新起點:伺服系統邁向微小型、智能化

文:哈爾濱工業大學 楊明教授2023年第三期

  無論是在學術界,還是工業界,人們對于伺服系統的追求目標始終集中在三個方面,即:高頻響、高剛度、高精度。而隨著面向未來的人形機器人這一創新技術的出現,伺服系統的發展又呈現出高功率密度、高智能化、高效率等特點,其中的高功率密度不僅僅指的是高體積密度,還包括高質量密度等;智能化指的是參數自整定、免調試以及智能健康運維等功能。因此,以微小型、智能化為一個新的起點,伺服不再只是一個簡單的執行機構,而是作為一個智能型的執行部件,能夠自動地進行系統故障診斷、維護、報警等功能。

  從伺服的嵌套式結構來看,電流環位于伺服系統的內環,也是制約整個系統高頻響、高帶寬的一個重要因素,只有將電流環的頻響拓展上去之后,才能在位置環、速度環的帶寬上得到本質上的提高,同時也可以提高抗擾能力。電流環帶寬頻響追求的目標與PWM開關頻率有關,現階段的發展是:假設PWM開關頻率為10kHz,常規伺服的頻率響應一般可做到1kHz;高品質伺服的頻率響應可做到1.6kHz;而世界頂級的伺服驅動器加上其特有的帶寬拓展技術以及前饋補償技術,則頻率響應可達到2kHz以上。另外,在參數設置方面,結合死區補償方法、電機本體參數一鍵辨識以及電流環參數自整定等技術,目前一些歐美、日系品牌驅動器可以通過不同電機自動匹配電流環參數,增強系統的自組織、自整定能力,大幅提高了伺服驅動器的普適性,也減輕了廠商售后服務和機器調試的工作量。

  在集成化發展上,我們注意到,從目前工業機器人、協作機器人的開發情況來看,驅控一體化結構已經從一種趨勢發展成為一種現狀,驅控一體化的機器人比例會越來越高,并形成市場主流,這樣的一個好處是,以六軸機器人為例,控制柜的尺寸大小甚至可以縮小至原來的20%。另一方面,在All-in-One電機與驅動器的集成中,目前主要應用于分布式多軸驅動或總線集成度較高的系統中,可幫助用戶提高效率、降低成本,但同時對于驅動器的散熱性能和耐高溫能力也提出了較高的要求;并且我們也看到了一些將電機、減速器、驅動器整合于一體形成一整套模組的產品方案。

  在伺服行業標準建設方面,目前正匯集業內各方專業人士對上一版的《GB/T 16439-2009交流伺服系統通用技術條件》(2009年)進行再次修訂,大家提出了很多有益的建議,例如:在2009年版本中只規定了電流環、速度環的技術條件和測試方法,現在需要修訂和補充位置環的相關內容;此外,一些關鍵的性能指標,如:慣量適用范圍、慣量辨識、定位精度/定位時間的校準方式、參數自整定、機械諧振的自動抑制等等,都需要做進一步的細化,增加可操作性和可執行性。近些年,中國伺服行業的高速成長有目共睹,原先技術標準中的很多內容已遠遠落后于行業發展和市場需求,迫切要求伺服系統的標準建設也要能夠及時跟上行業前進的步伐以及技術趨勢的先進性。

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