高端智能伺服驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)研究

趙炫弟 劉興惠 李至立

摘要：自2008年以來，中國的工業(yè)機器人需求量激增，主要以進口為主，國產(chǎn)機器人受電控系統(tǒng)的制約發(fā)展較為緩慢。交流伺服系統(tǒng)是電控系統(tǒng)的重要組成部分，是機器人實現(xiàn)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)運動的必要途徑。該研究通過自主知識創(chuàng)新，在智能控制關(guān)鍵技術(shù)上進行突破，最終實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)機器人用智能驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)突破，滿足國內(nèi)機器人行業(yè)發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：交流伺服系統(tǒng);智能控制;智能驅(qū)動系統(tǒng)

中圖分類號：TP242? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）07-0142-04

Research on High-end Intelligent Servo Drive System Technology

ZHAO Xuandi1，LIU Xinghui2，LI Zhili2

（1.Yantai Engineering & Technology College，Yantai? 264006，China;

2.Shandong Vheng Data Technology Co.，Ltd.，Yantai? 264003，China）

Abstract：Since 2008，the demand for industrial robots in China is surging，which are mainly imported. The development of domestic robots is slow due to the restriction of electronic control system. AC servo system is an important part of electronic control system，it is a necessary way for robot to realize accurate positioning and accurate movement. Through independent knowledge innovation，this study makes a breakthrough in the key technologies of intelligent control，and finally achieves a technological breakthrough in the intelligent driving system for domestic robots with independent intellectual property rights，so as to meet the needs of the development of the domestic robot industry.

Keywords：AC servo system;intelligent control;intelligent drive system

收稿日期：2021-03-09

課題項目：煙臺市校地融合發(fā)展項目（2019 XDRHXMPT17）

0? 引? 言

世界工業(yè)機器人領(lǐng)域當(dāng)前呈現(xiàn)出美國、日本、歐盟固有優(yōu)勢明顯，中國迎頭趕上并潛力巨大的基本格局。美國、日本和歐洲國家由于其早期專利優(yōu)勢，在工業(yè)機器人領(lǐng)域發(fā)展居于全球領(lǐng)先地位[1]。近十年工業(yè)機器人的技術(shù)水平取得了驚人的進步，傳統(tǒng)的功能性機器人技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，各國正在致力于研發(fā)具有自主能力的擬人化智能機器人。我國機器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但是發(fā)展迅速。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015年，我國的機器人研發(fā)與生產(chǎn)企業(yè)達到200多家，之后每年都以成倍增長的勢態(tài)井噴式發(fā)展[2]。機器人采用伺服驅(qū)動器作為其三大核心部件之一，也取得了突飛猛進的發(fā)展，伴隨著科研院所以及上產(chǎn)企業(yè)的科研人員不懈的努力，很多國產(chǎn)伺服驅(qū)動產(chǎn)品已經(jīng)完全可以替代進口產(chǎn)品并在數(shù)控機床等領(lǐng)域大范圍應(yīng)用。我國在伺服控制領(lǐng)域起步較晚，與國外同行在技術(shù)上和市場份額上差距顯著[3]。但目前國產(chǎn)伺服在機械手領(lǐng)域的應(yīng)用存在電機體積大、輸出力矩小;驅(qū)動系統(tǒng)運行精度差、響應(yīng)慢;缺少工業(yè)總線;不具備自動化參數(shù)調(diào)整以及系統(tǒng)狀態(tài)識別能力;不具備抑制機械共振的能力等難點，相對國外來說，仍存在一定的差距，這一現(xiàn)象，在機器人用高端智能伺服驅(qū)動器領(lǐng)域尤其明顯。2018年國產(chǎn)工業(yè)機器人用伺服系統(tǒng)市場占比約10%，絕大部分市場份額仍由外資占據(jù)[4]，必須持續(xù)提高伺服驅(qū)動器性能及可靠性，才能使我國的工業(yè)機器人技術(shù)水平和市場份額不斷提高。

因此，對高端智能伺服系統(tǒng)技術(shù)進行全方位、深層次的研究，可以為機器人用高端智能伺服驅(qū)動器的發(fā)展提供支持與保障。

1? 高端智能伺服驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)研究

高端智能伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有三個方面的特點：專用伺服驅(qū)動平臺、專用電機內(nèi)核模型以及專用控制數(shù)據(jù)庫。其中：針對機器人行業(yè)的特點，專用伺服驅(qū)動平臺需要具有高響應(yīng)速度、大功率密度以及高定位精度等特點。專用電機內(nèi)核模型是針對控制理論而言，這也是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心點。最后，專用控制數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的強力補充，通過收集與分析專業(yè)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確定位與優(yōu)化各種加工工藝實現(xiàn)機器人應(yīng)用效果的擴充。

1.1? 專用伺服驅(qū)動平臺

1.1.1? 高響應(yīng)頻率

響應(yīng)頻率用來衡量驅(qū)動系統(tǒng)對于執(zhí)行指令的響應(yīng)能力，反應(yīng)伺服系統(tǒng)跟蹤的快速性。通常情況下，系統(tǒng)通過提高硬件的響應(yīng)速度以及降低電機的轉(zhuǎn)動慣量來提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但是提高硬件性能的同時會嚴(yán)重增加系統(tǒng)的成本投入，并且在使用高端系統(tǒng)的過程中還面臨供貨不穩(wěn)定等因素。因此可通過優(yōu)化系統(tǒng)的控制環(huán)的設(shè)計，來提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，解決伺服常規(guī)反饋的運算效率，并通過增加系統(tǒng)預(yù)判觀測器來實現(xiàn)系統(tǒng)的自主判斷以及對于各種狀態(tài)的預(yù)處理工作，進而達到提升系統(tǒng)響應(yīng)速度的目的[5]。

本研究的重點之一是通過系統(tǒng)預(yù)判觀測器來配合前饋環(huán)節(jié)，如圖1所示，最終在不增加系統(tǒng)總成本的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)反應(yīng)速度的提高。

其中通過增加力矩觀測器實現(xiàn)電流環(huán)對于電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)極限狀態(tài)時的狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)判以及施加相應(yīng)的與處理方案，從而控制伺服系統(tǒng)一直維持在合理的控制區(qū)間，實現(xiàn)對于伺服系統(tǒng)精準(zhǔn)、合理以及有效的控制，達到提高伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度的最終目的。這一核心方法的部分控制策略已經(jīng)通過專利“交流同步伺服驅(qū)動器及其控制算法”，以及“電機堵轉(zhuǎn)保護控制方法”等方式進行了保護與說明。

1.1.2? 大功率密度

本研究從驅(qū)動器散熱著手，通過三方面手段來增大驅(qū)動器的功率密度：

（1）通過軟件優(yōu)化系統(tǒng)的運行效果，盡可能降低驅(qū)動器在運行過程中的雜波以及PWM波形中的小脈沖波形，在不降低載波頻率的前提下降低功率管的無用開關(guān)頻次。

（2）優(yōu)化硬件電路設(shè)計的可靠性，降低冗余電路或嵌套保護電路。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)散熱系統(tǒng)設(shè)計，兼顧常規(guī)散熱要求，在不增加總材料用量的前提下，優(yōu)化散熱片外形。

（4）采用CAD等軟件優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過部分軟件自帶的熱源分析功能將功耗大的原件采用分布排列，加快熱量散布效果。

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低電機內(nèi)部的熱量聚集，加快空氣流通，來增大電機功率密度。除了對電機和驅(qū)動器做獨立調(diào)整之外，還需要通過合理的優(yōu)化驅(qū)動與電機的匹配，使兩者各自發(fā)揮出其最大的優(yōu)勢。優(yōu)化公式為：

參數(shù)傳遞如圖2所示。

1.1.3? 高定位精度

機器人系統(tǒng)對于定位精度要求極高，通常情況下機器人的重復(fù)定位精度可達±0.01 mm，結(jié)合六關(guān)節(jié)機器人的整體特點，單個伺服系統(tǒng)的定位精度至少要達到±0.001 7 mm。

在驅(qū)動器方面從控制算法和結(jié)構(gòu)等方面入手，通過控制并調(diào)整電機電氣公式的電氣參數(shù)（電流、電壓），達成對電機的控制，重點針對機械手行業(yè)需要的高響應(yīng)速度，間歇工作方式以及高功率密度等特點，設(shè)計適合機械手行業(yè)的緊湊型具有高過載能力的伺服驅(qū)動器，同時結(jié)合目標(biāo)機械的特點引入具有降低和抑制機械固有振動頻率的陷波濾波器，解決機械手因為機械共振等低頻和超低頻系統(tǒng)震動，有效地降低機械手末端抖動。電機電氣公式為：

驅(qū)動器還引入電機參數(shù)自識別功能、系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量自識別功能和驅(qū)動器參數(shù)自整定功能，有意識的提升驅(qū)動器與電機以及系統(tǒng)的自動化匹配能力，實現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)控制方案。

1.1.4? 實驗方法

本次研究集合伺服驅(qū)動以及電機中的各種信號設(shè)計一款專用檢測儀器，其收集驅(qū)動器電流傳感器信號，結(jié)合MCU對于電流環(huán)指令信息合成驅(qū)動指令信號。通過接受伺服電機編碼器信號，并進行解碼形成轉(zhuǎn)速信號。通過對比兩者的相位差最終獲得準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)，如圖3所示。

1.2? 專用電機內(nèi)核模型

國產(chǎn)伺服驅(qū)動器沒有專屬的匹配伺服電機，為更好地實現(xiàn)驅(qū)動與電機的兼容，需要針對不同電機設(shè)計一套具有智能數(shù)據(jù)采集與保護的伺服電機內(nèi)核，其可以自動收集電機穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)并使其融合到電機模型中。另一方面需要對驅(qū)動器內(nèi)的電機模型做合理的優(yōu)化，并對相關(guān)數(shù)據(jù)做合理的模糊，進而使驅(qū)動器可以更好地兼容不同的電機。再次，降低電機控制過程中出現(xiàn)的極端現(xiàn)象，如過載、堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。所以需要針對電機控制過程中各種可能出現(xiàn)的極端現(xiàn)象進行智能保護，將電機的運行狀態(tài)始終限制在可控范圍以內(nèi)。

1.2.1? 智能保護

當(dāng)電機運行中出現(xiàn)極端運行狀況時，驅(qū)動器的控制系統(tǒng)會啟動保護機制用以保護電機以及驅(qū)動器不受傷害。本研究重點關(guān)注伺服系統(tǒng)的“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)，通過增加智能控制策略來實現(xiàn)以下功能：

（1）提前預(yù)判堵轉(zhuǎn)可能出現(xiàn)的時機，為驅(qū)動器的后續(xù)控制提供指引;

（2）設(shè)計堵轉(zhuǎn)控制機制，使驅(qū)動器在電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)后持續(xù)控制電機，直至堵轉(zhuǎn)顯效消除，或者催生系統(tǒng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)報警，進而完全停機。

1.2.2? 動態(tài)調(diào)速特性與實驗方法

穩(wěn)定性用來表示伺服系統(tǒng)抵抗轉(zhuǎn)矩負載擾動的能力，是判定伺服驅(qū)動系統(tǒng)品質(zhì)好壞的主要指標(biāo)，一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中突加階躍負載F后的動態(tài)過程作為典型的擾動過程[6]。穩(wěn)定性通過動態(tài)速降和恢復(fù)時間來評價。突加負載的時間響應(yīng)曲線如圖4所示。

實驗方法：計算伺服系統(tǒng)在空載、0.5倍額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，然后突加0.5倍額定轉(zhuǎn)矩負載，找到轉(zhuǎn)速最大降落值Δnmax，按動態(tài)速降計算公式（式3）計算動態(tài)降落，nw1表示原穩(wěn)態(tài)值，要求動態(tài)速降小于5%。

ΔZ（%）=Δnmax/nw1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

跟隨性表示在給定信號變化作用下伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出量的變化情況，一般由上升時間tr、超調(diào)量σ、調(diào)節(jié)時間ts來表示[6]。

實驗方法[6]：空載零轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運行伺服系統(tǒng)，根據(jù)超調(diào)量計算公式（式4），計算出上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間，在EuraDA軟件環(huán)境下觀察參數(shù)和圖像，進行調(diào)整，重復(fù)測試，要求上升時間小于30 ms，超調(diào)量小于2%，調(diào)節(jié)時間小于25 ms。

δ（%）=（nmax-nw）/nw×100%? ? ? ? ? ? ? （4）

1.3? 專用控制數(shù)據(jù)庫

一套優(yōu)秀的機械手系統(tǒng)除了需要高精密度的執(zhí)行機構(gòu)外，還需要有一套針對專用工況的專用數(shù)據(jù)庫，用于針對行業(yè)特殊需求進行相應(yīng)的優(yōu)化處理。本研究使用國際最新的串行通信接口，使通信速率達到1 Mbit/s，進而可以為組建驅(qū)動系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺提供硬件支撐。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集分為兩部分，第一部分，集中在極端狀態(tài)下驅(qū)動系統(tǒng)與電機的電流數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)，通過整合每一次極端數(shù)據(jù)的采集，逐漸修正伺服系統(tǒng)應(yīng)對極端問題的處理方式，最終選擇出最優(yōu)的解決方案。第二部分，是驅(qū)動系統(tǒng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且將其與系統(tǒng)參數(shù)結(jié)合，通過對比多組數(shù)據(jù)來選擇最優(yōu)的控制模式，達到驅(qū)動器智能控制的目的。

2? 結(jié)? 論

本研究結(jié)合國產(chǎn)伺服系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中面臨的問題，結(jié)合特定的工藝，通過技術(shù)突破，特別是結(jié)構(gòu)優(yōu)化與系統(tǒng)控制理論的突破重點，解決在不增加太多成本的前提下，結(jié)合現(xiàn)有的工藝與生產(chǎn)條件，針對國產(chǎn)機器人對于高端伺服產(chǎn)品的功能要求，優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)，分別解決功率密度、響應(yīng)頻率等涉及伺服驅(qū)動系統(tǒng)的核心技術(shù)，在掌握自主知識產(chǎn)權(quán)的前提下有效地提升了國產(chǎn)伺服驅(qū)動器的品質(zhì)效果，摸索出一條自主創(chuàng)新的可行的技術(shù)發(fā)展之路，最終推動國產(chǎn)高端智能伺服驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)突破。

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作者簡介：趙炫弟（1979—），男，漢族，山東青島人，高級工程師，博士研究生，研究方向：自動控制理論、高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng);劉興惠（1985—），男，漢族，山東濱州人，總經(jīng)理，碩士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析;李至立（1988—），男，漢族，山東濟寧人，中級工程師，碩士，研究方向：大規(guī)模數(shù)據(jù)分析、分布式存儲與分析、商務(wù)智能等。