淺談伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)未來開發(fā)趨勢(shì)

最近一兩年伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，整體應(yīng)用水平顯著提升。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊明教授總結(jié)了現(xiàn)階段國內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的開發(fā)現(xiàn)狀，并結(jié)合哈工大在伺服領(lǐng)域的研究成果，分析了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)未來的重要發(fā)展趨勢(shì)。 ? 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 ? 就目前伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從基本性能指標(biāo)來看，以1馬力（750W）通用伺服系統(tǒng)為例，市場(chǎng)主流產(chǎn)品的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6000rpm（額定轉(zhuǎn)速2倍），最大轉(zhuǎn)矩為3.5倍額定轉(zhuǎn)矩，碼盤分辨率：24Bit，定位精度可達(dá)1.2納米（導(dǎo)程20mm滾珠絲杠），響應(yīng)速度為速度環(huán)3.1kHz。

在核心技術(shù)方面，主要是針對(duì)控制器的參數(shù)自整定技術(shù)的開發(fā)。參數(shù)自整定性能是衡量高檔伺服系統(tǒng)水平的顯著標(biāo)志之一。從技術(shù)角度來說，參數(shù)自整定性能的實(shí)現(xiàn)主要分為兩種方法，一種方法是基于模型法，即根據(jù)電機(jī)本體的模型以及復(fù)雜的模型，可以精確地匹配出參數(shù)；另一種是在線整定伺服系統(tǒng)的參數(shù)；當(dāng)然，也有把這兩種方式相結(jié)合的方法，我們認(rèn)為將兩種方式融合是較佳的一種參數(shù)自整定技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，目前哈工大也在朝這個(gè)方向探索。

總體來看，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是：體積減小，質(zhì)量減輕，并提升了最高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；提高響應(yīng)性，縮短調(diào)整時(shí)間；提高了整定性能，使調(diào)諧趨于簡(jiǎn)單便利；提高了擴(kuò)展性，增加指令形式，擴(kuò)充匹配的電機(jī)種類。

值得關(guān)注的還有機(jī)械諧振抑制技術(shù)和多軸驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)的發(fā)展。目前一些主流品牌或高檔伺服系統(tǒng)都已具備這種諧振抑制功能，而且均能提供四到五個(gè)不同諧振范圍的機(jī)械共振抑制波段。而在多軸驅(qū)動(dòng)一體化技術(shù)的開發(fā)上，這種架構(gòu)極大地降低了系統(tǒng)的體積，并通過共直流母線方式有效地降低了電容容量、提高了整體效率，是現(xiàn)階段許多企業(yè)投入研發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。目前市場(chǎng)上眾多驅(qū)控一體化產(chǎn)品主要分為兩類，一類是模塊化拓展型，它有一個(gè)直流母線或是能量單位；還有一種就是2、4、8軸一體式專機(jī)型。但同時(shí)，也有部分產(chǎn)品僅僅只是將多個(gè)單軸驅(qū)動(dòng)器“簡(jiǎn)單”地做到一個(gè)控制器內(nèi)，內(nèi)部的控制結(jié)構(gòu)幾乎沒有改變，并沒有真正地實(shí)現(xiàn)多軸驅(qū)動(dòng)融合，更多的只是做到了驅(qū)動(dòng)一體化，而控制器還是需要上位機(jī)或運(yùn)動(dòng)控制卡來發(fā)出指令。

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)未來開發(fā)趨勢(shì)

由于材料的變革，尤其是受主控芯片和功率器件這兩類半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的影響，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)將產(chǎn)生顛覆性的創(chuàng)新?？傮w來看，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的未來開發(fā)趨勢(shì)包括以下四個(gè)方面。

首先，在主控芯片的發(fā)展上，市場(chǎng)主流的控制器多采用的是雙核結(jié)構(gòu)（FPGA+ARM），目前在安川SigmaVII系列中已經(jīng)采用了雙核一體式控制器，其將這兩個(gè)控制芯片進(jìn)行了集成，使得保密性更強(qiáng)，布線也更簡(jiǎn)單。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，類似智能手機(jī)使用的多核驅(qū)控集成式控制器將會(huì)出現(xiàn)在市場(chǎng)上，它既能保持FPGA+ARM的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)；同時(shí)利用內(nèi)部總線，避免了復(fù)雜的外部接線，具有超高的通信速度；有利于多軸運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度的提高與振動(dòng)抑制能力的提升。

隨著多核芯片能力的提升，將伺服驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制一體化集成在底層嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，可極大地降低系統(tǒng)集成復(fù)雜性、成本與體積；并且由于克服了總線通訊的延時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制整體性能也將得到極大地提升。以工業(yè)機(jī)器人使用的電機(jī)和伺服性能優(yōu)化為例，在我們目前提出的技術(shù)方案中的一個(gè)重點(diǎn)就是要真正做到驅(qū)控一體化，即從傳統(tǒng)的一個(gè)示教盒加一個(gè)上位機(jī)（單核芯片、多控制器分布式結(jié)構(gòu)），過渡到一個(gè)示教盒加多軸驅(qū)控一體機(jī)（多核芯片、驅(qū)控一體結(jié)構(gòu)），這也是未來的一個(gè)重要的研發(fā)方向。

第二個(gè)方向是基于寬禁帶器件的高頻化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)。根據(jù)碳化硅（SiC）器件的市場(chǎng)調(diào)研和預(yù)測(cè)顯示，從2015年開始SiC器件的應(yīng)用市場(chǎng)年增長(zhǎng)率已到達(dá)39%，特別是在AC電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用上，從2016年從無到有，SiC器件的使用量急速增長(zhǎng)，其在電動(dòng)車和光伏驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。

寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用令到電力電子系統(tǒng)的性能全面提升，具有高效率、高溫高頻、優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能、小體積低成本、高功率密度、高穩(wěn)定可靠性等特點(diǎn)。采用基于寬禁帶器件的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器一體化系統(tǒng)，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到40kHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)器所需電容體積為10kHz開關(guān)頻率時(shí)的25%。此外，基于寬禁帶器件的高頻化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率900W，效率可達(dá)到99%。從高速電機(jī)的角度來看，可增加逆變器的開關(guān)頻率，改善控制效果；還可增加離散化頻率，減小離散化誤差。當(dāng)然，高頻化也會(huì)帶來dv/dt和di/dt的問題，一般有幾種解決方案，即增大門級(jí)電阻、RC濾波、LC濾波及其他濾波。

第三個(gè)方向是提升伺服系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性和一致性關(guān)鍵技術(shù)。首先要判斷出來影響電機(jī)的機(jī)理和因素，進(jìn)行高低溫度循環(huán)、步進(jìn)振動(dòng)應(yīng)力和連續(xù)起停試驗(yàn)，全面激發(fā)伺服系統(tǒng)潛在故障；并采用故障樹分析（FTA）和故障模式影響及危害度分析（FMECA），確定伺服系統(tǒng)關(guān)鍵零部件。之后，就是伺服系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)及可靠性增長(zhǎng)研究，從理論角度來提升可靠性增長(zhǎng)，最后是建設(shè)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器核心功能測(cè)試平臺(tái)，以及伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器加速等效可靠性測(cè)試平臺(tái)。

第四個(gè)方向是智能化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究，其中包括：傳動(dòng)鏈模式識(shí)別、參數(shù)免調(diào)試技術(shù)、電機(jī)本體/驅(qū)動(dòng)器/傳動(dòng)鏈運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控、安全運(yùn)行能力等。

編輯：黃飛

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