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机器人关节用电机驱动系统的关键技术

研究

摘要：基于全球老龄化的加剧以及劳动力成本的上升，将人力劳动替换为工

业机器人是基本的发展形势。目前阶段，无论是在焊接、医疗还是服务领域纷纷

加大了机器人的应用力度，机器人关节的组成部分为运动控制器电机和驱动系统

以及传感器。驱动电机以及驱动系统对机器人关节性能有着直接性的影响。经过

调查研究来看，大部分机器人关节采取的电机是步进电机和永磁同步电机。在控

制理论进一步完善和应用需求全面提升的背景下，各项领域对于电机驱动系统性

能提出了十分严格的要求。

关键词：机器人关节用电机；驱动系统；关键技术研究

引言

在本篇文章中，结合设计的仿真模型和测试平台分别展开了算法验证。

验证的内容包含了两方面，分别是步进电机闭环驱动系统，动态性的测试驱动系

统的高速性能和带载能力。结合具体的实验结果可以看出，和传统开环驱动系统

相比较来看，文章中提出的基于混合控制器的高速重载闭环驱动系统，处于空载

情况下，最高转速好，空载的高速运行速度也随之提升。基于相同运行速度之下，

带载能力远远大于传统开发驱动系统，有效转矩能够提升保持转矩的80%之上。

基于相同脉冲位置给定情况下增加负载力矩。和以往传统类型的pI控制驱动系

统相比较来看，有着一定的动态响应速度，恢复时间较短，可以加快估算负载力

矩的辨识速度。

1、机器人关节用电机驱动系统关键技术的应用背景

在全球老龄化现象日益加剧的背景下，工业机器人逐渐替换了以往人力劳动，

未来发展前景良好，工业机器人机械臂关节驱动系统主要是采取步进电动驱动系

统和永磁交流伺服驱动系统。以开发控制为主，该项开发控制工作存在着低转速

和抖振现象。伴随着科学技术的创新和改进，目前的步进电机开环控制方式比较

单一，已经不符合基本要求，这就需要结合电机驱动系统，从怎样提升步进电机

驱动系统高速运行的带载能力和定位精度两方面进行分析。

大多数永磁交流伺服系统采取PID控制，该种控制方式虽然结构比较简单，

不过在速度响应过程中有着相应的超调量，而且从轨迹运动控制场合应用过程中，

永磁同步电机应当频繁启动，停止采取PID控制，不符合基本要求。通过相关分

析探究来看，伺服系统对机器人关节性能有着直接性的影响。怎样改善伺服系统

的关键性能指标是机器人关节驱动系统的基本发展形式，先进伺服系统能够与大

部分应用的需求相符合，而且我国很多产品达不到基本的应用要求，国内的伺服

系统市场依旧采取国外进口设备，虽然性能质量良好，可是价格比较高，完全增

加了国内企业的经济。附带组运动控制器、电机和驱动系统传感器组合形成了机

器人关节伺服系统，因为优势极高而得到了普遍应用，人们对于伺服驱动技术提

出的十分严格的要求。目前的机器人关节伺服系统呈现出了智能化和网络化的特

征，人们只需要把伺服系统中的各项驱动模块功能全部集中到一个模块中即可，

能够缩减控制系统的体积。在很多空间受限场合能够得到普遍应用，机器人关节

伺服系统在运行过程中，普遍受到各方面因素的影响，这就需要同不同场合中对

各项运行参数有效确定。

采取人机交互的方式加以设计，部分伺服驱动系统还具备参数自整定功能，

能够自动化的实现最优化控制目的。物联网的发展为目前社会发展的基本形式，

伺服系统的网络化也随之扩展。人和机器人关键驱动系统的交互十分便利，机器

人关节的驱动电机主要是采取步进电机直流伺服电机和交流伺服，电机交流伺服

电机是基本的驱动形式。第一，两项混合式步进电机由于具备控制简单、定位精

准、成本合理等一系列特征，因此在纺织机械、工业机器人领域中得到了普遍应

用，不过步进电机大多数应用是采取开发控制的方式，该种开发控制方式存在着

容易失去步以及低转速等一系列现象。基于电力技术的进一步发展和当代工业应

用的基本需求，需要精度结构和响应速度更快的驱动系统，以此与各项场合相适

应。第二，采取步进电机的功率角控制方式，对功率角全面监测。通过控制电机

绕组电压和转子速度，将电机功率角在电机运行中控始终处于合理范围中。如果

功率较与步进电机稳态运行的最大功率角相接近，通过控制电机绕组的磁电流，

可以强化电机的抗负载动性能。但是该项步进电机的功率就获取极为复杂，具体

使用过程中无法有效实现基本的目标。第三，相关学者专门研究了步进电机的无

传感器控制。大部分无传感器控制方式表现为观测器技术和卡尔曼滤布。但是基

于观测器的无传感器控制技术需要构建包含负载参数的模型，这些参数伴