本文整理自“2019智能制造&中國(guó)運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)發(fā)展高峰論壇”上哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院副院長(zhǎng)楊明教授的現(xiàn)場(chǎng)演講。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院副院長(zhǎng)楊明教授

根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的分類，可以把伺服系統(tǒng)大致分為三個(gè)層次：第一層：上位機(jī)-運(yùn)動(dòng)控制，包括PLC；底層是伺服驅(qū)動(dòng)器，以及真正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)。典型的伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)是上位控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器基于脈沖指令和總線通訊的方式。

近年來(lái)，出現(xiàn)了新型模式，即上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制保持不變，把伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)做一體化集成，稱之為ALLinONE，這樣電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的線纜就得到了極大的節(jié)約；與之對(duì)應(yīng)的是，伺服電機(jī)保持不變，運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)做一體化的集成。

這兩種機(jī)構(gòu)的區(qū)別之處在于，傳統(tǒng)模式由于空間相對(duì)分散，上層中央控制器和底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)物理空間比較遠(yuǎn)，而采用ALLinONE方式可以控制幾十臺(tái)上百臺(tái)設(shè)備，使用非常方便；另外，驅(qū)控一體化技術(shù)主要應(yīng)用在對(duì)物理空間要求較高的場(chǎng)合，如工業(yè)機(jī)器人或其他種類機(jī)器人等，采用驅(qū)控一體方式非常有優(yōu)勢(shì)。

驅(qū)控一體化趨勢(shì)

驅(qū)控一體化是把控制器和驅(qū)動(dòng)器集成在一起，其優(yōu)勢(shì)包括：體積小、重量輕、部署靈活、低成本，高可靠性，高性能處理能夠完成復(fù)雜的機(jī)器人算法，通過(guò)共享內(nèi)存?zhèn)鬏敻嗫刂?、狀態(tài)信息，通信速度高達(dá)100M/s；但它的不足之處在于高集成度開(kāi)發(fā)難度較大，以及高集成度系統(tǒng)擴(kuò)展性欠缺，例如機(jī)床八軸以內(nèi)成本的優(yōu)勢(shì)比較明顯，但擴(kuò)展到幾十軸時(shí)優(yōu)勢(shì)則并不顯著，因此適合用于物理空間集成度相對(duì)較高的場(chǎng)合。

目前國(guó)內(nèi)外廠商都已推出了相應(yīng)的驅(qū)控一體化產(chǎn)品（如：固高拿云、眾為興、臺(tái)達(dá)、KUKA等等），大部分廠商驅(qū)控一體化集成技術(shù)采用的是分布式多CPU控制器方式，做到一個(gè)控制板，彼此之間有物理連接的接口。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，分布式CPU方式將朝著整體SoC芯片方案的方向發(fā)展。例如，賽靈思Zynq?-7000是一款高性能SoC（SystemonChip）芯片，其中FPGA核心部分完成多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶寬高、響應(yīng)快；ARM核進(jìn)行高級(jí)算法的實(shí)現(xiàn)和各類通訊及數(shù)據(jù)交互，上位機(jī)軌跡規(guī)劃等功能。

2018年哈工大開(kāi)發(fā)出了小批量驅(qū)控一體化樣機(jī)，一個(gè)芯片可以獨(dú)立控制4-6軸，從標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試報(bào)告來(lái)看，基于工業(yè)以太網(wǎng)，無(wú)論四軸和六軸，所有的信息和控制器全部都可以共聯(lián)，沒(méi)有傳輸延時(shí)，也沒(méi)有通訊協(xié)議的局限。并且在四軸的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，我們統(tǒng)計(jì)了一下利用率，ARM0實(shí)現(xiàn)四軸速度環(huán)位置環(huán)控制，主中斷時(shí)間占比1%，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)四軸并行式硬件電流環(huán)，資源占比60%，沒(méi)有采用流水線結(jié)構(gòu)。

微小型高功率密度驅(qū)動(dòng)器研究

在這一領(lǐng)域基本完全依賴進(jìn)口，特別是以色列的ELMO公司；目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高頻化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究正處于起步階段，哈工大正在積極立項(xiàng)成為國(guó)家重大項(xiàng)目，進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。

微小型高功率密度驅(qū)動(dòng)技術(shù)有賴于新一代半導(dǎo)體器件上的突破，目前主要是碳化硅和氮化鎵，碳化硅適合耐高壓，氮化鎵適合于高頻，特別是200V的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高頻特性。例如效率可以得到明顯的提升，如果用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，開(kāi)關(guān)損耗得到降低達(dá)到99%是完全有可能的，在高速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上，載波比調(diào)至頻率達(dá)到200K，電機(jī)效率得以提高，控制難度得到極大的降低。

安川公司在2017年首次推出了GaN功率半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置型伺服電機(jī)商用產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了高效率化、伺服系統(tǒng)小型化、靜音化、節(jié)能化、省配線等特點(diǎn)。

微小型高功率密度驅(qū)動(dòng)技術(shù)的難點(diǎn)在于：dv/dt和di/dt問(wèn)題，電磁兼容性顯得非常重要，主要會(huì)影響到板間的布線，以及對(duì)寄生參數(shù)的影響；其次是控制器的驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題，包括DSP控制器串行處理數(shù)據(jù)以及FPGA控制器并行處理數(shù)據(jù)。

2018年，我們和美的的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室推出了三款基于氮化鎵的壓縮機(jī)，選用的芯片架構(gòu)一致，我們主要負(fù)責(zé)伺服部分的開(kāi)發(fā)，美的則負(fù)責(zé)壓縮機(jī)部分，從中我們總結(jié)出很多布線和器件選擇上的經(jīng)驗(yàn)，并且在第三款壓縮機(jī)中，dv/dt問(wèn)題得到了很好的解決，電機(jī)的效率有所提升。

綜上所述，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)三者將兩兩組合，構(gòu)成驅(qū)控一體化集成技術(shù)，以及電機(jī)ALLinONE集成方式，特別針對(duì)寬禁帶器件，電機(jī)本身是熱源，放到一起不允許有風(fēng)扇，要解決耐熱問(wèn)題，碳化硅是一個(gè)比較好的選擇，寬禁帶器件具有廣闊的應(yīng)用前景。

伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)評(píng)測(cè)中心

加強(qiáng)伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)測(cè)試技術(shù)的研究和檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)尤為重要，有利于實(shí)現(xiàn)集成評(píng)測(cè)，提供獨(dú)立、公正、客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)。

這里主要說(shuō)一下目前頒布的22項(xiàng)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其中伺服驅(qū)動(dòng)單元性能測(cè)試四項(xiàng)，包括總則和其他的基本性能測(cè)試，還有三項(xiàng)是：三環(huán)帶寬的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)測(cè)準(zhǔn)定的標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)抑制的標(biāo)準(zhǔn)；以及主軸電機(jī)、直線電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等有22項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

哈工大伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)評(píng)測(cè)中心于12月25日正式通過(guò)驗(yàn)收，其中包括25個(gè)測(cè)試平臺(tái)，伺服有8臺(tái)，主軸電機(jī)3臺(tái)。我們的直線電機(jī)測(cè)試平臺(tái)針對(duì)直線電機(jī)速度的不同，設(shè)置了兩種加載形式，一種是直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在低速的時(shí)候加載，高速的時(shí)候采用首創(chuàng)的直線電磁組的形式加載。

另外，力矩電機(jī)測(cè)試平臺(tái)主要的創(chuàng)新點(diǎn)是有效地將電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距實(shí)現(xiàn)了耦合，采用平衡式轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)量方法，克服了對(duì)拖方式帶來(lái)的波動(dòng)轉(zhuǎn)矩耦合問(wèn)題，并采用不同的傳感器，特別是小量程傳感器準(zhǔn)確地測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，可以極大地提高測(cè)試精度。高速主軸電機(jī)的測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了非接觸式加載，傳統(tǒng)機(jī)械式加載的時(shí)候，如果有安裝問(wèn)題，會(huì)造成軸芯的損壞，我們采用非接觸式方式可以大幅提升測(cè)試性能。

還有我們的伺服驅(qū)動(dòng)器和通用伺服驅(qū)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，從250kW、50kW、15kW、5kW，包括伺服系統(tǒng)傳動(dòng)間隙抑制技術(shù)測(cè)試平臺(tái)、伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振抑制技術(shù)測(cè)試平臺(tái)、伺服系統(tǒng)定位末端抖振抑制技術(shù)測(cè)試平臺(tái)等。2018年我們跟廣東數(shù)控建立了實(shí)驗(yàn)室，協(xié)助他們提升了伺服系統(tǒng)的性能，使得數(shù)控機(jī)床加工精度及效率得以提高，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，客戶滿意度也大幅提高，產(chǎn)品銷(xiāo)量逐年提高。

我們的評(píng)測(cè)中心的工作不僅僅是做檢測(cè)，我們希望通過(guò)這個(gè)檢測(cè)過(guò)程，可以幫助廠商發(fā)現(xiàn)技術(shù)或產(chǎn)品方面的問(wèn)題，并提出解決方案，這才是我們要發(fā)揮的作用。評(píng)測(cè)中心未來(lái)兩年工作的重點(diǎn)會(huì)放在維護(hù)前期的測(cè)試基礎(chǔ)上，特別是在伺服基礎(chǔ)可靠性與一致性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試平臺(tái)建設(shè)上積極地開(kāi)展工作。另外，有關(guān)工業(yè)機(jī)器人用的伺服系統(tǒng)和性能測(cè)試和平臺(tái)，我們也正在積極地搭建中，希望為國(guó)產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步的發(fā)展和提升發(fā)揮作用。