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摘 要：研究并优化交流伺服驱动系统，有助于我国工业机器人的进步与发展，从而推动我国向制造业强国迈进。本文首先对交流伺服驱动系统进行了简要概述，然后从硬件设计和软件设计两方面分别介绍了交流伺服驱动系统的设计，最后分析了几种常用的交流伺服驱动系统测试方法。希望本文能为工业机器人交流伺服驱动系统的设计和优化提供一定的参考。
关键词：工业机器人；交流伺服驱动系统；硬件设计；软件设计
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0315-01
引 言
近年来工业机器人的发展突飞猛进，为我国的工业发展注入了蓬勃力量。工业机器人是融合了诸多学科的高技术产品，在多个生产领域皆有应用。工业机器人因为集合了最新的自动化技术，可以非常良好地适应多种多样的生产环境。机器人动作的核心元件是伺服电机，因此机器人的性能是否优良直接取决于伺服驱动控制系统，所以研究工业机器人交流伺服驱动系统对我国机器人事业的发展具有十分重要的意义。
1 交流伺服驱动系统概述
目前，新型永磁同步电机已经广泛应用于各类控制系统。根据相关控制要求，工业机器人交流伺服驱动系统采用的是闭环控制。照目前的发展趋势来看，交流伺服驱动系统将在未来呈现出数字化，智能化及通用化等特点。
交流伺服驱动系统的控制方式主要有：①直接转矩控制方式。变频器中常用到这种控制方式，在该方式下，转矩驱动响应较快；②矢量控制方式。该控制方式的技术原理较为简单，并具有良好动态性能，交流伺服驱动系统便是以矢量控制作为理论基础发展起来的，所以该控制方式被广泛应用；③恒压频比控制方式。该控制方式普遍应用于各个工业领域，通过控制输出电压和输出功率使磁通量保持为一定值，并以此来控制电机的转速；④智能控制方式。相比于以上三种控制方式，智能控制方式的优势十分明显，因为它是基于计算机技术和大数据技术发展起来的新兴控制方式。
2 工业机器人交流伺服驱动系统设计
2.1 硬件设计
交流伺服驱动系统能够运行的基础便是其内部的硬件电路，如图1所示，主要由主电路、功率驱动电路及核心控制器等组成，总的工作流程为：首先上位机发出一个伺服指令，并传输到DSP控制器，DSP控制器对伺服指令进行特殊处理后将其输出，同时对输出频率进行控制，以此来驱动电机运行，接下来再由传感器將电流等信息输出。输出的信息经二次处理后将返回至DSP控制器。
主电路设计是整个交流伺服驱动系统硬件设计中最重要的一个部分。交直流拓扑结构是主电路设计中最常用的一种设计结构，在经过了滤波、整流、稳压以及逆变器逆变等一系列流程后，电流最终输出为三相交流电。除此之外，能耗制动模块也常常出现在主电路设计中，主要用于解决工业机器人在实际运行过程中频繁启停而导致的直流母线上的过电压问题。当然，在设置能耗制动模块的时候需要重点注意制动电阻的功率值，并以此为依据选择合适的制动电阻。通常采用的系统电压为220V，那么设置制动电压为380V，一旦直流母线上的电压大于380V，则能耗制动模块开启进行能耗制动，以降低工业机器人的能耗，延长其使用寿命。
2.2 软件设计
交流伺服驱动系统的核心技术是软件系统。与硬件系统相比，软件系统在确定之后还可以再次修改，比如可根据需求环境的不同来对软件设计进行修改和优化。软件系统的设计主要由主程序设计以及中断子程序设计所组成，设计时采用C语言进行编程。
其中，主控制程序的设计是最重要的一部分。控制器各寄存器的初始化工作，校正ADC采样通道软件的工作等都是由主程序设计系统来完成的。主要流程为：首先对变量进行初始化，同时对I/O接口进行初始化，接下来检测A/D通道，并对其进行校正处理，然后通过调用相应的子程序来将函数初始化，之后便可等待循环程序中断。
3 工业机器人交流伺服驱动系统的测试
交流伺服驱动系统设计完成之后，便可对其性能进行测试，本文内进行测试的交流伺服驱动系统是采用TMS320F2812控制器设计的，测试结果如下所示。
（1）位置环测试。该测试方式分为两种：①带固定小负载的位置测试，测试结果显示，无论是在速度响应及速度限制方面，还是在定位精度方面，该伺服驱动控制系统都具有较为良好的性能；②带可变负载的位置测试，测试结果表示可变负载时的定位时长大于固定小负载时的定位时长，且定位的误差为零。
（2）电流环测试。该测试结果从某种程度上直接决定了矢量控制系统的性能，从电流环测试结果来看，电流环响应曲线所反映的各个指标（如超调量、上升时间以及稳态误差等）均满足要求。
（3）速度环测试。该测试环节在很大程度上决定了伺服控制系统的性能，是非常重要的一个步骤。速度环测试主要分为三种：①带固定小负载时的速度跟踪，给定频率5Hz，周期速度1500r/min，电机空载运行，得到的测试结果符合要求；②带固定负载时的速度跟踪，给伺服控制系统加一个周期性的负载，所得到的测试结果同样符合工业机器人伺服控制系统的高精度要求；③恒定转速突加负载速度跟踪，当电机在小负载情况下稳定运行时，突然向其加载，然后电流会迅速增大，接着转速会在负载的影响下慢慢降低至稳定状态。三种测试方式都证明该交流伺服驱动系统具有良好的性能。
4 结 语
交流伺服驱动系统作为工业机器人的“心脏”，其性能决定了机器人能否很好地完成指定动作。从学科交叉的角度来看，做好交流伺服驱动系统，也将深刻地影响我国其他多个行业的发展。随着我国制造行业水平的进一步提高，交流伺服驱动系统也将体积更小，速度更快，精度更准，同时智能化程度更高。
参考文献
[1]陈 英.工业机器人交流伺服驱动系统研究[J].电子设计工程，2017，25（16）：80～83.
[2]龙 凯，李刚成.工业机器人交流伺服驱动系统设计[J].山东工业技术，2016（11）：3～4.
[3]刘瑞涛.工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计[J].制造业自动化，2013，35（11）：67～69.
收稿日期：2018-10-19
关键词：工业机器人；交流伺服驱动系统；硬件设计；软件设计
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0315-01
引 言
近年来工业机器人的发展突飞猛进，为我国的工业发展注入了蓬勃力量。工业机器人是融合了诸多学科的高技术产品，在多个生产领域皆有应用。工业机器人因为集合了最新的自动化技术，可以非常良好地适应多种多样的生产环境。机器人动作的核心元件是伺服电机，因此机器人的性能是否优良直接取决于伺服驱动控制系统，所以研究工业机器人交流伺服驱动系统对我国机器人事业的发展具有十分重要的意义。
1 交流伺服驱动系统概述
目前，新型永磁同步电机已经广泛应用于各类控制系统。根据相关控制要求，工业机器人交流伺服驱动系统采用的是闭环控制。照目前的发展趋势来看，交流伺服驱动系统将在未来呈现出数字化，智能化及通用化等特点。
交流伺服驱动系统的控制方式主要有：①直接转矩控制方式。变频器中常用到这种控制方式，在该方式下，转矩驱动响应较快；②矢量控制方式。该控制方式的技术原理较为简单，并具有良好动态性能，交流伺服驱动系统便是以矢量控制作为理论基础发展起来的，所以该控制方式被广泛应用；③恒压频比控制方式。该控制方式普遍应用于各个工业领域，通过控制输出电压和输出功率使磁通量保持为一定值，并以此来控制电机的转速；④智能控制方式。相比于以上三种控制方式，智能控制方式的优势十分明显，因为它是基于计算机技术和大数据技术发展起来的新兴控制方式。
2 工业机器人交流伺服驱动系统设计
2.1 硬件设计
交流伺服驱动系统能够运行的基础便是其内部的硬件电路，如图1所示，主要由主电路、功率驱动电路及核心控制器等组成，总的工作流程为：首先上位机发出一个伺服指令，并传输到DSP控制器，DSP控制器对伺服指令进行特殊处理后将其输出，同时对输出频率进行控制，以此来驱动电机运行，接下来再由传感器將电流等信息输出。输出的信息经二次处理后将返回至DSP控制器。
主电路设计是整个交流伺服驱动系统硬件设计中最重要的一个部分。交直流拓扑结构是主电路设计中最常用的一种设计结构，在经过了滤波、整流、稳压以及逆变器逆变等一系列流程后，电流最终输出为三相交流电。除此之外，能耗制动模块也常常出现在主电路设计中，主要用于解决工业机器人在实际运行过程中频繁启停而导致的直流母线上的过电压问题。当然，在设置能耗制动模块的时候需要重点注意制动电阻的功率值，并以此为依据选择合适的制动电阻。通常采用的系统电压为220V，那么设置制动电压为380V，一旦直流母线上的电压大于380V，则能耗制动模块开启进行能耗制动，以降低工业机器人的能耗，延长其使用寿命。
2.2 软件设计
交流伺服驱动系统的核心技术是软件系统。与硬件系统相比，软件系统在确定之后还可以再次修改，比如可根据需求环境的不同来对软件设计进行修改和优化。软件系统的设计主要由主程序设计以及中断子程序设计所组成，设计时采用C语言进行编程。
其中，主控制程序的设计是最重要的一部分。控制器各寄存器的初始化工作，校正ADC采样通道软件的工作等都是由主程序设计系统来完成的。主要流程为：首先对变量进行初始化，同时对I/O接口进行初始化，接下来检测A/D通道，并对其进行校正处理，然后通过调用相应的子程序来将函数初始化，之后便可等待循环程序中断。
3 工业机器人交流伺服驱动系统的测试
交流伺服驱动系统设计完成之后，便可对其性能进行测试，本文内进行测试的交流伺服驱动系统是采用TMS320F2812控制器设计的，测试结果如下所示。
（1）位置环测试。该测试方式分为两种：①带固定小负载的位置测试，测试结果显示，无论是在速度响应及速度限制方面，还是在定位精度方面，该伺服驱动控制系统都具有较为良好的性能；②带可变负载的位置测试，测试结果表示可变负载时的定位时长大于固定小负载时的定位时长，且定位的误差为零。
（2）电流环测试。该测试结果从某种程度上直接决定了矢量控制系统的性能，从电流环测试结果来看，电流环响应曲线所反映的各个指标（如超调量、上升时间以及稳态误差等）均满足要求。
（3）速度环测试。该测试环节在很大程度上决定了伺服控制系统的性能，是非常重要的一个步骤。速度环测试主要分为三种：①带固定小负载时的速度跟踪，给定频率5Hz，周期速度1500r/min，电机空载运行，得到的测试结果符合要求；②带固定负载时的速度跟踪，给伺服控制系统加一个周期性的负载，所得到的测试结果同样符合工业机器人伺服控制系统的高精度要求；③恒定转速突加负载速度跟踪，当电机在小负载情况下稳定运行时，突然向其加载，然后电流会迅速增大，接着转速会在负载的影响下慢慢降低至稳定状态。三种测试方式都证明该交流伺服驱动系统具有良好的性能。
4 结 语
交流伺服驱动系统作为工业机器人的“心脏”，其性能决定了机器人能否很好地完成指定动作。从学科交叉的角度来看，做好交流伺服驱动系统，也将深刻地影响我国其他多个行业的发展。随着我国制造行业水平的进一步提高，交流伺服驱动系统也将体积更小，速度更快，精度更准，同时智能化程度更高。
参考文献
[1]陈 英.工业机器人交流伺服驱动系统研究[J].电子设计工程，2017，25（16）：80～83.
[2]龙 凯，李刚成.工业机器人交流伺服驱动系统设计[J].山东工业技术，2016（11）：3～4.
[3]刘瑞涛.工业机器人交流伺服驱动控制系统硬件设计[J].制造业自动化，2013，35（11）：67～69.
收稿日期：2018-10-19