新起點(diǎn):伺服系統(tǒng)邁向微小型、智能化

文:哈爾濱工業(yè)大學(xué) 楊明教授2023年第三期

  無(wú)論是在學(xué)術(shù)界,還是工業(yè)界,人們對(duì)于伺服系統(tǒng)的追求目標(biāo)始終集中在三個(gè)方面,即:高頻響、高剛度、高精度。而隨著面向未來(lái)的人形機(jī)器人這一創(chuàng)新技術(shù)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(diǎn),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(yùn)維等功能。因此,以微小型、智能化為一個(gè)新的起點(diǎn),伺服不再只是一個(gè)簡(jiǎn)單的執(zhí)行機(jī)構(gòu),而是作為一個(gè)智能型的執(zhí)行部件,能夠自動(dòng)地進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷、維護(hù)、報(bào)警等功能。

  從伺服的嵌套式結(jié)構(gòu)來(lái)看,電流環(huán)位于伺服系統(tǒng)的內(nèi)環(huán),也是制約整個(gè)系統(tǒng)高頻響、高帶寬的一個(gè)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(shí)也可以提高抗擾能力。電流環(huán)帶寬頻響追求的目標(biāo)與PWM開(kāi)關(guān)頻率有關(guān),現(xiàn)階段的發(fā)展是:假設(shè)PWM開(kāi)關(guān)頻率為10kHz,常規(guī)伺服的頻率響應(yīng)一般可做到1kHz;高品質(zhì)伺服的頻率響應(yīng)可做到1.6kHz;而世界頂級(jí)的伺服驅(qū)動(dòng)器加上其特有的帶寬拓展技術(shù)以及前饋補(bǔ)償技術(shù),則頻率響應(yīng)可達(dá)到2kHz以上。另外,在參數(shù)設(shè)置方面,結(jié)合死區(qū)補(bǔ)償方法、電機(jī)本體參數(shù)一鍵辨識(shí)以及電流環(huán)參數(shù)自整定等技術(shù),目前一些歐美、日系品牌驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)不同電機(jī)自動(dòng)匹配電流環(huán)參數(shù),增強(qiáng)系統(tǒng)的自組織、自整定能力,大幅提高了伺服驅(qū)動(dòng)器的普適性,也減輕了廠商售后服務(wù)和機(jī)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(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人的開(kāi)發(fā)情況來(lái)看,驅(qū)控一體化結(jié)構(gòu)已經(jīng)從一種趨勢(shì)發(fā)展成為一種現(xiàn)狀,驅(qū)控一體化的機(jī)器人比例會(huì)越來(lái)越高,并形成市場(chǎng)主流,這樣的一個(gè)好處是,以六軸機(jī)器人為例,控制柜的尺寸大小甚至可以縮小至原來(lái)的20%。另一方面,在All-in-One電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的集成中,目前主要應(yīng)用于分布式多軸驅(qū)動(dòng)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(shí)對(duì)于驅(qū)動(dòng)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(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面,目前正匯集業(yè)內(nèi)各方專業(yè)人士對(duì)上一版的《GB/T 16439-2009交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件》(2009年)進(jìn)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(shù)條件和測(cè)試方法,現(xiàn)在需要修訂和補(bǔ)充位置環(huán)的相關(guān)內(nèi)容;此外,一些關(guān)鍵的性能指標(biāo),如:慣量適用范圍、慣量辨識(shí)、定位精度/定位時(shí)間的校準(zhǔn)方式、參數(shù)自整定、機(jī)械諧振的自動(dòng)抑制等等,都需要做進(jìn)一步的細(xì)化,增加可操作性和可執(zhí)行性。近些年,中國(guó)伺服行業(yè)的高速成長(zhǎng)有目共睹,原先技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的很多內(nèi)容已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于行業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)需求,迫切要求伺服系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)也要能夠及時(shí)跟上行業(yè)前進(jìn)的步伐以及技術(shù)趨勢(shì)的先進(jìn)性。

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