一文了解機器人伺服系統

作者：由 AMT論壇發表于攝影時間：2021-10-26

工業機器人有4大組成部分，分別為本體、伺服、減速器和控制器。而其中，工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。一般情況下，對於交流伺服驅動器，可透過對其內部功能引數進行人工設定而實現位置控制、速度控制、轉矩控制等多種功能。

伺服系統（servomechanism）又稱隨動系統，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。伺服系統使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。

伺服系統是以變頻技術為基礎發展起來的產品，是一種以機械位置或角度作為控制物件的自動控制系統。伺服系統除了可以進行速度與轉矩控制外，還可以進行精確、快速、穩定的位置控制。

廣義的伺服系統是精確地跟蹤或復現某個給定過程的控制系統，也可稱作隨動系統。

狹義伺服系統又稱位置隨動系統，其被控制量（輸出量）是負載機械空間位置的線位移或角位移，當位置給定量（輸入量）作任意變化時，系統的主要任務是使輸出量快速而準確地復現給定量的變化。

伺服系統的結構組成

機電一體化的伺服控制系統的結構、型別繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控物件、執行環節、檢測環節、比較環節等五部分。

伺服系統組成原理框圖

1、比較環節

比較環節是將輸入的指令訊號與系統的反饋訊號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差訊號的環節，通常由專門的電路或計算機來實現。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID（比例、積分和微分）控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差訊號進行變換處理，以控制執行元件按要求動作。

3、執行環節

執行環節的作用是按控制訊號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控物件工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

4、被控物件

被控物件指被控制的物件，例如一個機械手臂，或是一個機械工作平臺。

5、檢測環節

檢測環節是指能夠對輸出進行測量並轉換成比較環節所需要的量綱的裝置，一般包括感測器和轉換電路。

伺服系統的特點和功用

伺服系統與一般機床的進給系統有本質上差別，它能根據指令訊號精確地控制執行部件的運動速度與位置。伺服系統是數控裝置和機床的聯絡環節，是數控系統的重要組成，具有以下特點：

必須具備高精度的感測器，能準確地給出輸出量的電訊號。

功率放大器以及控制系統都必須是可逆的。

足夠大的調速範圍及足夠強的低速帶載效能。

快速的響應能力和較強的抗干擾能力。

伺服系統的型別

按控制原理分：有開環、閉環和半閉環三種形式

按被控制量性質分：有位移、速度、力和力矩等伺服系統形式

按驅動方式分：有電氣、液壓和氣壓等伺服驅動形式

按執行元件分：有步進電機伺服、直流電機伺服和交流電機伺服形式

伺服系統的執行元件

1、執行元件的種類及其特點

（1）電氣式執行元件

電氣執行元件包括直流（DC）伺服電機、交流（AC）伺服電機、步進電機以及電磁鐵等，是最常用的執行元件。對伺服電機除了要求運轉平穩以外，一般還要求動態效能好，適合於頻繁使用，便於維修等。

（2）液壓式執行元件

液壓式執行元件主要包括往復運動油缸、迴轉油缸、液壓馬達等，其中油缸最為常見。在同等輸出功率的情況下，液壓元件具有重量輕、快速性好等特點。

（3）氣壓式執行元件

氣壓式執行元件除了用壓縮空氣作工作介質外，與液壓式執行元件沒有區別。氣壓驅動雖可得到較大的驅動力、行程和速度，但由於空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。

三種類型的區別

種類

特點

優點

缺點

電

氣

式

可用商業電源；訊號與動力傳送方向相同；有交流直流之分；注意使用電壓和功率。

操作簡便；程式設計容易；能實現定位伺服控制；響應快、易與計算機（CPU）連線；體積小、動力大、無汙染。

瞬時輸出功率大；過載差；一旦卡死，會引起燒燬事故；受外界噪音影響大。

氣

壓

式

氣體壓力源壓力5~7×Mpa；要求操作人員技術熟練。

氣源方便、成本低；無洩露而汙染環境；速度快、操作簡便。

功率小、體積大、難於小型化；動作不平穩、遠距離傳輸困難；噪音大；難於伺服。

液

壓

式

液體壓力源壓力20~80×Mpa；要求操作人員技術熟練。

輸出功率大，速度快、動作平穩，可實現定位伺服控制；易與計算機（CPU）連線。

裝置難於小型化；液壓源和液壓油要求嚴格；易產生洩露而汙染環境。

2、常用的控制用電機

控制用電機是電氣伺服控制系統的動力部件。它是將電能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。機電一體化產品中常用的控制用電機是指能提供正確運動或較複雜動作的伺服電機。

控制用電機有迴轉和直線驅動電機，透過電壓、電流、頻率（包括指令脈衝）等控制，實現定速、變速驅動或反覆啟動、停止的增量驅動以及複雜的驅動，而驅動精度隨驅動物件的不同而不同。

（1）伺服驅動電機一般是指：步進電機（Stepping Motor）、直流伺服電機（DC Servo Motor）、交流伺服電機（AC Servo Motor）

（2）常用伺服控制電動機的控制方式主要有：開環控制、半閉環控制、閉環控制三種。

閉環系統的驅動系統具有位置（或速度）反饋環節；開環系統沒有位置與速度反饋環節。

a、開環數控系統

沒有位置測量裝置，訊號流是單向的（數控裝置→進給系統），故系統穩定性好。

無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度主要取決於伺服驅動系統和機械傳動機構的效能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。

這類系統具有結構簡單、工作穩定、除錯方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用於經濟型數控機床。

b、半閉環數控系統

半閉環數控系統的位置取樣點如圖所示，是從驅動裝置（常用伺服電機）或絲槓引出，取樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。

半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。由於絲槓的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。

半閉環數控系統結構簡單、除錯方便、精度也較高，因而在現代CNC機床中得到了廣泛應用。

c、全閉環數控系統

全閉環數控系統的位置取樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。

從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由於位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和除錯都相當困難。

該系統主要用於精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。

機器人的伺服系統

通常情況下，我們所說的機器人伺服系統是指應用於多軸運動控制的精密伺服系統。一個多軸運動控制系統是由高階運動控制器與低階伺服驅動器所組成，運動控制器負責運動控制命令譯碼、各個位置控制軸彼此間的相對運動、加減速輪廓控制等等，其主要作用在於降低整體系統運動控制的路徑誤差；伺服驅動器負責伺服電機的位置控制，其主要作用在於降低伺服軸的追隨誤差。

機器人的伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執行機構，就是靠它來實現運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發脈衝或者給速度用於配合伺服驅動器正常工作的。

機器人對伺服電機的要求比其它兩個部分都高。首先要求伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令訊號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。響應指令訊號的時間愈短，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應效能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來說明伺服電機快速響應的效能。其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。最後，伺服電機要具有控制特性的連續性和直線性，隨著控制訊號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制訊號成正比或近似成正比。

當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要經受得起苛刻的執行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速執行，並能在短時間內承受數倍過載。

伺服驅動器是可利用各種電機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執行機構，具有轉矩轉動慣量比高、無電刷及換向火花等優點，在機器人中應用比較廣泛。

國外知名伺服電機/系統製造商

倫茨（德國）

倫茨（lenze）是世界上著名的機電傳動產品製造商，主要產品有直流調速裝置、交流變頻器、交流伺服、各類電動機、小型傳動轉置、減速箱、變速器、制動器、離合器等。該公司現役的產品MCM同步伺服電機主打機器人市場，結構緊湊、負載與電機慣量比佳、外殼平滑、簡單易用，適合包裝、搬運等應用場景。

lenze MCM同步伺服電機

博世力士樂（德國）

博世力士樂（BoschRexroth）作為德國博世集團的全資子公司．是全球工業技術市場的領先供應商，在傳動和控制領域聲譽卓著。該公司旗下產品種類繁多，主要集中在高質量電控、液壓、氣動、機電一體化元件和系統等領域。

BoschRexroth MS2N同步伺服電機

路斯特（德國）

路斯特（lust）隸屬於柯爾柏集團，專注於向機器人/機床製造業提供通用型、可程式設計型及多軸運動控制型伺服驅動產品及相關解決方案的生產和貿易性企業。標準產品譜寬，涵蓋通用型、可程式設計型、多軸運動控制型，它們被廣泛的應用於各類產業機械和機床。

lust LST系列伺服電機

倍福（德國）

倍福（Beckhoff）基於PC的自動化新技術作為發展理念，所生產的工業PC、現場匯流排模組、驅動產品和TwinCAT自動化軟體構成了一套完整的、相互相容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。

Beckhoff AM8000同步伺服電機

西門子（德國）

西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一，歷經150年來常盛不衰，公司的業務主要集中於6大領域：資訊和通訊、自動化和控制、電力、交通、醫療系統和照明。西門子的伺服電機種類豐富、結構緊湊，可實現卓越的動態特性和執行效率，效能等級全，安裝規格多樣。

SIMOTICS 1FT7永磁同步電機

歐系伺服特點是過載能力高，動態響應好，驅動器開放性強，且具有匯流排介面，包括現場匯流排、工業乙太網甚至無線網路技術。但價格昂貴，體積重量大。（目前的高速伺服匯流排雖大多為開放標準，但技術都被國際化大公司所掌控。尤其是基於工業乙太網技術，如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等，在提升工業機器人專用交流伺服系統的高效能方面起到了舉足輕重的作用。德國公司Beckhoff推出的EtherCAT近年來發展勢頭迅猛，成為大多數高效能驅動系統首選的網路標準，安川、倫茨等國外伺服廠商已將EtherCAT 匯流排，作為下一代產品的匯流排標準。）

松下（日本）

松下是一家大型跨國企業，經營產品涉及家電、數碼視聽電子、辦公產品、航空等諸多領域。松下旗下的松下電機主營電氣機電類服務，該公司推出的小型交流伺服電動機和驅動器頗受市場歡迎，其中大慣量系列適用於數控機床，中慣量系列適用於機器人（最高轉速為3000r/min，力矩為0。016～0。16N。m）。

松下MINAS A5系列

安川（日本）

安川電機是世界一流的傳動產品製造商，也是日本第一個做伺服電機的公司，其產品以穩定快速著稱，價效比高，是全球銷售量最大，使用行業最多的伺服品牌。從一般工業用機械到半導體、電子零部件製造裝置，安川都能提供適合於各種用途的最匹配的伺服、控制器產品。

安川電機Σ-Ⅴ系列

三菱（日本）

三菱不是一家獨立的公司，而是由眾多的獨立公司組成的團體，該公司涉足採礦、造船、銀行、保險、倉儲、貿易、紙、鋼鐵、玻璃、電氣裝置、飛機、石油和房地產等諸多領域，是日本的工業巨頭。三菱電機一直致力於提高產品效能，FA產品陣容涵蓋在亞洲占主導地位的可程式設計控制器（PLC）、人機介面（HMI）、交流伺服系統、變頻器、工業機器人以及低壓配電產品。

三菱伺服電機

三洋（日本）

三洋是是日本松下旗下的電器公司，瞄準中端市場。2012年4月1日起，該品牌被停止營運。三洋的Denki交流伺服驅動系統是最早進入國內的伺服系統之一，以其卓越的效能高速精確靈活使用壽命長價效比高等特點聞名於世，可以實現不同控制方式的切換、全閉環控制、具有輸出檢測功能、自動濾波功能、實時自整定功能，廣泛應用於冶金高爐印刷機械、包裝機械、紡織機械、塑膠機械、醫療裝置、自動化生產線等領域。

三洋AC伺服系列

日系伺服電機價格相對低，體積小，重量輕。但缺點也很明顯，就是動態響應能力相對弱，開放性較差。

ELMO（以色列）

Elmo Motion Control是一家專業開發緊湊型、高功率伺服電機的企業，25年來一直致力於為各種惡劣工業環境設計了伺服驅動器，同時提供先進的網路運動控制器和完整的運動控制解決方案。該公司號稱自己打造的是全球最好的伺服電機。

ELMO伺服電機

SERVOTRONIX（美的）

servotronix（高創）專注於運動控制領域業務，也是一家專業開發高效能伺服驅動器系列和運動控制解決方案的企業。該公司已被美的收購，未來將成為庫卡機器人伺服電機的主要供應商。

servotronix PRO2系列伺服電機

AMC（美國）

AMC（ADVANCED Motion Controls）是一家提供可靠和高效能運動控制系統的公司，創立於1987年，幾十年來一直保持小體量，只有300多名員工，其中40%是工程師。該公司的目標是成為最好的伺服公司，因此只生產伺服驅動領域的產品。依靠精湛的製造水平和先進的研發能力，近7年來，該公司客戶存留率高達91%。

AMC伺服驅動應用案例

COPLEY（美國）

和AMC一樣，Copley Controls也是一家專注於伺服驅動的公司，主要為廣泛的工業應用提供高效能運動控制解決方案，擁有超過25年的OEM合作經驗。該公司產品的應用領域主要有半導體、生命科學、自動化裝備、機器人、測試/測量以及COTS軍工等。

Copley伺服產品

以上這幾家公司是伺服控制技術的領軍者，它們的產品雖然在市場上份額不大，但代表伺服控制的技術發展導向。

國內知名伺服電機/系統製造商

伴隨這幾年數控化的普及，國內伺服產品的銷量保持了快速增長，伺服系統的自主研發、製造生產及應用已基本成熟，形成了一定的產品系列和自主配套能力，但產品在高效能、高可靠性方面，與國外名牌企業仍存在明顯差距，如國產品牌產品功率範圍多在3KW以內，中小功率居多，技術路線上與日系產品接近。

隨著工業機器人市場掀起熱潮，我國伺服系統與國外名牌企業的明顯差距已成為制約我國工業機器人產業的“瓶頸”。從技術上看，國產伺服電機主要有以下幾個缺陷：

一是外形普遍較長，外觀粗糙，很難應用在一些高檔機器人上面。尤其是在輕載6kg左右的桌面型機器人上，由於機器人手臂的安裝空間非常狹小，對伺服電機的長度有嚴格要求。

二是訊號接外掛的可靠性需要改進，而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機本體的整合設計的方向設計，方便安裝、除錯、更換。

三是另一個核心技術就是高精度的編碼器，尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴重依賴進口，是制約我國高檔機器人發展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術。

四是缺失基礎性研究，包括絕對值編碼器技術、高階電機的產業化製造技術、生產工藝的突破、效能指標的實用性驗證和考核標準的制定。

五是伺服系統各部分產業協同聯合不夠，導致伺服電機和驅動系統整體效能難以做好。

值得一提的是，除了以上五點工藝硬傷，許多國內伺服電機廠商還在繼續採用購買過時技術、硬體打造“國產”電機的做法，這樣生產出來的電機質量、穩定性參差不齊，不僅擾亂市場，還打擊了企業內部自主研發的熱情，不利於長期的可持續發展。

目前我國國內較大規模的伺服品牌有20餘家，這些製造商的部分產品質量、效能較為突出，可圈可點，顯示出了一定的獨立性和創新性。

臺達（臺灣）

臺達是知名華人自動化品牌，在全球自動化領域佔據獨特地位。90年代初期，臺達採取自主研發的方式，開始進軍工業自動化領域。基於其在電力電子領域的積累，臺達從變頻器產品起步，到後來PLC、伺服、HMI、CNC數控系統，再到基於PC-Based的PAC控制器、感測器、機器視覺、工業機器人等全系列自動化產品，最後鎖定驅動、運動、控制三大領域。

臺達ECMA系列標準型交流伺服電機

士林（臺灣）

士林電機（shihlin）創立於1955年，主要開發重電、電裝、機器、自動化領域的相關產品。該公司和日本三菱合作密切，在廈門建有合資公司，據傳產品的使用者體驗與三菱電機不相上下。以士林SDH交流伺服系列為例，這系列電機採用臺灣最好的編碼器，響應速度全臺第一。

士林SDH系列交流伺服電機

臺系品牌使用簡單，效能接近日系，但價格比日系品牌低廉，價效比高，在中低端市場發展較快。

匯川

深圳匯川主要從事自動化、新能源相關領域產品研發，是本土企業中伺服電機市場佔有率最高的品牌。匯川在智慧裝備、工業機器人領域推出了變頻器、伺服系統、控制系統、工業視覺系統、感測器等核心部件及電氣解決方案等一系列工業自動化產品，目前已成為國內最大的中低壓變頻器與伺服系統供應商。匯川旗下幾款伺服電機都支援Ethercat乙太網通訊協議。

匯川IS620N伺服系統

固高

固高科技是國內技術領先的自動控制產品供應商，該公司自主研發的基於PC的開放式運動控制器、嵌入式運動控制器、網路式運動控制器、計算機可程式設計自動化控制器產品與系統，綜合性能已達到了國際一流水平，填補了國內同行業的多項空白。固高主要為機器人運動控制提供系統。

固高GTHD系列高效能伺服驅動器

華中數控

華中數控背靠中科大，研發能力出色，是國內最大的中高檔數控系列生產企業，旗下的車床伺服電機已達到國際中端水平。該公司的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服電機和GM7系列交流伺服主軸已實現批次生產，是目前全國唯一擁有成套核心技術自主智慧財產權和自助配套能力的企業。

華中數控ST系列匯流排式交流永磁同步伺服電機

廣州數控

廣州數控面向數控機床行業、自動化控制領域、注塑製品行業，是全國最大的機床數控系統研發廠商，突出優勢是產業鏈齊全、規模龐大。該公司的伺服系統主要用於機床、包裝機械等方面。

廣州數控SJTR系列伺服電機

英威騰

2011年，英威騰收購御能動力，並把該品牌打造成了紡織機械伺服系統的細分龍頭。英威騰主要為紡織機械企業提供整體解決方案，並在業內提供系列型號最為全面的防止伺服系統，目前該公司的伺服產品在紡織機械、包裝機械、數控車床、點膠機、LED分光編帶機貼片機等機器上有廣泛應用，價效比較高。

英威騰DA200高效能通用交流伺服系統

埃斯頓

南京埃斯頓有十幾年生產和銷售交流全數字化通用交流伺服驅動器和電機的歷史，產品廣泛應用於各類數控機床和自動化裝置。公司於2012年成功完成了863計劃重大專項“工業機器人交流伺服系統驅動器和電機開發”，擁有了自主品牌的機器人專用交流伺服系統。目前，公司所有機器人使用的交流伺服系統均為自產，實現了國產核心零部件的突破。公司還成功開發了機器人專用“一拖六”交流伺服系統，為研製更經濟高效的國產機器人提供了基礎。