如何提高机器人伺服电机的响应速度

O距离

　　当前国内机器人发展迅猛，尤其是工业机器人领域。但在机器人的反应速度、精度上，国内外产品还是存在一定差距的，那么关键点是在哪呢？



　　关键在于机器人的核心零部件——伺服电机。机器人在运行过程中，是通过伺服电机的驱动实现多自由度的运动的。如果对机器人运行的动作速度、精度要求高的话，实际就是要求伺服电机的响应速度、控制精度要足够高。



　　而在机器人实际运行时，往往伺服电机是处于各种加减速、正反转状态，那就对伺服电机的短时过载能力、惯量适应范围、频率响应带宽、转速/扭矩响应时间提出了很高的要求。

　　其中一个非常重要的指标就是频率响应带宽，它决定了该伺服系统对指令的响应速度快慢，是机器人设计者的重要关注指标。




　　伺服电机频率响应带宽的定义：伺服系统能响应的最大正弦波频率就是该伺服系统的频率响应带宽。用专业一些的语言描述，就是幅频响应衰减到-3dB时的频率（-3dB带宽），或者相频响应滞后90度时的频率。

　　更具体一点，像机械部标准《交流伺服驱动器通用技术条件》（JB T 10184-2000）中规定了伺服驱动器带宽的测试方法：驱动器输入正弦波转速指令，其幅值为额定转速指令值的0.01倍，频率由1Hz逐渐升高，记录电动机对应的转速曲线，随着指令正弦频率的提高，电动机转速的波形曲线对指令正弦波曲线的相位滞后逐渐增大，而幅值逐渐减小。相位滞后增大至90度时的频率作为伺服系统90度相移的频带宽度；幅值减小至低频时0.707倍的频率作为伺服系统-3dB频带宽度。

　　可以说，频率响应带宽越快，伺服系统就可以对变化更快的指令实现及时响应，即使工业机器人的动作再复杂，也能及时响应，驱动机器人的每一个关节位置控制到位。

　　而影响频率响应带宽的因素有很多，像伺服驱动器或者控制系统参数、传动链的刚度或精度、传动间隙、负载惯量等都会对伺服系统的响应带宽产生影响。过去业内很多研究者由于缺乏测试装备，故只能通过加实际负载的测试来判断伺服系统及机器人的响应性能，属于定性分析，无法定量分析。因此国内的伺服系统目前在响应速度一块仍需加强，像一般的伺服电机，响应带宽最高只能做到几百Hz左右，比较优质的能做到1kHz;而国外的产品，如日系的安川、三菱、松下等，却在多年以前已突破2kHz的关卡。


　　提高机器人伺服电机的响应速度现在是国内要攻克的一个艰难的核心技术。