湯小平 王健

工業(yè)機器人先進伺服系統(tǒng)技術(shù)特點及應(yīng)用

湯小平 王健

湯小平，清華大學電機工程及應(yīng)用電子技術(shù)系電氣自動化專業(yè)學士，珠海泰坦電氣技術(shù)有限公司9年高頻開關(guān)電源技術(shù)研發(fā)和管理經(jīng)歷，北京索英電氣技術(shù)有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人，清能德創(chuàng)電氣技術(shù)（北京）有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人。本人在開關(guān)電源、新能源、工業(yè)節(jié)能、工業(yè)自動化等領(lǐng)域具有20年從業(yè)經(jīng)驗，對工業(yè)產(chǎn)品的市場、銷售、服務(wù)等方面具有深刻的理解及實踐。

工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)作為自動化裝備的核心，除滿足一定的運行性能，穩(wěn)定可靠，價格合理，還需要進行全面的產(chǎn)品生命周期管理，進行一定程度的功能集成，具備工業(yè)以太網(wǎng)通信功能，具備一定的能效管理及信息安全功能，其系統(tǒng)搭建需使用高水平的平臺軟件以滿足架構(gòu)性能和可移植性，其軟硬件設(shè)計也須符合國際標準和規(guī)范。

工業(yè)機器人先進伺服系統(tǒng)首先要滿足當今主流工業(yè)機器人的主要性能指標，通常包括負荷范圍、運動范圍、精度（重復定位精度、重復軌跡精度）、速度（最大單軸速度、位置穩(wěn)定時間）、穩(wěn)定性等。此外，工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)的特點還表現(xiàn)在以下幾個方面。

1　功能

功能性的變化是產(chǎn)品實現(xiàn)差異化的重要方式。隨著核心處理芯片和軟件能力的提高，工業(yè)機器人伺服系統(tǒng)在人機工程、安全性、智能性等方面增加了特色。

1） 和通用化產(chǎn)品相比，最大限度地簡化操作，用智能化軟件提高易用性，追求簡潔的外觀和簡潔的操作界面，這已成為一種潮流。比如，通用伺服一般都通過前面板操作及LED顯示，進行人機交互，直觀性差，操作復雜，修改參數(shù)一般需要參照說明書。工業(yè)機器人先進伺服系統(tǒng)對接口及人際交互進行了簡化，取消了面板操作和顯示，利用通信總線，在控制器或工控機端，通過專用的伺服控制軟件對伺服進行控制和對狀態(tài)進行顯示，顯示的信息量大。同時，結(jié)合系統(tǒng)示意圖等方式，伺服狀態(tài)的顯示和控制非常直觀。

2） 在控制接口功能方面，常規(guī)的脈沖串和模擬量接口將逐步消失，代之以數(shù)字化串行網(wǎng)絡(luò)接口。RS485/ Modbus正在淡出，CAN總線成為中低端標準接口，其他各種現(xiàn)場總線將逐漸為高性能工業(yè)以太網(wǎng)取代。

3） 對各種第三方編碼器的支持。作為一個開放的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，支持的編碼器類型越多，可替換電機也就越多，系統(tǒng)就越靈活，客戶使用起來也就越方便。

4） 驅(qū)動器內(nèi)置的保護功能將更加完善，對內(nèi)部電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力的測量也不再僅僅用于關(guān)鍵時刻的保護，而更多用于預測性維護、診斷和功能安全等用途，以最大限度減少停機時間，提高生產(chǎn)率。

2　安全

安全集成驅(qū)動已經(jīng)成為國外先進伺服系統(tǒng)的標準配置，區(qū)別只是集成了多少個安全功能，以及是否可選。關(guān)于安全驅(qū)動的例子可以在西門子、博士力士樂、倍福、Lenze、包米樂等許多歐洲公司產(chǎn)品上見到，最近日本公司的個別產(chǎn)品也開始提供基本的安全功能，比如安全轉(zhuǎn)矩截止（STO）。

對大多數(shù)國內(nèi)廠商來說，安全似乎還沒有提上日程。就安全技術(shù)領(lǐng)域而言，驅(qū)動的安全性已經(jīng)從機械安全和電氣安全的階段，走向功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全。在安全上率先發(fā)力的公司將贏得理念和市場的領(lǐng)先。例如：清能德創(chuàng)的A8及R系列伺服支持STO、SS1、SS2、SBC等安全功能。

3　能效

對機器人伺服系統(tǒng)來說，能效已經(jīng)是必須不斷得到提高的關(guān)鍵指標,其中電機本體的高效化早已被大家所熟識，但一系列研究表明，采用高效部件（電機、新型器件等）及提高控制性能固然重要，但系統(tǒng)級能效優(yōu)化更加重要。

相對于在驅(qū)動器內(nèi)置或外部加裝制動電阻進行制動能量消耗，目前采用有源前端技術(shù)對制動能量進行回收是節(jié)能的重要途徑。

工業(yè)機器人一般擁有4-8個驅(qū)動軸，而且他們有著不同的加減速運動規(guī)律，共直流母線是一種很好的節(jié)能方案。我們可以把處于減速制動狀態(tài)的電機的再生能量通過母線傳遞給其他處于加速狀態(tài)的電機，從而減少對電網(wǎng)功率的吸收。

并聯(lián)型驅(qū)動在歐洲廠家產(chǎn)品中經(jīng)常見到，而日本廠家多為單軸型驅(qū)動，只有安川和發(fā)那科等公司為機床和機器人應(yīng)用開發(fā)了并聯(lián)型驅(qū)動。而國內(nèi)廠商，迄今為止，只在極少的產(chǎn)品上看到了清晰的并聯(lián)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)能效管理的理念。清能德創(chuàng)的A8系列伺服驅(qū)動器擁有系統(tǒng)能效管理技術(shù)，可進行網(wǎng)絡(luò)能效管理，實現(xiàn)不同的節(jié)能模式。

4　網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在提升工業(yè)機器人交流伺服系統(tǒng)的高性能方面起到了舉足輕重的作用。低速串行網(wǎng)絡(luò)如RS485和Modbus適用于離線參數(shù)配置和軟件編程。中速現(xiàn)場總線（1~16Mbit/s）如CAN、Profibus-DP可以用于多軸實時控制的指令給定。只有高速實時工業(yè)以太網(wǎng)（100/1000Mbit/s）能夠完成高速高精度的多軸、同步、實時控制，比如日趨流行的Ether CAT/SercosIII/Power Link等。

德國公司Beckhoff推出的EtherCAT近年來發(fā)展勢頭迅猛，成為大多數(shù)高性能驅(qū)動系統(tǒng)首選的網(wǎng)絡(luò)標準。

國際品牌驅(qū)動器普遍采用了高速工業(yè)以太網(wǎng)，同時支持多種現(xiàn)場總線，典型公司如Emerson CT、Lenze等。國內(nèi)廠商在該領(lǐng)域的研究普遍不足，僅僅個別廠家推出商品化的產(chǎn)品，并通過了EtherCAT一致性測試國際認證。清能德創(chuàng)的A8系列伺服是國內(nèi)首家通過EtherCAT一致性認證的產(chǎn)品。

5　智能

軟件工程和控制理論最新的發(fā)展成果，尤其如智能控制技術(shù)，正越來越多地應(yīng)用于機器人中；而機器人現(xiàn)代高性能交流伺服系統(tǒng)也在同時吸收這些技術(shù)，使伺服系統(tǒng)越來越多地具備自學習、自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)、自診斷、自校正等人工智能特性。

1） 針對電流環(huán)采取的各種優(yōu)化控制策略對保障穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)的平衡至關(guān)重要；

2） 自動增益調(diào)整、在線慣量辨識、在線電機參數(shù)辨識等功能有助于減小現(xiàn)場調(diào)試難度、增強伺服系統(tǒng)對環(huán)境和電機參數(shù)時變的適應(yīng)性；

3） 自動振動抑制和軟件陷波濾波器的設(shè)置可減弱甚至消除整個機械傳動鏈的諧振和抖動，提供靜音、平滑、高精度的運行效果；

4） 故障自診斷和可預測性維護的特性能夠有效減少維護成本，提高系統(tǒng)可用性。

5） 對運動控制功能的集成將伺服驅(qū)動器提升到智能伺服控制器的層次，可簡化運動控制系統(tǒng)設(shè)計，提升控制性能。

6　集成

1）機器人伺服系統(tǒng)的集成表現(xiàn)在以下兩個方面。

硬件橫向集成：驅(qū)控硬件一體化，電機驅(qū)動一體化；一體化要求廠商具備整合電機本體和驅(qū)動控制的資源的能力，這對大多數(shù)單純的電機廠或驅(qū)動器廠來說是一種挑戰(zhàn)。

2）信息縱向集成：利用傳感器和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將減速機、電機、編碼器數(shù)據(jù)和驅(qū)動器的數(shù)據(jù)向上傳遞到控制器，甚至是云端。

7　工業(yè)機器人專用伺服驅(qū)動器

工業(yè)機器人軸數(shù)較多,連線也較多,如何減少連線，如何進行快速的安裝,出了故障后如何快速地進行維護，這些對用戶來說都很重要。工業(yè)機器人四大家族，除了安川采用通用伺服的形式外，其他幾家都采用工業(yè)機器人專用伺服。工業(yè)機器人專用伺服系統(tǒng)，從某種程度來說，是集現(xiàn)代先進伺服系統(tǒng)的功能、安全、能效、智能等特點在工業(yè)機器人領(lǐng)域的應(yīng)用，比如簡潔的人機交互界面，具備STO等安全功能，具備EtherCAT等工業(yè)以太網(wǎng)通信接口、具備共直流母線等節(jié)能和能效管理技術(shù)、具備自動增益調(diào)整、在線慣量辨識、自動震動抑制等智能功能。除此之外，工業(yè)機器人專用伺服還具有以下特點。

1）工業(yè)機器人專用伺服，將多個伺服軸集成到一起，對外的接線少，比如動力電輸入，通用伺服可能要4組，或者6組，現(xiàn)在只需要1組，用于通信的工業(yè)以太網(wǎng)總線也在內(nèi)部可靠連接了，對外只需要1個接口，系統(tǒng)連線及接口大大簡化。安裝也非常簡單，原來可能需要安裝6個模塊，現(xiàn)在只需要安裝1個一體化伺服，4顆螺絲搞定。原來可能需要半天進行安裝，現(xiàn)在只需要10分鐘，系統(tǒng)安裝時間大大減少，同時系統(tǒng)維護也非常簡單。

2）工業(yè)機器人專用伺服，采用和配電柜一體的散熱方式，將機柜分成發(fā)熱區(qū)域和工作區(qū)域，降低工作區(qū)域的溫度，這可以提高伺服等處于工作區(qū)域的設(shè)備的壽命及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3）因為機殼、散熱器、電源等都集成為一體化，故工業(yè)機器人伺服大大降低了系統(tǒng)成本，并且體積也減少為通用伺服的50%左右。

8　總結(jié)

清能德創(chuàng)的CoolDrive R系列機器人專用伺服，除具有前述特點外，同時還內(nèi)置多種前饋功能，大幅度提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。比如，具備速度和加速度前饋、力矩前饋等功能。另外，通過高速工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT，可以支持實時在線參數(shù)調(diào)整，可以實時調(diào)整三環(huán)PID參數(shù)，實時調(diào)整負載慣量比參數(shù)，并且多種控制模式可以實時平滑切換。