步进电机、伺服电机与机器人运动控制

本文图片来源：Automation Consulting

作者 | Frank Lamb

运动控制和机器人的故障排除和维护需要对电机和机器人中的所有组件和机制有深刻的了解。

运动控制涉及使用电机对执行器进行定位和精确移动。虽然运动控制并不总是闭环控制，但它不同于电机控制，后者的主要目标是实现并验证已知位置或运动。

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步进电机的原理和维护

步进电机是一种无刷直流电机，其定子由多个电磁铁围绕齿轮状转子排列而成。环形排列的磁体被分为不同的组，这就是相。每相同时通电，使电机“步进”到下一个位置。

基于微控制器的步进驱动器按适当的顺序激活驱动晶体管。典型的步进电机分辨率为每转200步，但使用“微步进”驱动器，可以实现每转1600步。步进驱动器有时也被称为“斩波器”。

步进电机通常在没有反馈设备（如编码器或解码器）的情况下运行，这使它们成为一种比伺服电机更便宜的定位方法，但它们也没有太多的保持扭矩。除了电机和驱动器外，还需要分度器。它可内置在驱动器中，并与主控制器通信，或由可编程逻辑控制器 (PLC) 等控制器发送脉冲，对驱动器进行分度。步进系统的故障排除可能包括检查控制电路中的电压和通信，甚至使用示波器查看脉冲信号。

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伺服系统的组件和维护

伺服或伺服机构是一种使用反馈来控制位置和扭矩的装置。它们可以是电动、液压或气动的，但在工业自动化中使用的大多数伺服系统都是电机驱动的。

伺服电机可以是有刷永磁直流电机、无刷永磁交流电机或交流感应电机。它们通常内置一个编码器或解析器。它们还经常与齿轮头集成在一起。电机组件上有两个电缆接头，这样就可以分别传输来自编码器/传感器（反馈电缆）的信号与电机电源。

伺服驱动器接受来自编码器的脉冲输入，并通过电流监测扭矩。温度传感器和制动器控制信号有时包含在控制电缆中。一般情况下，伺服驱动器比变频器更复杂，并且通常内置逻辑功能。现代控制器几乎总是配置高速通信端口，可以与其它控制器连接以协调运动。通常这是一种基于以太网的通信协议，但有时也会使用光纤。



▲集成伺服示例

伺服控制算法基于PID的位置或转矩控制。电机需要根据电机和负载特性进行调整，以确保实现最佳性能。正是出于这个原因，来自同一制造商的电机和驱动器通常配套出售和使用。有些电机内置了驱动器和控制器。这些“集成伺服”电机，可以联网来执行复杂任务或作为独立的定位器来使用。

伺服电机和由变频器控制的典型交流感应电机之间的一个重要区别，是伺服电机在零速度下具有保持转矩。如果电机轴在控制电源下偏离其位置，它会尝试自我校正，如果没有达到预设位置，则会导致控制器故障。

协调运动时，通常使用“主”控制器或位置来调整其它控制器的速度。一个轴的运动取决于另一个轴或虚拟轴的位置变化。有一点很重要， 那就是使用专用于运动系统的快速通信网络。可以使用专用的运动控制器来协调伺服轴。通过集成机器视觉，将机械手引导到正确的位置。运动控制器可以集成到PLC机架中，或者是作为单独系统使用。很多都有单独的I/O模块，可以使用IEC 61131 PLC语言进行编程。

对伺服系统进行故障排除，除了典型的电气诊断方法，通常还需要了解平台软件。驱动器和控制器通常具有内置的诊断功能，以检测电机及其所连接负载可能出现的问题。联轴器等机械元件也会出现故障。总之，请先阅读您的文档。

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机器人运动控制的路径感知

工业机器人用于生产制造和材料搬运任务，其物理配置取决于所需的功能。有效载荷和速度要求有助于确定在特定应用中所使用的机器类型。

机器人可以有多达 6-7 个运动轴，也可以只有 3 个运动轴。要到达 X-Y 平面上的任意点，需要两个运动轴；要到达 X-Y-Z 空间中的任意点，需要三个运动轴。要完全控制 "手臂 "末端的工具位置，除了 X、Y 和 Z 轴外，还需要另外三个轴，即俯仰轴、滚动轴和偏航轴。

图3展示了在三维空间中到达任何点和方向所需的6个轴，但机器人使用不同的坐标系，关节配置也可能不同。原点和方向也随品牌的不同而有不同的定义，通常可以在软件中进行更改。



▲机器人坐标轴和右手法则。

X、Y和Z位置被称为笛卡尔坐标，但它们可以从不同的参考点定义。如果从机器人的底部或环境参考点来定义，则被称为世界坐标。在这种情况下，原点参考系是静止的。从执行器的角度进行寻址时，则被称为工具坐标，原点随终端执行器一起移动。这也可包括从工具连接点到工具接触零件的偏移。也可以定义局部坐标，通常将原点设置在工作区域内。这允许为托盘或其它就地系统复制参考点。

单个关节也可以独立控制，通常以度为单位进行定义。距离通常以公制单位（mm）定义，但也可以在软件中按用户定义的单位进行缩放。除了X、Y和Z之外，滚转、俯仰和偏航还可以用其它字母进行定义，如U、V和W。

机器人能够到达的区域被称为工作范围。可以在机箱内定义平面和空间，以防止碰撞或确保安全，也可以将光幕等安全设备集成到机器人工作单元中。

机器人控制器不断进行计算，以确保它们知道机器人相对于参考点和路径的位置。当沿着定义路径移动时，轴必须协同工作，因此机器人是协调运动控制的最终形式。这就是为什么控制器通常用于支持实现和保持位置的任务。

与机器人打交道时需要理解的一个重要问题是奇点。在这种情况下，由于物理或数学约束，机器人无法沿特定路径移动其终端执行器。机器人最终可能会处于无法绕特定点旋转工具的位置，这有时被称为万向节锁定。在其它物理配置中，通过某些方向移动关节可能会损坏相关的电缆或软管，因此当移动机器人靠近奇点或旋转轴过远时需要小心。通常有多个关节配置，可以实现相同的工具位置和方向，这通常被称为冗余自由度。

机器人控制器通常能够执行逻辑功能和操作外部设备，但它们通常内置在工作单元中，并连接到“主”控制器，如PLC。控制器可以是通过电源和信号电缆连接到机器人单元，也可以内置在机器人底座中。连接可以是24 Vdc的物理连接、通信链路或通过内部路由到终端执行器或工具的“直通”端口和连接器。直通端口通常包括气动软管。机器人可以根据其物理配置进行分类。图4展示了工业应用中常见的一些机器人。



▲常见的机器人包括6轴关节臂（左）、SCARA（中）和Delta（右）。

6轴铰接臂在重型有效载荷应用中比较常见，而4轴SCARA通常用于定向拾取和放置。Delta配置非常快，经常在电子行业中用于元件放置。另外一个需要注意的术语是协作机器人（Cobot）：是为在共享空间内直接与人类进行互动而设计的，与此处所示的配置并不相同。

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让机器人编程更容易

机器人可以使用计算机或通过示教器进行编程。需要对两类代码进行编程：程序和位置数据。为了执行从一个位置移动到另一个位置的任务，机器人终端执行器首先需要定义起点和终点，然后需要编写如何到达那里的程序。这可能涉及额外位置，还需要外部信号来告诉机器人物体存在或开始移动。

可以通过在软件中列出来定义位置，但使用示教器更容易。示教器允许操作员移动各个轴，将机器人“驱动”到所需位置。为满足精度和安全要求，一般为低速。在操纵机器人时，还需要按下一个3位“死区开关”。弹簧加载开关需要保持在中间位置，如果一直按下或释放，机器人将无法移动。

程序是对不同位置的一系列移动。它们可以单独触发，也可以链接在一起。机器人技术中使用的语言多种多样，通常为制造商专有。它们通常类似于Basic或Assembly之类的语言，带有JUMP和MOVE语句。也可以使用其它高级脚本语言，来构建数据结构或创建数学算法，例如计算路径或位置。一些语言允许并行处理，允许机器人一次执行多个动作，例如在相机跟踪移动对象时计算移动向量。

位置数据表和编程过程位于不同的内存区域，因此可以在不影响另一个的情况下更改其中一个。这允许通过计算机或示教器编辑表格，来变更或“修改”位置。位置通常是在世界坐标中定义的，但6轴机器人的各个轴的位置可能会因终端执行器的工具处于相同位置而有所不同。可以通过将机器人驱动到具有特定轴配置的位置并选择“示教”或使用“引导”的技术来示教位置。该技术允许用户在轴放松状态下手动将轴推到一系列特定位置，从而描述路径。

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机器人故障排除和维护的注意事项

机器人故障排除和维护包括使用软件或示教器来调整（微校正）位置，更换终端执行器上的工具，并维护电气或气动连接。与运动控制器和变频器一样，机器人控制器通过提供故障数据来指示系统出现的问题。大多数故障都会导致机器人停止移动，并可能要求操作员在纠正故障后将机器人移动到“安全”位置。

机器人工作单元与机器人接口通常带有PLC和HMI。PLC与机器人通信，在HMI上显示接收到的故障代码和其它数据。这涉及两个通信链路（机器人PLC和PLC-HMI），因此确保它们正常工作非常重要。

终端执行器可能具有M8或M12电缆连接、带端子的接线盒、ASI（执行器传感器接口）或以太网远程I/O等通信接口。如果传感器终端配置盖子，那么事先知道通信接口的类型可能会有所帮助。检查文档或检查夹具或工具区域以查看这些连接。



▲机器人工作单元示例。

图5显示了机器人工作单元的典型布局。线条的不同颜色表明，不同元件之间的连接可以是离散布线、通信、气动，或者在机器人与控制器连接的情况下是电源和反馈布线的组合。这可能会使故障排除变得复杂，因为处理机械、电气和控制专业，所需知识的范围广泛。

在这些系统中，通常存在不受机器人控制器控制的执行器，例如工件夹具中。这需要PLC和机器人控制器发出“握手”信号。用于材料处理和输送系统的外部系统也可以与PLC接口，并且还可以存在多个机器人。防止多个机器人和工具之间的碰撞可能非常复杂。安全装置，如光幕、地板扫描仪和门开关，可以与机器人控制器和PLC接口。也可以使用机器视觉为机器人定位零件，从而将系统的复杂性引入另一个层次。

关键概念：

■ 运动控制和机器人维护需要对电机和机器人中的所有组件和机制有深入的了解。

■ 防止运动控制或机器人应用出问题，可以减少停机时间，从而为公司节省大量成本。

思考一下：

在运动控制和机器人维护方面，您面临的最大挑战是什么？