功损耗，因此ADC的转化结果存在一定的误差，为提高控制系统的准确性需要对这些信号进行灵活的应用。

4）设计功率驱动的模块

对于系统的功率驱动部分，能够采用智能的功率模块（IPM），应用DPS11032芯片。在该模块的芯片输入端，能够将DSP中的PWM信号，确保其输出后能够经过光耦隔离，这样就可以控制输出信号，确保提升系统运行功率。

5）设计安全保护的模块

在工业机器人的交流伺服驱动系统设计中，为避免机器人运行中出现上电过程过流的状况，因此可以对系统中的功率模块，优化设计继电器部分的保护电路，对于这部分的电路可以运用DSP进行控制，保护系统运行安全。然后在系统设计中，也可以采集母线电压进行电阻分压压，这样就可以有效监控系统中的过压欠压故障，维护系统应用安全。同时，在系统中也可以运用DSP检测系统中的过压、欠压信号，并将其封锁到PWM中输出，这样可以保护工业机器人交流伺服驱动系统中的功率板。

2.4 系统的软件代码实现

对于本次设计的工业机器人交流伺服驱动系统之中，对于系统软件的主程序设计部分，其主要的任务就是能够完成对系统内各个控制器中寄存器的初始化工作，实现对 ADC采样通道软件的校正，具体结构为：开始——变量初始化——I/O接口初始化——A/D通道检测及校正处理——调用各子程序初始化函数——状态检测——循环等待中断。

3 分析系统设计实现效益

设计的工业机器人交流伺服驱动系统中，为验证改系统实际应用性能，进行速度环测试，结果如表1所示。

表1 测试结果

在本次设计的系统中，当工业机器人运行中电机的固定小负载维持1 500 r/min时间后，其运行中Q轴的稳态电流能够达到200 mA左右，并且系统驱动的恒定转速也能够达到1 500 r/min；然而，在固定负载的基础突然加上2N.M负载之后，此时系统驱动Q轴的电流，也会马上的出现上升趋势，并且直接上升到了2.99 A左右，由于受到了负载的影响，此时的驱动转速也护有些下降，达到1 420 r/min左右。经进一步应用测试得出，工业机器人交流伺服控制系统，又用时50 ms之后，采取伺服驱动的转速控制稳定到1 500 r/min，由此可见，对于本次设计的交流伺服驱动系统，在实际工业机器人运行的抗负载波动方面，也发挥着良好的应用效果。

通过检测工业机器人系统，系统中的电机仅仅用时200 ms之后，系统的脉冲就达到了29 998脉冲数值。并且，在工业机器人运行中，当从零位置启动电机时，系统伺服驱动部分的速度是 0，随后就会一直的以加速模式上升，最高的速度限制范围为2 000 r/min，等到转速到达这个范围之后，就会保持恒速运行。同时在系统伺服驱动中，当接近一个指定的位置之时，优化开始进行减速运行，当位置的差小于2脉冲之时，转速也会下降到0。由此可见，设计工业机器人交流伺服驱动系统，能够在工业机器人的控制中，发挥积极的应用性能。如下图3所示。

在工业机器人交流伺服驱动系统设计开发中，能够提高工业机器人技术，确保提升工业机器人动作精度，提升18.0%，发挥积极设计实现效益。通过电动机旋转产生的力驱动工业机器人各个关节，确保实际中工业机器人能够完成相应制定的动作目标，完善的工业机器人交流伺服驱动系统。在工业机器人产业发展中，交流伺服系统作为核心部件，优化攻破交流伺服系统设计中的关键技术，优化设计开发工业机器人交流伺服驱动系统，不仅有助于推进我国工业机器人产业的发展，也可以强化我国生产工业机器人基础制造装备市场的竞争力，发挥积极设计实现效益。

图3 速度跟踪

4 结 论

综上所述，在实际中优化设计工业机器人交流伺服驱动系统，能够提升工业机器人设备动作精度，能达到预期性能指标要求，具有良好的市场应用前景，发挥积极影响，可以在实践中推广该系统设计方案。

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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稿件编号：201606235

陈 英（1975—），女，湖南永州人，硕士，副教授。研究方向：检测技术与自动化装置。