新起點:伺服系統(tǒng)邁向微小型、智能化
文:哈爾濱工業(yè)大學 楊明教授2023年第三期
無論是在學術界,還是工業(yè)界,人們對于伺服系統(tǒng)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(chuàng)新技術的出現(xiàn),伺服系統(tǒng)的發(fā)展又呈現(xiàn)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(zhì)量密度等;智能化指的是參數(shù)自整定、免調(diào)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(zhí)行機構,而是作為一個智能型的執(zhí)行部件,能夠自動地進行系統(tǒng)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(huán)位于伺服系統(tǒng)的內(nèi)環(huán),也是制約整個系統(tǒng)高頻響、高帶寬的一個重要因素,只有將電流環(huán)的頻響拓展上去之后,才能在位置環(huán)、速度環(huán)的帶寬上得到本質(zhì)上的提高,同時也可以提高抗擾能力。電流環(huán)帶寬頻響追求的目標與PWM開關頻率有關,現(xiàn)階段的發(fā)展是:假設PWM開關頻率為10kHz,常規(guī)伺服的頻率響應一般可做到1kHz;高品質(zhì)伺服的頻率響應可做到1.6kHz;而世界頂級的伺服驅(qū)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(shù)設置方面,結合死區(qū)補償方法、電機本體參數(shù)一鍵辨識以及電流環(huán)參數(shù)自整定等技術,目前一些歐美、日系品牌驅(qū)動器可以通過不同電機自動匹配電流環(huán)參數(shù),增強系統(tǒng)的自組織、自整定能力,大幅提高了伺服驅(qū)動器的普適性,也減輕了廠商售后服務和機器調(diào)試的工作量。
在集成化發(fā)展上,我們注意到,從目前工業(yè)機器人、協(xié)作機器人的開發(fā)情況來看,驅(qū)控一體化結構已經(jīng)從一種趨勢發(fā)展成為一種現(xiàn)狀,驅(qū)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(qū)動器的集成中,目前主要應用于分布式多軸驅(qū)動或總線集成度較高的系統(tǒng)中,可幫助用戶提高效率、降低成本,但同時對于驅(qū)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(qū)動器整合于一體形成一整套模組的產(chǎn)品方案。
在伺服行業(yè)標準建設方面,目前正匯集業(yè)內(nèi)各方專業(yè)人士對上一版的《GB/T 16439-2009交流伺服系統(tǒng)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(guī)定了電流環(huán)、速度環(huán)的技術條件和測試方法,現(xiàn)在需要修訂和補充位置環(huán)的相關內(nèi)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(shù)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(zhí)行性。近些年,中國伺服行業(yè)的高速成長有目共睹,原先技術標準中的很多內(nèi)容已遠遠落后于行業(yè)發(fā)展和市場需求,迫切要求伺服系統(tǒng)的標準建設也要能夠及時跟上行業(yè)前進的步伐以及技術趨勢的先進性。
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