高端智能伺服驅動系統技術研究

趙炫弟 劉興惠 李至立

摘要：自2008年以來，中國的工業機器人需求量激增，主要以進口為主，國產機器人受電控系統的制約發展較為緩慢。交流伺服系統是電控系統的重要組成部分，是機器人實現精準定位、精準運動的必要途徑。該研究通過自主知識創新，在智能控制關鍵技術上進行突破，最終實現具有自主知識產權的國產機器人用智能驅動系統的技術突破，滿足國內機器人行業發展的需要。

關鍵詞：交流伺服系統;智能控制;智能驅動系統

中圖分類號：TP242? ? ? ?文獻標識碼：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：煙臺市校地融合發展項目（2019 XDRHXMPT17）

0? 引? 言

世界工業機器人領域當前呈現出美國、日本、歐盟固有優勢明顯，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勢，在工業機器人領域發展居于全球領先地位[1]。近十年工業機器人的技術水平取得了驚人的進步，傳統的功能性機器人技術已經趨于成熟，各國正在致力于研發具有自主能力的擬人化智能機器人。我國機器人產業起步較晚，但是發展迅速。據不完全統計，2015年，我國的機器人研發與生產企業達到200多家，之后每年都以成倍增長的勢態井噴式發展[2]。機器人采用伺服驅動器作為其三大核心部件之一，也取得了突飛猛進的發展，伴隨著科研院所以及上產企業的科研人員不懈的努力，很多國產伺服驅動產品已經完全可以替代進口產品并在數控機床等領域大范圍應用。我國在伺服控制領域起步較晚，與國外同行在技術上和市場份額上差距顯著[3]。但目前國產伺服在機械手領域的應用存在電機體積大、輸出力矩小;驅動系統運行精度差、響應慢;缺少工業總線;不具備自動化參數調整以及系統狀態識別能力;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，這一現象，在機器人用高端智能伺服驅動器領域尤其明顯。2018年國產工業機器人用伺服系統市場占比約10%，絕大部分市場份額仍由外資占據[4]，必須持續提高伺服驅動器性能及可靠性，才能使我國的工業機器人技術水平和市場份額不斷提高。

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

1? 高端智能伺服驅動系統技術研究

高端智能伺服驅動系統具有三個方面的特點：專用伺服驅動平臺、專用電機內核模型以及專用控制數據庫。其中：針對機器人行業的特點，專用伺服驅動平臺需要具有高響應速度、大功率密度以及高定位精度等特點。專用電機內核模型是針對控制理論而言，這也是具有自主知識產權的核心點。最后，專用控制數據庫作為系統的強力補充，通過收集與分析專業數據，可以準確定位與優化各種加工工藝實現機器人應用效果的擴充。

1.1? 專用伺服驅動平臺

1.1.1? 高響應頻率

響應頻率用來衡量驅動系統對于執行指令的響應能力，反應伺服系統跟蹤的快速性。通常情況下，系統通過提高硬件的響應速度以及降低電機的轉動慣量來提升系統的響應速度，但是提高硬件性能的同時會嚴重增加系統的成本投入，并且在使用高端系統的過程中還面臨供貨不穩定等因素。因此可通過優化系統的控制環的設計，來提升系統的響應速度，解決伺服常規反饋的運算效率，并通過增加系統預判觀測器來實現系統的自主判斷以及對于各種狀態的預處理工作，進而達到提升系統響應速度的目的[5]。

本研究的重點之一是通過系統預判觀測器來配合前饋環節，如圖1所示，最終在不增加系統總成本的前提下實現系統反應速度的提高。

其中通過增加力矩觀測器實現電流環對于電機轉矩出現極限狀態時的狀態監控與預判以及施加相應的與處理方案，從而控制伺服系統一直維持在合理的控制區間，實現對于伺服系統精準、合理以及有效的控制，達到提高伺服系統響應速度的最終目的。這一核心方法的部分控制策略已經通過專利“交流同步伺服驅動器及其控制算法”，以及“電機堵轉保護控制方法”等方式進行了保護與說明。

1.1.2? 大功率密度

本研究從驅動器散熱著手，通過三方面手段來增大驅動器的功率密度：

（1）通過軟件優化系統的運行效果，盡可能降低驅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頻次。

（2）優化硬件電路設計的可靠性，降低冗余電路或嵌套保護電路。

（3）優化系統散熱系統設計，兼顧常規散熱要求，在不增加總材料用量的前提下，優化散熱片外形。

（4）采用CAD等軟件優化系統的結構設計，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。

通過結構設計降低電機內部的熱量聚集，加快空氣流通，來增大電機功率密度。除了對電機和驅動器做獨立調整之外，還需要通過合理的優化驅動與電機的匹配，使兩者各自發揮出其最大的優勢。優化公式為：

參數傳遞如圖2所示。

1.1.3? 高定位精度

機器人系統對于定位精度要求極高，通常情況下機器人的重復定位精度可達±0.01 mm，結合六關節機器人的整體特點，單個伺服系統的定位精度至少要達到±0.001 7 mm。

在驅動器方面從控制算法和結構等方面入手，通過控制并調整電機電氣公式的電氣參數（電流、電壓），達成對電機的控制，重點針對機械手行業需要的高響應速度，間歇工作方式以及高功率密度等特點，設計適合機械手行業的緊湊型具有高過載能力的伺服驅動器，同時結合目標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震動，有效地降低機械手末端抖動。電機電氣公式為：

驅動器還引入電機參數自識別功能、系統轉動慣量自識別功能和驅動器參數自整定功能，有意識的提升驅動器與電機以及系統的自動化匹配能力，實現最優系統控制方案。

1.1.4? 實驗方法

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

1.2? 專用電機內核模型

國產伺服驅動器沒有專屬的匹配伺服電機，為更好地實現驅動與電機的兼容，需要針對不同電機設計一套具有智能數據采集與保護的伺服電機內核，其可以自動收集電機穩態數據并使其融合到電機模型中。另一方面需要對驅動器內的電機模型做合理的優化，并對相關數據做合理的模糊，進而使驅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的極端現象，如過載、堵轉等現象。所以需要針對電機控制過程中各種可能出現的極端現象進行智能保護，將電機的運行狀態始終限制在可控范圍以內。

1.2.1? 智能保護

當電機運行中出現極端運行狀況時，驅動器的控制系統會啟動保護機制用以保護電機以及驅動器不受傷害。本研究重點關注伺服系統的“堵轉”狀態，通過增加智能控制策略來實現以下功能：

（1）提前預判堵轉可能出現的時機，為驅動器的后續控制提供指引;

（2）設計堵轉控制機制，使驅動器在電機發生堵轉后持續控制電機，直至堵轉顯效消除，或者催生系統發生堵轉報警，進而完全停機。

1.2.2? 動態調速特性與實驗方法

穩定性用來表示伺服系統抵抗轉矩負載擾動的能力，是判定伺服驅動系統品質好壞的主要指標，一般以系統穩定運行中突加階躍負載F后的動態過程作為典型的擾動過程[6]。穩定性通過動態速降和恢復時間來評價。突加負載的時間響應曲線如圖4所示。

實驗方法：計算伺服系統在空載、0.5倍額定轉速下穩定運行時的穩態轉速，然后突加0.5倍額定轉矩負載，找到轉速最大降落值Δnmax，按動態速降計算公式（式3）計算動態降落，nw1表示原穩態值，要求動態速降小于5%。

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

跟隨性表示在給定信號變化作用下伺服系統的轉速輸出量的變化情況，一般由上升時間tr、超調量σ、調節時間ts來表示[6]。

實驗方法[6]：空載零轉速狀態下運行伺服系統，根據超調量計算公式（式4），計算出上升時間、超調量、調節時間，在EuraDA軟件環境下觀察參數和圖像，進行調整，重復測試，要求上升時間小于30 ms，超調量小于2%，調節時間小于25 ms。

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

1.3? 專用控制數據庫

一套優秀的機械手系統除了需要高精密度的執行機構外，還需要有一套針對專用工況的專用數據庫，用于針對行業特殊需求進行相應的優化處理。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，進而可以為組建驅動系統的大數據平臺提供硬件支撐。

系統數據的收集分為兩部分，第一部分，集中在極端狀態下驅動系統與電機的電流數據與位置數據，通過整合每一次極端數據的采集，逐漸修正伺服系統應對極端問題的處理方式，最終選擇出最優的解決方案。第二部分，是驅動系統的運行狀態數據，并且將其與系統參數結合，通過對比多組數據來選擇最優的控制模式，達到驅動器智能控制的目的。

2? 結? 論

本研究結合國產伺服系統在實際應用過程中面臨的問題，結合特定的工藝，通過技術突破，特別是結構優化與系統控制理論的突破重點，解決在不增加太多成本的前提下，結合現有的工藝與生產條件，針對國產機器人對于高端伺服產品的功能要求，優化現有系統，分別解決功率密度、響應頻率等涉及伺服驅動系統的核心技術，在掌握自主知識產權的前提下有效地提升了國產伺服驅動器的品質效果，摸索出一條自主創新的可行的技術發展之路，最終推動國產高端智能伺服驅動系統的技術突破。

參考文獻：

[1] 桂圓圓，翟俊萌.工業機器人發展現狀與發展趨勢 [J].科技風，2020（21）：11.

[2] 高云峰，呂明睿，周倫，等.一種五自由度混聯機器人運動學分析 [J].哈爾濱工業大學學報，2014，46（7）：1-7.

[3] 陳銪旭.機器人用永磁同步電機伺服系統設計 [D].南京：東南大學，2018.

[4] 工業機器人發展現狀及分析 [J].電器工業，2020（4）：22-30.

[5] ZHAO X，CORDA J，MEI T. Analysis of the effect of asymmetrical phase parameters in a 3-phase permanent magnet synchronous motor [C]//The XIX International Conference on Electrical Machines—ICEM 2010.Rome：IEEE，2010：1-6.

[6] 高東林.交流伺服動態測試系統軟件設計與實現 [D].沈陽：中國科學院研究生院（沈陽計算技術研究所），2008.

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、高性能伺服驅動系統;劉興惠（1985—），男，漢族，山東濱州人，總經理，碩士，研究方向：大數據分析;李至立（1988—），男，漢族，山東濟寧人，中級工程師，碩士，研究方向：大規模數據分析、分布式存儲與分析、商務智能等。