新起点:伺服系统迈向微小型、智能化

文:哈尔滨工业大学 杨明教授2023年第三期

  无论是在学术界,还是工业界,人们对于伺服系统的追求目标始终集中在三个方面,即:高频响、高刚度、高精度。而随着面向未来的人形机器人这一创新技术的出现,伺服系统的发展又呈现出高功率密度、高智能化、高效率等特点,其中的高功率密度不仅仅指的是高体积密度,还包括高质量密度等;智能化指的是参数自整定、免调试以及智能健康运维等功能。因此,以微小型、智能化为一个新的起点,伺服不再只是一个简单的执行机构,而是作为一个智能型的执行部件,能够自动地进行系统故障诊断、维护、报警等功能。

  从伺服的嵌套式结构来看,电流环位于伺服系统的内环,也是制约整个系统高频响、高带宽的一个重要因素,只有将电流环的频响拓展上去之后,才能在位置环、速度环的带宽上得到本质上的提高,同时也可以提高抗扰能力。电流环带宽频响追求的目标与PWM开关频率有关,现阶段的发展是:假设PWM开关频率为10kHz,常规伺服的频率响应一般可做到1kHz;高品质伺服的频率响应可做到1.6kHz;而世界顶级的伺服驱动器加上其特有的带宽拓展技术以及前馈补偿技术,则频率响应可达到2kHz以上。另外,在参数设置方面,结合死区补偿方法、电机本体参数一键辨识以及电流环参数自整定等技术,目前一些欧美、日系品牌驱动器可以通过不同电机自动匹配电流环参数,增强系统的自组织、自整定能力,大幅提高了伺服驱动器的普适性,也减轻了厂商售后服务和机器调试的工作量。

  在集成化发展上,我们注意到,从目前工业机器人、协作机器人的开发情况来看,驱控一体化结构已经从一种趋势发展成为一种现状,驱控一体化的机器人比例会越来越高,并形成市场主流,这样的一个好处是,以六轴机器人为例,控制柜的尺寸大小甚至可以缩小至原来的20%。另一方面,在All-in-One电机与驱动器的集成中,目前主要应用于分布式多轴驱动或总线集成度较高的系统中,可帮助用户提高效率、降低成本,但同时对于驱动器的散热性能和耐高温能力也提出了较高的要求;并且我们也看到了一些将电机、减速器、驱动器整合于一体形成一整套模组的产品方案。

  在伺服行业标准建设方面,目前正汇集业内各方专业人士对上一版的《GB/T 16439-2009交流伺服系统通用技术条件》(2009年)进行再次修订,大家提出了很多有益的建议,例如:在2009年版本中只规定了电流环、速度环的技术条件和测试方法,现在需要修订和补充位置环的相关内容;此外,一些关键的性能指标,如:惯量适用范围、惯量辨识、定位精度/定位时间的校准方式、参数自整定、机械谐振的自动抑制等等,都需要做进一步的细化,增加可操作性和可执行性。近些年,中国伺服行业的高速成长有目共睹,原先技术标准中的很多内容已远远落后于行业发展和市场需求,迫切要求伺服系统的标准建设也要能够及时跟上行业前进的步伐以及技术趋势的先进性。

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