執行元件的基本原理及其在機器人系統中的應用（三）

來自專欄機器人控制技術

在工業機器人等機電一體化系統中，控制器常常被比喻為人的神經中樞，那麼執行機構就類似於手和腳。

交流伺服電動機

交流伺服（AC）驅動技術是工業領域實現自動化的基礎技術之一。近年來，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，已逐漸成為當代高性能伺服系統的主要發展方向。

簡單的定義，交流電機就是採用交流電勵磁的電機，其基本機構由定子和轉子組成。按工作原理分為非同步電機（又稱感應式，因為轉子不需要勵磁，縮寫IM）和同步電機（縮寫SM）。對於前者，在固定的電源頻率下，電機轉子的轉速隨負載大小而改變；對於後者，電機的轉速與所接電源頻率之間存在一種嚴格不變的關係。不管是三相非同步電機還是三相同步電機，定子的作用都是接受電能、產生旋轉磁場；不過兩者的轉子是不同的，同步電機的轉子也需要勵磁，且磁極對數與定子磁極對數相同，勵磁有電磁式和永磁式。如圖1所示是永磁同步型交流伺服電機的磁場變化原理簡圖，定子產生的旋轉磁場以磁拉力拖著轉子磁極同步旋轉。

目前工業機器人上的高性能電伺服系統大部分採用永磁同步型交流伺服電動機，一般是磁場矢量控制。主要原因在於，永磁同步驅動技術已趨於完全成熟，低速性能好、調速範圍寬，永磁材料的性能大幅度提高、價格降低。機器人用交流伺服電機一般從調速範圍、定位精度、穩速精度、動態響應和穩定性等指標進行衡量。當然這也取決於伺服驅動器的好壞。交流伺服經歷了從模擬到數字化的轉變，市面上大多驅動器都採用高性能DSP+FPGA的伺服模塊。國際機器人巨頭一般都有自己的專屬伺服系統配套，不過越來越多的驅動器支持通用的高速通信匯流排介面，比如很多主流廠商將EtherCAT協議作為下一代產品的匯流排標準。這種開放式、模塊化的趨勢給工業機器人行業整條產業鏈的各自分工帶來了極大便利。圖2是常見的永磁同步電機實物圖，可以看到，從電機出來一般有兩股線纜，分別是動力線（包括PE、U、V、W，有時還有兩根抱閘線）和編碼器線。

不管是「運動板卡+脈衝型」還是匯流排型控制方案，傳統的工業機器人中的伺服系統一般都是（半閉環式）位置伺服，即驅動器接受上位控制器的插補運算獲得的周期信號實現多軸位置聯動，當然從電機轉子出來還有減速器、傳送帶等傳動裝置才能抵達機械臂的關節，高性能控制器會引入動力學前饋。交流伺服系統繼承了直流伺服的優點，可以控制輸出轉矩和電樞電流成正比，而支持匯流排通信的驅動可以實現位置、速度、轉矩三種模式的隨意切換，因此可以實現電機的轉矩控制。

電機常見的是位置控制，下面用視頻展示一個電機在轉矩控制下有趣的實驗。視頻中，不同大小的電機功率不同，每個電機始終都輸出相同比例（相對於額定轉矩）的轉矩（大約4%）；由於不同電機的摩擦力特性特別是靜摩擦略有不同，因而不是全部電機都能轉起來；但通過外部力量輕輕一撥，所有電機克服較大的靜摩擦力，就可以正常轉動，可見動摩擦力小於靜摩擦力。