報(bào)告機(jī)器人和智能裝備

1、永磁同步電機(jī)及其控制控制器機(jī)器人和智能裝備摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的的發(fā)展和應(yīng)用。尤其是在要求高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合，如國(guó)防、航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代交流電機(jī)中也占有舉足輕重的地位。 傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方法一般要求對(duì)系統(tǒng)參數(shù)精確了解以便對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行整定，然而在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)經(jīng)常變化，要保證優(yōu)良的系統(tǒng)性能必須對(duì)控制器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。模糊控制等智能控制策略，都具有不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地克服伺服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高品質(zhì)控制性能。1. 永磁同步

2、電機(jī)工作原理在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會(huì)在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，所以可以把永磁同步電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程看成是由異步啟動(dòng)階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動(dòng)的研究階段中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是從零開始逐漸增大的，造成上訴的主要原因是其在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、矩起的磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速是振蕩著上升的。在起動(dòng)過(guò)程中，質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，只有

3、異步轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性電動(dòng)機(jī)就是以這轉(zhuǎn)矩來(lái)得以加速的，其他的轉(zhuǎn)矩大部分以制動(dòng)性質(zhì)為主。在電動(dòng)機(jī)的速度由零增加到接近定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，在永磁體脈振轉(zhuǎn)矩的影響下永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有可能會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的轉(zhuǎn)速振蕩后，最終在同步轉(zhuǎn)矩的作用下而被牽入同步。2. 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn) 永磁同步電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來(lái)說(shuō)，永磁同步電機(jī)的最大的特點(diǎn)是它的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常非常的相似，主要是區(qū)別于轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與其它電機(jī)形成了差別。和常用的異步電機(jī)的最大不同則是轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。由于在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的

4、位置有很多選擇，所以永磁同步電機(jī)通常會(huì)被分為三大類：內(nèi)嵌式、面貼式以及插入式。永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁。具有無(wú)電流勵(lì)磁，無(wú)電刷和滑環(huán)；損耗低，效率高；功率因素高；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣，靈活；體積小，重量輕；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等等優(yōu)點(diǎn)。因此在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)等方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。3. 永磁同步電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì)90年代后，隨著微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，高速度、高集成度、低成本的微處理器問(wèn)世及商品化，使全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)成為可能。通過(guò)微機(jī)控制，可使電機(jī)的調(diào)速性能有很大的提高，使復(fù)雜的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制得以實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了硬件，降低了

5、成本，提高了控制精度，還能具有保護(hù)、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調(diào)試及自復(fù)位等功能。另外，改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也變得簡(jiǎn)單易行，這樣就大大提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性及實(shí)用性。近幾年，在先進(jìn)的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，多家公司都推出了專門用于電機(jī)控制的芯片。能迅速完成系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)的精密快速調(diào)節(jié)和復(fù)雜的矢量控制，保證了用于電機(jī)控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等可以高速、高精度的完成。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的研究正處在熱潮。同時(shí)，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制、觀測(cè)控制及狀態(tài)觀測(cè)器、線性二次型積分控制、滑模變結(jié)構(gòu)控

6、制及模糊智能控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，并展現(xiàn)出更為廣闊的前景。因此，采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器的全數(shù)字交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一4. 智能裝備的概念與發(fā)展智能裝備，指具有感知、分析、推理、決策、控制功能的制造裝備，它是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成和深度融合。中國(guó)重點(diǎn)推進(jìn)高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備，自動(dòng)化成套生產(chǎn)線，智能控制系統(tǒng)，精密和智能儀器儀表與試驗(yàn)設(shè)備，關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件、元器件及通用部件，智能專用裝備的發(fā)展。例如，在精密和智能儀器儀表與試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，要針對(duì)生物、節(jié)能環(huán)保、石油化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，重點(diǎn)發(fā)展智能化壓力、流量、物位、成分、材料、力學(xué)性

7、能等精密儀器儀表和科學(xué)儀器及環(huán)境、安全和國(guó)防特種檢測(cè)儀器。在關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件、元器件及通用部件領(lǐng)域，要重點(diǎn)發(fā)展高參數(shù)、高精密和高可靠性軸承、液壓/氣動(dòng)/密封元件、齒輪傳動(dòng)裝置及大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命模具等。在智能專用裝備領(lǐng)域，要重點(diǎn)發(fā)展新一代大型電力和電網(wǎng)裝備，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，全斷面掘進(jìn)機(jī)、快速集成柔性施工裝備等智能化大型施工機(jī)械，以及大型先進(jìn)高效智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械等。此外，還要以大飛機(jī)、支線飛機(jī)及通用飛機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，采用飛機(jī)制造、機(jī)床制造和材料生產(chǎn)企業(yè)相結(jié)合，重點(diǎn)發(fā)展復(fù)合材料制備裝備、自動(dòng)輔帶/輔絲設(shè)備、構(gòu)件加工機(jī)床、超聲加工/高壓水切割設(shè)備等工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司副司長(zhǎng)李東在2011年國(guó)際現(xiàn)代工

8、廠/過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)與裝備展覽會(huì)上表示，高端裝備制造業(yè)是國(guó)家“十二五”規(guī)劃提出的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)七大領(lǐng)域之一，其中智能制造裝備是高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)方向之一。李東說(shuō)，改造提升制造業(yè)、加快培育戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)是國(guó)家“十二五”規(guī)劃中明確的重要任務(wù)。實(shí)現(xiàn)由主要依靠規(guī)模增長(zhǎng)的傳統(tǒng)工業(yè)化道路向主要依靠技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)化道路轉(zhuǎn)變，調(diào)整優(yōu)化技術(shù)結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、布局結(jié)構(gòu)和行業(yè)結(jié)構(gòu)，成為轉(zhuǎn)變工業(yè)發(fā)展方式的核心工作。面向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造提升和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，重點(diǎn)推進(jìn)智能儀表裝備、智能裝備等四大類產(chǎn)品，其中智能專用裝備主要包括大型智能工程機(jī)械、高效農(nóng)業(yè)機(jī)械、智能印刷機(jī)械、自動(dòng)化紡織機(jī)械、環(huán)保機(jī)械、煤炭機(jī)

9、械、冶金機(jī)械等各類專用裝備，實(shí)現(xiàn)各種制造過(guò)程自動(dòng)化、智能化、精義化，帶動(dòng)整體智能裝備水平的提升。5. 智能控制的發(fā)展人類的進(jìn)化歸根結(jié)底是智能的進(jìn)化，而智能反過(guò)來(lái)又為人類的進(jìn)步服務(wù)。我們學(xué)習(xí)與研究智能系統(tǒng)、智能機(jī)器人和智能控制等，其目的就在于創(chuàng)造和應(yīng)用智能技術(shù)和智能系統(tǒng)，從而為人類進(jìn)步服務(wù)。因此，可以說(shuō)對(duì)智能控制的鐘情、期待、開發(fā)和應(yīng)用，是科技發(fā)展和人類進(jìn)步的必然趨勢(shì)。從人工智能角度看，智能控制是智能科學(xué)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動(dòng)控制的角度看，智能控制是控制科學(xué)一個(gè)新發(fā)展的學(xué)科。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，控制科學(xué)同其他技術(shù)科學(xué)一樣，它的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類的生產(chǎn)發(fā)展需求和人類當(dāng)時(shí)的知識(shí)水平所決定和限

10、制的20世紀(jì)以來(lái)，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，控制科學(xué)與技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，由研究單輸入單輸出被控對(duì)象的經(jīng)典控制理論，發(fā)展成了研究多輸入多輸出被控對(duì)象的現(xiàn)代控制理論。1948年，美國(guó)著名的控制論創(chuàng)始人維納(NWiener)在他的控制論中第一次把動(dòng)物和機(jī)器相提并論，引起哲學(xué)界的軒然大波，有人罵控制論是“偽科學(xué)”。直到1954年錢學(xué)森博士在工程控制論中系統(tǒng)地揭示了控制論這一新興學(xué)科對(duì)電子通訊、航空航天和機(jī)械制造工業(yè)等領(lǐng)域的重要意義和深遠(yuǎn)影響后，反控制論的熱潮才逐漸開始平息。20世紀(jì)60年代，由于空間技術(shù)，海洋技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的需要，控制領(lǐng)域面臨著被控對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性，以及人們對(duì)控制性能要

11、求越來(lái)越高的挑戰(zhàn)。被控對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性表現(xiàn)為對(duì)象特性的高度非線性和不確定性，高噪聲干擾，系統(tǒng)工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)突變性，以及分散的傳感元件與執(zhí)行元件，分層和分散的決策機(jī)構(gòu)，復(fù)雜的信息模式和龐大的數(shù)據(jù)量。面對(duì)復(fù)雜的對(duì)象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)，用傳統(tǒng)控制(即經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制的理論和方法去解決是不可能的。在這個(gè)意義上，傳統(tǒng)控制和智能控制可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。智能控制第一次出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。1965年，傅京孫教授首先把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。1967年，Leondes等人首次正式使用“智能控制”一詞。初期的智能控制系統(tǒng)采用一些比較初級(jí)的智能方法，而且發(fā)展速度十分緩慢。20

12、世紀(jì)70年代是智能控制的深化時(shí)期，隨著智能控制理論的發(fā)展。蔡自興教授又將信息論引入到了智能控制當(dāng)中，為智能控制的發(fā)展展現(xiàn)了更加廣闊的前景。1985年IEEE(美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì))在美國(guó)召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)會(huì)議，1987年在美國(guó)IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)與計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)召開了智能控制的第一次國(guó)際會(huì)議，標(biāo)志著智能控制有了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨后一些國(guó)際學(xué)術(shù)組織(如IFAC等)定期或不定期地舉辦各類有關(guān)智能控制的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議或研討會(huì)，說(shuō)明智能控制理論在不斷的發(fā)展。我國(guó)已經(jīng)分別于1993年、1997年、2000年、2002年組織召開了四屆全球智能控制與自動(dòng)化大會(huì)(WCICA)，已成立的學(xué)術(shù)團(tuán)體有中國(guó)人工智能學(xué)

13、會(huì)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)與智能控制學(xué)會(huì)，中國(guó)智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)和中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)等，這些情況表明，智能控制作為一門獨(dú)立的新學(xué)科，已經(jīng)在我國(guó)建立起來(lái)。應(yīng)該指出，在模糊控制、仿人智能控制等方面的研究，我國(guó)已經(jīng)形成了自己的特色，為發(fā)展、完善和推動(dòng)智能控制的研究起到了較大的促進(jìn)作用。近年來(lái)，隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，各種智能控制也被應(yīng)用于社會(huì)眾多領(lǐng)域。目前，關(guān)于智能控制的主要研究?jī)?nèi)容有：自適應(yīng)控制(AdaptiveContr01)、模糊控制(FuzzyContr01)、神經(jīng)網(wǎng)控制(NeuralNetbasedContr01)、基于知識(shí)的控O(KnowledgeBasedContr0

14、1)或?qū)＜铱刂?EXpertContr01)、復(fù)合智能控锘tJ(HybridIntelligentContr01)、學(xué)習(xí)控帶lJ(1eamingContr01)和基于進(jìn)化機(jī)制的控帶lJ(EvolutionaryMechanismBasedContr01)。進(jìn)展方向控制復(fù)雜性智能控制自學(xué)習(xí)控制自適應(yīng)控制隨機(jī)控制最優(yōu)控制確定性反饋控制開環(huán)控制6. 機(jī)器人的概念機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電氣工

15、程、材料工程、控制工程、傳感技術(shù)、人工智能以及仿生學(xué)等多種學(xué)科,是目前科技發(fā)展最活躍的一門綜合學(xué)科。機(jī)器人學(xué)的主要研究方向之一是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃與控制。機(jī)器人在獲得一個(gè)指定的任務(wù)之后，首先根據(jù)對(duì)環(huán)境的感知，作出滿足該任務(wù)要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；然后，由控制來(lái)執(zhí)行規(guī)劃，該控制足以使機(jī)器人適當(dāng)?shù)赝瓿伤谕倪\(yùn)動(dòng)。7. 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。不過(guò)，這些領(lǐng)域也不是截然分開的，它們之間存在著相當(dāng)大的重疊。這些應(yīng)用范圍包括工業(yè)生產(chǎn)，?？仗剿鳎祻?fù)和軍事等。此外，機(jī)器人已逐漸在醫(yī)院，家庭和一些服務(wù)行業(yè)獲得應(yīng)用。根據(jù)其功能可分為工業(yè)機(jī)器人，探索機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人和軍事機(jī)器人。探索機(jī)器人在惡劣或不適

16、于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，進(jìn)行探索。例如，水下機(jī)器人和空間機(jī)器人。隨著海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，一般潛水技術(shù)已無(wú)法適應(yīng)高深度綜合考察和和研究并完成多種作業(yè)的需要?？臻g機(jī)器人則可以在月球，火星及其它星球等非人居住條件下完成先驅(qū)勘探。也可以在宇宙空間代替宇航員做衛(wèi)星的服務(wù)，空間站上的服務(wù)及空間環(huán)境的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。服務(wù)機(jī)器人用來(lái)為病人看病，護(hù)理病人和協(xié)助病殘人員康復(fù)，能夠極大地改善傷殘疾病人員的狀態(tài)，以及改善癱患者（包括下肢及四肢癱瘓者）和被截肢者的生活條件。醫(yī)用機(jī)器人已應(yīng)用于下列幾方面：（1） 診斷機(jī)器人，即配備有醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)的機(jī)器人（2） 護(hù)理機(jī)器人，是一些具有豐富護(hù)理經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器人護(hù)士或護(hù)師（3）

17、傷殘癱瘓康復(fù)機(jī)器人，包括假肢、矯形以及遙控等技術(shù)（4） 家用機(jī)器人，機(jī)器人已開始進(jìn)入家庭和辦公室，用于代替人從事清掃、洗刷、守衛(wèi)、煮飯、照料小孩、接待、接電話、打印文件等。酒店售貨和餐廳服務(wù)機(jī)器人、炊事機(jī)器人和機(jī)器人保姆已不再是一種幻想。（5） 娛樂(lè)機(jī)器人，包括文娛歌舞和體育機(jī)器人，（6） 醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人近年來(lái)有所突破。軍事機(jī)器人可分為：（1） 地面軍用機(jī)器人地面軍用機(jī)器人分為兩類：一類是智能機(jī)器人，包括自主和半自主車輛；另一類是遙控機(jī)器人，即各種用途的遙控?zé)o人駕駛車輛。（2） 海洋軍用機(jī)器人美國(guó)海軍有一個(gè)獨(dú)立的水下機(jī)器人分隊(duì)，這支由精銳人員和水下機(jī)器人組成的分隊(duì)，可以在全世界海域進(jìn)行搜索，定

18、位，援救和回收工作。水下機(jī)器人在美國(guó)海軍中的另一個(gè)主要用途是掃雷，如MINS水下機(jī)器人系統(tǒng)，它可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)，分類，排除水下殘物及系留的水雷。法國(guó)在軍用掃雷機(jī)器人方面一直處于世界領(lǐng)先地位。（3） 空間軍用機(jī)器人可以說(shuō)無(wú)人機(jī)和其他空間機(jī)器人，都可能成為空間軍用機(jī)器人。微型飛機(jī)用于填補(bǔ)軍用衛(wèi)星和偵察機(jī)無(wú)法到達(dá)的盲區(qū)，為前線指揮員提供小范圍內(nèi)的具體敵情。 應(yīng)用最廣的為工業(yè)機(jī)器人。從20世紀(jì)60年代初，人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，工業(yè)機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短40多年的時(shí)間中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽

19、車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。我國(guó)的自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)有著起步晚、發(fā)展快的特點(diǎn)，但是各行業(yè)對(duì)于機(jī)器人的使用情況還存在差異，和發(fā)達(dá)國(guó)家相比也有一定差異，我過(guò)和日本相比，在機(jī)器人的使用方面有一定差異。圖2 日本使用機(jī)器人的用戶分類圖3我國(guó)使用機(jī)器人的用戶分類從上面這兩幅統(tǒng)計(jì)圖可以很直觀的看出來(lái)，日本使用機(jī)器人最廣泛的行業(yè)是汽車行業(yè)，我國(guó)汽車行業(yè)對(duì)于機(jī)器人的應(yīng)用就相對(duì)較少，再綜合日本發(fā)達(dá)的汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)看，我國(guó)汽車行業(yè)需要加大引進(jìn)機(jī)器人的使用，以此來(lái)

20、提高行業(yè)的發(fā)展速度目前在工業(yè)上運(yùn)行的機(jī)器人大都不具有智能，只是一些按預(yù)先編好的程序執(zhí)行某些重復(fù)作業(yè)的自動(dòng)化裝置。智能控制在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用形成了智能機(jī)器人分支，涉及機(jī)器視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)和力覺(jué)等多種感知系統(tǒng)，以及學(xué)習(xí)、控制、協(xié)調(diào)、決策等多種智能控制系統(tǒng)的研究。研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能交流伺服控制技術(shù),尤其是針對(duì)具有廣闊應(yīng)用前景的永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服控制技術(shù),具有重大的理論意義和經(jīng)濟(jì)利益。工業(yè)機(jī)器人取代傳統(tǒng)人工勞動(dòng)力已成為中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的新趨勢(shì)。它們代替工人進(jìn)行焊接、涂裝、裝配、切割、碼垛堆積。我國(guó)已經(jīng)成為最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng),但高端機(jī)器人大部分依賴進(jìn)口,我國(guó)伺服電機(jī)、精密減速器、伺服驅(qū)

21、動(dòng)器等關(guān)鍵技術(shù)落后。研究工業(yè)機(jī)器人用伺服電機(jī)對(duì)推動(dòng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展和勞動(dòng)密集型企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。8. 機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展模仿人類外形和功能設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人最能代表該學(xué)科的高科技水平。仿人機(jī)器人具有外形友好,容易代替人類完成危險(xiǎn)工作,靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。近十年來(lái),國(guó)外仿人機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速,其中以日本本田公司的ASIMO機(jī)器人知名度最高。日本的仿人機(jī)器人技術(shù)起源于1973年早稻田大學(xué)年研制成功的WABOT-1型雙足步行人形機(jī)器人。而真正對(duì)仿人機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行系列化研究的是日本本田公司。本田公司在1986年到1993年間開發(fā)了種行走機(jī)器人,之后在此基礎(chǔ)上加上雙臂,是它具有了類似于人的

22、外形。2000年發(fā)布的Asimo一時(shí)間引起了世界的轟動(dòng),從那時(shí)候起,仿人機(jī)器人的研究就進(jìn)入了一個(gè)生機(jī)勃勃的時(shí)期。在過(guò)去9年間Asimo也在不斷改進(jìn),多次在公開場(chǎng)合演出,甚至成為外交禮宴上的嘉賓,舉杯祝酒。除日本以外歐美等國(guó)也奮起直追,大力發(fā)展仿人機(jī)器人,如MIT的Spring系列雙足機(jī)器人,三星電子公司的Mahru,Ohio大學(xué)的SD-1雙足步行機(jī)器人,日本東北大學(xué)的Saika-4等。國(guó)內(nèi)目前對(duì)仿人機(jī)器人的研究也取得了一定的成果,如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT系列雙足步行機(jī)器人、國(guó)防科技大學(xué)的KDW系列雙足機(jī)器人、北京理工大學(xué)的BRH-1仿人機(jī)器人、清華大學(xué)的THBIP-1仿人機(jī)器人。但由于國(guó)內(nèi)起步

23、晚,技術(shù)落后于國(guó)際水平。仿人機(jī)器人一般由控制系統(tǒng)、關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和本體結(jié)構(gòu)五部分組成。關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)方式可以分為液壓伺服、氣動(dòng)伺服、電機(jī)伺服、壓電伺服等。這幾種系統(tǒng)中,液壓伺服抗污染能力差、調(diào)試維護(hù)困難、瞬間過(guò)載能力低;氣動(dòng)伺服非線性程度高、定位剛度小;電機(jī)伺服通常需要減速機(jī)構(gòu),使其體積增大;壓電伺服一般不需要減速機(jī)構(gòu),易于實(shí)現(xiàn)微型化,但其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,多用于微型機(jī)器人或仿人機(jī)器人的手指關(guān)節(jié)。比較幾種伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),電機(jī)伺服系統(tǒng),尤其是旋轉(zhuǎn)電機(jī)伺服系統(tǒng)由于技術(shù)成熟、可靠性高、剛度強(qiáng)、較易驅(qū)動(dòng),是目前仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的首選。作為仿人機(jī)器人的關(guān)鍵零部件,目前國(guó)產(chǎn)的關(guān)

24、節(jié)驅(qū)動(dòng)器多為有刷直流驅(qū)動(dòng)器,電刷的存在制約了電機(jī)在帶載時(shí)的最高轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速無(wú)法提高就意味著電機(jī)直徑很難縮小。而另一方面,得益于稀土永磁材料的制作工藝、充磁技術(shù)的高速發(fā)展,近年永磁無(wú)刷電機(jī)的研究和應(yīng)用也更加深入了。這種電機(jī)具有高推力、低損耗、小電氣時(shí)間常數(shù)、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),既提高了產(chǎn)品的可靠性,減少了維護(hù)工作,又能滿足節(jié)能降耗的要求。所以,目前國(guó)內(nèi)外高水平的仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)均采用永磁無(wú)刷電機(jī)?！笆晃濉逼陂g,國(guó)家為鼓勵(lì)和促進(jìn)國(guó)內(nèi)機(jī)器人研究,尤其是其關(guān)鍵零部件的研究,展開了國(guó)家863計(jì)劃(2008AA042602)重點(diǎn)項(xiàng)目“仿人機(jī)器人高性能單元與系統(tǒng)”。其主要組成“高速高精一體化關(guān)節(jié)

25、”就是為了解決一體化驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的小型、輕量、高速度、高精度、低成本和高可靠性等問(wèn)題。關(guān)節(jié)的微小型化是整個(gè)裝置的最主要特征,在極小的空間內(nèi)獲得較大的功率輸出即具備較高功率密度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,而構(gòu)成一體化關(guān)節(jié)的三個(gè)組成部分的各自微型化則是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),最終目標(biāo)是研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)一體化驅(qū)動(dòng)裝置?！案咚俑呔惑w化關(guān)節(jié)”由四個(gè)部分組成:微小型永磁高功率密度電機(jī)、微小型高性能電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器、精密諧波減速器、電機(jī)位置傳感器。本課題受該項(xiàng)目資助,目標(biāo)是開發(fā)一款微小型高性能電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器,滿足仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)所要求的重量、體積、功率、效率、精度、可靠性等指標(biāo)。電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，要有

26、最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性，并且有較大的短時(shí)過(guò)載能力。永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)無(wú)需勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,具有很高的功率密度,所以非常適合仿人機(jī)器人這種對(duì)體積、重量十分敏感的場(chǎng)合。在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用的永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)分為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種。前者反電動(dòng)勢(shì)為梯形波,控制方式簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)和生產(chǎn)費(fèi)用低,但轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不可避免有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),不適合在低速運(yùn)轉(zhuǎn);后者反電動(dòng)勢(shì)為正弦波,理論上可獲得平滑、連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),完全消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),低速運(yùn)

27、轉(zhuǎn)平滑,但需要更高精度的轉(zhuǎn)子位置傳感器和更復(fù)雜的控制器件。總的來(lái)說(shuō),在仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)中采用永磁同步電機(jī),具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）.體積小、重量輕。近些年來(lái),隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用,永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度得到很大提高,與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比,體積和重量都有較大的減小,使其適合應(yīng)用在許多特殊場(chǎng)合。（2）效率高,易散熱。與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比,永磁同步電動(dòng)機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁電流,因而沒(méi)有勵(lì)磁損耗,既提高了電機(jī)的效率和功率密度,又能避免轉(zhuǎn)子銅損導(dǎo)致的散熱問(wèn)題。而且,永磁同步電動(dòng)機(jī)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率,應(yīng)用在伺服系統(tǒng)這種負(fù)載變化大的場(chǎng)合,節(jié)能效果更加明顯。（3）.磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

28、。得益于稀土永磁材料的特性,使電機(jī)能同時(shí)具有較高的磁通密度和較輕的轉(zhuǎn)子質(zhì)量,從而提高轉(zhuǎn)矩慣量比,有效地提高了永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。（4）可靠性高。與直流電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)相比,永磁同步電機(jī)無(wú)需集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置,不但減少了機(jī)械和電氣損耗,而且還不會(huì)因換向火花引起電磁干擾,電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單牢固、運(yùn)行可靠。不過(guò),永磁電機(jī)的磁場(chǎng)用永磁體產(chǎn)生,其強(qiáng)度固定,會(huì)給傳統(tǒng)的弱磁升速控制方法帶來(lái)困難,這在一定程度上影響了永磁電機(jī)的調(diào)速范圍。同時(shí),永磁材料的熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間使用退磁的問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。目前，在中國(guó)工業(yè)機(jī)器市場(chǎng)，85%的伺服電機(jī)是外資品牌，主流的供應(yīng)商包括，日本松下、安川、

29、三菱，以及歐洲和美國(guó)的倫茨和博世力士樂(lè)。其中，2015年日系品牌占據(jù)了最大的中國(guó)市場(chǎng)份額近50%。然而，中國(guó)本土企業(yè)，大多數(shù)仍處于研制試驗(yàn)階段，幾乎沒(méi)有工業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)。為了扭轉(zhuǎn)這一局面，中國(guó)企業(yè)，包括埃斯頓自動(dòng)化和匯川等少數(shù)公司，在最近幾年不斷突破技術(shù)瓶頸，加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的建設(shè)。國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)這塊，國(guó)產(chǎn)品牌產(chǎn)品功率范圍多在5kW以內(nèi)，技術(shù)路線上與日系產(chǎn)品接近，目前總市場(chǎng)占有率在10%左右。例如，上海新時(shí)達(dá)電氣股份有限公司是專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)銷售工業(yè)控制、傳動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人產(chǎn)品并服務(wù)于全球的高新技術(shù)企業(yè)，創(chuàng)立于1995年。上海新時(shí)達(dá)機(jī)器人有限公司是新時(shí)達(dá)股份全資子

30、公司。2003年新時(shí)達(dá)收購(gòu)了德國(guó)Anton Sigriner Elektronik GmbH公司，秉承德國(guó) Sigriner科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭?chuàng)新理念，不斷追求卓越品質(zhì)，分別在德國(guó)巴伐利亞與中國(guó)上海設(shè)立了研發(fā)中心，把全球領(lǐng)先的德國(guó)機(jī)器人技術(shù)引入中國(guó)。9. 永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)器的概述永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)器主要由控制器和電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成。控制器的核心就是交流電機(jī)控制理論。磁場(chǎng)定向控制理論,也稱為矢量控制理論,是目前交流電機(jī)控制理論中的重要理論。該理論是1971年由國(guó)西門子公司的E.Blaschke和美國(guó)P.C.Custman和A.A.Clark分別獨(dú)立提出的。它改變了此前只能依賴交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模

31、型來(lái)解決問(wèn)題的狀況,證明了交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可以得到極大的改善,甚至超過(guò)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。矢量控制理論的基本思想就是通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將原本高階、強(qiáng)耦合、非線性、多變量的交流電機(jī)模型等效為直流電機(jī)模型,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)。通過(guò)控制定子電流就可以控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,可以得到與直流電機(jī)相媲美的控制性能。矢量控制一開始應(yīng)用在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,后來(lái)被拓展到永磁同步電機(jī)的控制中。事實(shí)上,因?yàn)橥诫姍C(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差頻率電流而且轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化也小,所以永磁同步電機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制。電力電子器件是指可直接用于處理電能的主電路中,實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。自20世紀(jì)50年代末第一只晶閘

32、管問(wèn)世以來(lái),相繼出現(xiàn)了門極可關(guān)斷晶閘管,電力晶體管,電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,絕緣柵雙極晶體管以及MCT,SIT,SITH,IGCT等新型電力電子器件。其中,電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要指金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,。由于驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、開關(guān)速度高、損耗小,所以一般中小功率的交流伺服驅(qū)動(dòng)器中都使用Power MOSFET或IGBT作為電力電子器件。交流伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)與電力電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)密切相關(guān)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器在高靜態(tài)精度和寬動(dòng)態(tài)范圍的伺服系統(tǒng)中廣泛使用,性能上接近直流伺服系統(tǒng),部分指標(biāo)甚至優(yōu)于直流伺服系統(tǒng),且可靠性、易維護(hù)性方面優(yōu)于直流伺服系統(tǒng)。10. 永磁交流伺服系統(tǒng)在

33、仿真機(jī)器人中的應(yīng)用現(xiàn)狀仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的微小型化是該領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,國(guó)外在這方面研究較早,以色列的Elmo Motion Control、美國(guó)的Copley Controls、瑞士的MAXON motor公司都已經(jīng)推出適用于該領(lǐng)域的微小型、輕量化伺服系統(tǒng),并已形成系列產(chǎn)品,在仿人機(jī)器人領(lǐng)域被大量采用。美國(guó)Copley Controls公司的Accelnet系列伺服驅(qū)動(dòng)器采用Freescale公司DSP56F807 16位數(shù)字信號(hào)控制器為主控芯片,該控制器整合了DSP強(qiáng)大的處理能力和微控制器多樣的功能,最高主頻80MHz,使用3.3V單電源供電,片上穩(wěn)壓器可為數(shù)字和模擬電路提供更低的功

34、耗和噪聲。該系列驅(qū)動(dòng)器可用2055V單一直流電源供電,通過(guò)反激變換器產(chǎn)生多路獨(dú)立穩(wěn)壓輸出,采用了平面變壓器,變壓器繞組印制在電路板上,整個(gè)變壓器體積僅為18mm12mm28mm。功率器件使用六個(gè)Fairchild公司SOP-8封裝的分立MOSFET,焊在一塊95mm28mm的鋁基電路板上,鋁基板為外殼的一部分,熱傳導(dǎo)率高、散熱性能好。以色列Elmo Motion Control公司的Whistle系列伺服驅(qū)動(dòng)器采用與Accelnet驅(qū)動(dòng)器相同的主控芯片,通過(guò)進(jìn)一步的精簡(jiǎn)和優(yōu)化,大量使用BGA封裝等微型貼片元器件,Whistle驅(qū)動(dòng)器在更小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了更高的持續(xù)功率輸出。該驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有使用反激變換器,而是采用多個(gè)Buck降壓電路級(jí)聯(lián)的形式來(lái)獲得12V,