伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高性能發(fā)展趨勢(shì)

　　在近期舉辦的“2023年運(yùn)動(dòng)控制/直驅(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇”活動(dòng)上， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制聯(lián)盟專家委員會(huì)主任楊明教授作了題為《智能化高性能伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)》的主題演講，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)行業(yè)現(xiàn)況，以及現(xiàn)階段哈工大伺服課題組的研究進(jìn)展，他詳細(xì)分享了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高性能發(fā)展趨勢(shì)。

　　整體而言，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的智能化程度較低，大部分需要依賴人工進(jìn)行大量及繁瑣的復(fù)雜調(diào)試，而針對(duì)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和智能化水平更高的自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)不同控制對(duì)象的兼容、如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器控制參數(shù)自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化、如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)設(shè)備故障的自動(dòng)診斷，成為了現(xiàn)階段伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵課題。

　　如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)不同的控制對(duì)象的兼容性，指的是同一個(gè)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、永磁電機(jī)、異步電機(jī)、有刷電機(jī)、無刷電機(jī)等多種電機(jī)類型，即驅(qū)動(dòng)器的自組織能力和普適性。如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器控制參數(shù)的自整定優(yōu)化，是人們常說的驅(qū)動(dòng)器智能化水平的主要體現(xiàn)，也是目前大多數(shù)企業(yè)正努力追求的目標(biāo)。而如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)設(shè)備故障的自動(dòng)診斷，則是一個(gè)新興的智能化開發(fā)方向。

　　就目前產(chǎn)業(yè)界的開發(fā)情況來看，在驅(qū)動(dòng)器的自組織能力、普適性方面，美國(guó)科爾摩根AKD系列及日本安川GA700系列驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品等均實(shí)現(xiàn)了單驅(qū)動(dòng)器對(duì)多控制對(duì)象的匹配；在驅(qū)動(dòng)器的自整定/自調(diào)諧方面，安川Σ-7及高創(chuàng)CDHD等系列驅(qū)動(dòng)器的免調(diào)整及自整定算法已經(jīng)取得了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可；在驅(qū)動(dòng)器對(duì)設(shè)備故障的診斷方面，日本三菱J5率先提出了Maisart智能故障診斷系統(tǒng)，在其嵌入式系統(tǒng)下就可對(duì)一整套傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)測(cè)及維護(hù)。而在本土伺服廠商部分，總體而言，大部分廠商的產(chǎn)品普適性還有待完善，自調(diào)諧技術(shù)仍需打磨，故障診斷領(lǐng)域基本處于空白狀態(tài)。

　　自組織：智能化電流環(huán)特性精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

　　針對(duì)上述課題，哈工大伺服課題組進(jìn)行了深入的研究開發(fā)工作。實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)器的普適性主要在于對(duì)智能化電流環(huán)特性的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，電流環(huán)的控制對(duì)象是電機(jī)本體，除此之外，還需要與編碼器、無位置傳感器，以及各種電機(jī)機(jī)種進(jìn)行匹配，因此，驅(qū)動(dòng)器的普適性，更多的是電流環(huán)的智能化整定過程。

　　基于此，哈工大伺服課題組提出智能化電流環(huán)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)大致上包括以下幾個(gè)方面：首先，是電機(jī)本體參數(shù)的自動(dòng)辨識(shí)，這一性能對(duì)于變頻器產(chǎn)品來說相對(duì)較為普遍，但目前國(guó)內(nèi)使用的伺服系統(tǒng)基本上采用的是日系方案，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器是綁定的，主要依靠編碼器協(xié)議，而如果要做到驅(qū)動(dòng)器普適性的話，那么驅(qū)動(dòng)器就必須要能夠自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)本體的電氣參數(shù)，其中包括電阻、電感、磁鏈等。其次，是逆變器非線性的精確補(bǔ)償。人們常說的（控制）死區(qū)補(bǔ)償只是非線性補(bǔ)償?shù)钠渲幸粋€(gè)種類，另外還需要綜合考慮開關(guān)器件特性、寄生電容、等效死區(qū)時(shí)間、母線電壓波動(dòng)等非線性因素，在這一部分，國(guó)產(chǎn)伺服和進(jìn)口品牌尚有較大的差距，如何實(shí)現(xiàn)全局性的補(bǔ)償，是接下來國(guó)產(chǎn)伺服廠商需要努力的重點(diǎn)方向。第三，是高性能電流預(yù)測(cè)控制，其追求的目標(biāo)是無差拍電流跟蹤、零電流靜差、零電流超調(diào)、高電流環(huán)帶寬。最后，是高性能PI電流環(huán)參數(shù)自組織性能，即普適性，一套算法可以適用于不同的電機(jī)種類。

　　在自組織智能化電流環(huán)特性精準(zhǔn)設(shè)計(jì)上，哈工大伺服課題組目前的研究成果包括：涵蓋開關(guān)器件特性、寄生電容、等效死區(qū)時(shí)間等非線性因素、母線電壓波動(dòng)、穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)工況實(shí)時(shí)逆變器非線性補(bǔ)償在內(nèi)的全局一鍵式在線辨識(shí)及自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)；電機(jī)本體參數(shù)的辨識(shí)普適性，一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器可辨識(shí)十款不同的電機(jī)，電機(jī)本體參數(shù)的辨識(shí)精度達(dá)到10%以內(nèi)；速度階躍響應(yīng)時(shí)電流響應(yīng)時(shí)間≤3拍，達(dá)到最佳的電流環(huán)匹配效果；在帶寬拓展的具體措施上，提出了考慮計(jì)算延時(shí)、相位裕度，建立更精準(zhǔn)的電流環(huán)帶寬模型、考慮PI+Lead前饋的組合自整定策略、考慮高頻濾波的Lead前饋策略，使得電流環(huán)帶寬可達(dá)到或超過控制頻率1/6等。

　　自整定：智能化伺服參數(shù)免調(diào)試策略

　　智能化電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的另一大難題是——控制器參數(shù)的自整定，與前面一點(diǎn)不同的是，這里更多指的是對(duì)環(huán)境的一種匹配，例如慣量變化、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化等，伺服控制器是否具備與之相匹配的能力，實(shí)現(xiàn)參數(shù)免調(diào)試。目前業(yè)內(nèi)主要以安川、松下等日系品牌為代表，針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了傻瓜式一鍵自整定，有效提升了產(chǎn)品的智能化水平與性能，減輕了人工調(diào)試的負(fù)擔(dān)；而歐美系品牌則相對(duì)更復(fù)雜一點(diǎn)，一般需要借助上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)整定。

　　伺服控制器的智能參數(shù)免調(diào)試策略主要有以下幾個(gè)方面：第一，是流程規(guī)劃，在全位置環(huán)模式下，無零位偏差，位移、轉(zhuǎn)速、加速度嚴(yán)格可控；第二，是慣量辨識(shí)，可以做到真正的自適性在線辨識(shí)特性，低加速度下慣量辨識(shí)誤差降低10倍；第三，是諧振抑制，兼容多慣量系統(tǒng)，精準(zhǔn)離散化，消除z變換誤差、陷波緩沖，濾波切換零沖擊；第四，是參數(shù)尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的頻域判據(jù)，不依賴特定軌跡，且兼容性強(qiáng)，在得到一個(gè)理論的PI參數(shù)自整定結(jié)果之后，進(jìn)一步提高它的魯棒性和適應(yīng)性，完成一整套自動(dòng)尋優(yōu)搜索的過程。

　　以具體的頻率特征搜索策略研究為例，哈工大伺服課題組嘗試了不同的時(shí)域、頻域分析，采用PRBS掃頻、Chirp掃頻以及定頻掃頻方式，能夠快速準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)在線的頻譜特征。更重要的是，要讓驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)獲取其頻率特征值，如頻率及峰值等，其中最關(guān)鍵的就是濾波處理，因?yàn)樵谡鎸?shí)系統(tǒng)中會(huì)存在大量的噪聲，需要快速、有效地去除這些噪聲，讓機(jī)器自動(dòng)準(zhǔn)確地快速判斷。通過哈工大伺服課題組設(shè)計(jì)的三慣量平臺(tái)，可以精確掃頻，并且快速、準(zhǔn)確地讓機(jī)器獲取頻率顯著特征，為下一步的諧波抑制濾波器的設(shè)置提供有效的依據(jù)。

　　另外，常規(guī)的伺服控制都是位置、速度、電流或者位置、速度、轉(zhuǎn)矩三環(huán)嵌套的典型模式，但現(xiàn)在一些歐系產(chǎn)品開始采用位置、電流的雙環(huán)模式，當(dāng)然，這不是簡(jiǎn)單地把速度環(huán)去掉，而是采用了基于PI-Lead控制器的位置、電流雙閉環(huán)控制方式，使得動(dòng)態(tài)跟蹤精度更高，系統(tǒng)更穩(wěn)定，同時(shí)位置環(huán)極限帶寬可提高4倍以上。

　　結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景，哈工大伺服課題組也進(jìn)行了大量的實(shí)踐探索。例如：在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，從軌跡規(guī)劃到伺服底層，進(jìn)行整體的一體化驅(qū)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做到真正的快速響應(yīng)，有效降低負(fù)載定位的末端振動(dòng);在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，采用自適應(yīng)補(bǔ)償方法，補(bǔ)償后X軸過象限輪廓誤差約為1.1μm，Y軸過象限輪廓誤差約為2.4μm，相比于基于轉(zhuǎn)速前饋的方法，能夠?qū)λ矐B(tài)反向間隙誤差做好更好的補(bǔ)償。

　　自診斷：智能化電氣法故障診斷技術(shù)

　　伺服系統(tǒng)未來的一個(gè)發(fā)展方向是——智能化電氣法故障診斷技術(shù)。故障診斷實(shí)際上不是一種新興的技術(shù)，傳統(tǒng)上主要是用振動(dòng)傳感器、聲音傳感器等來辨識(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否存在故障，而電氣法故障診斷則不需要用額外的傳感器，僅僅利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)，就可以判斷電機(jī)軸承故障、安裝故障以及傳動(dòng)故障等這三大典型的故障特征群。

　　在這一方面，日本三菱走在了開發(fā)的前沿，其J5驅(qū)動(dòng)器是目前業(yè)界唯一推出的利用自身上位機(jī)嵌入式系統(tǒng)，基于Maisart（人工智能）智能化伺服診斷方法，無需任何傳感器，預(yù)設(shè)伺服傳動(dòng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)閾值，周期性估測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并給出故障預(yù)警。通過監(jiān)控摩擦和振動(dòng)的變化，并與預(yù)設(shè)閾值相對(duì)比，來預(yù)測(cè)滾珠絲杠、皮帶輪、齒輪的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)伺服傳動(dòng)結(jié)構(gòu)故障的智能診斷。另據(jù)了解，安川Σ-X以及松下新的A7系列伺服驅(qū)動(dòng)器也推出了類似功能；匯川等國(guó)內(nèi)頭部企業(yè)也正在展開這一領(lǐng)域的研發(fā)工作。

　　哈工大伺服課題組實(shí)驗(yàn)室通過自然基金等方式進(jìn)行了相關(guān)研究?；趥鹘y(tǒng)信號(hào)處理的故障診斷方式，課題組結(jié)合時(shí)域分析法、頻域分析法、時(shí)頻域分析法，進(jìn)行軸承故障微弱信息的判斷，并取得了一系列科研成果，包括：基于信號(hào)振蕩特性RSSD的齒輪故障診斷技術(shù)、基于改進(jìn)譜峭度的軸承故障特征技術(shù)、基于位域誤差信號(hào)的故障診斷方法等等。

　　此外，人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)被引入進(jìn)來，例如在工業(yè)機(jī)器人、人形機(jī)器人關(guān)節(jié)處的故障特征沒有明顯的理論特征時(shí)，只能采用人工智能、大數(shù)據(jù)挖掘的方式。哈工大伺服課題組針對(duì)諧波減速器、RV減速器的故障診斷進(jìn)行了研究，以RV減速機(jī)故障診斷為例，由于RV減速機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障信號(hào)信噪比低，齒輪磨損故障早期為輕微故障，無典型故障特征，且特征信號(hào)為非沖擊信號(hào)，傳統(tǒng)信號(hào)處理方法無法提取故障信號(hào)，為此，課題組提出了采用基于深度學(xué)習(xí)的齒輪磨損故障診斷方法。再如，電機(jī)安裝偏心故障的糾錯(cuò)指導(dǎo)也是傳統(tǒng)方式所無法實(shí)現(xiàn)的，哈工大伺服課題組采用深度學(xué)習(xí)人工智能大數(shù)據(jù)分析的方式，在沒有明確的物理模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的條件下，仍然可以判斷出偏心方位（8個(gè)）和偏心程度，并對(duì)其安裝糾錯(cuò)進(jìn)行初步的指導(dǎo)。

　　總之，智能化電氣法故障診斷技術(shù)是下一階段伺服驅(qū)動(dòng)研究的一個(gè)主要方向，未來的應(yīng)用開發(fā)大有可為。

　　高密度、高效率“軟開關(guān)”驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　除了前面主要針對(duì)智能化算法方面的研究之外，關(guān)于高密度、高效率“軟開關(guān)”驅(qū)動(dòng)技術(shù)，也是目前哈工大伺服課題組實(shí)驗(yàn)室近幾年開展的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。其中，超大功率密度、超高電能轉(zhuǎn)換效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將會(huì)在航空航天、軍工、汽車電子、半導(dǎo)體裝備、醫(yī)療設(shè)備以及近期熱點(diǎn)的人形機(jī)器人等新興領(lǐng)域，帶來一次全新的革命，并且也是國(guó)家科技部、工信部多次提到的“卡脖子”技術(shù)攻關(guān)課題。

　　在前期調(diào)研中顯示，目前市場(chǎng)上小于60V的低壓產(chǎn)品較為普遍，但能夠滿足半導(dǎo)體、機(jī)器人、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用的60-200V產(chǎn)品則相對(duì)較少，這主要是因?yàn)槭艿焦β拾雽?dǎo)體工藝制程的限制，有能力生產(chǎn)電壓在（60-200）V之間的高功率密度伺服驅(qū)動(dòng)器的公司寥寥無幾，還是一片“藍(lán)?！笔袌?chǎng)，僅有以色列Elmo等少數(shù)幾家公司能完全覆蓋到200V這一產(chǎn)品線。高功率密度、高端專用市場(chǎng)現(xiàn)階段還處于一個(gè)進(jìn)口品牌壟斷的狀態(tài)，國(guó)內(nèi)創(chuàng)新企業(yè)可以率先完成技術(shù)突圍，并構(gòu)建自己的技術(shù)“護(hù)城河”。

　　以Elmo公司Gold Twitter伺服驅(qū)動(dòng)器為例，其體積只有火柴盒一樣大小，卻可以達(dá)到5.5kW，功率密度甚至達(dá)455.49W/cm3，是常規(guī)產(chǎn)品功率密度的1000倍。這主要是依靠其中的驅(qū)動(dòng)芯片（Gate Driver）來提升效率，這種驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)了控制信號(hào)MCU到功率驅(qū)動(dòng)（Power MOS）之間的一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)，是控制信號(hào)與功率器件之間的接口，這種驅(qū)動(dòng)集成電路芯片可以有效減低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度、縮短開發(fā)周期、提高可靠性，并且每一個(gè)功率器件都必須要一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，因此驅(qū)動(dòng)芯片有著不同的結(jié)構(gòu)、耐壓絕緣等級(jí)、保護(hù)特性和封裝形式。目前市場(chǎng)上，廠商基本上是按照某些國(guó)際大品牌的規(guī)格在開發(fā)產(chǎn)品，特別是60V以下、300V 以上的產(chǎn)品較多，價(jià)格也不貴。

　　但另一方面，常規(guī)的驅(qū)動(dòng)芯片往往存在以下問題：開關(guān)損耗和關(guān)斷損耗一般較大，而如果要把開關(guān)損耗做到很小，則代價(jià)往往又造成出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，即電磁干擾，這也是電力電子的一個(gè)負(fù)面效應(yīng)的體現(xiàn)。為此，哈工大伺服課題組實(shí)驗(yàn)室自研了一款驅(qū)動(dòng)芯片，從這款“有源柵極驅(qū)動(dòng)芯片”流片實(shí)測(cè)的效果來看，開關(guān)過程采取變曲率驅(qū)動(dòng)電流措施，開關(guān)暫態(tài)電壓、電流無振鈴現(xiàn)象，極大地消除EMI；整體效率達(dá)到98.6%以上，輸出1.5kW以上時(shí)效率99%以上，流片效果較理想。

　　除了通過驅(qū)動(dòng)芯片方案實(shí)現(xiàn)效率提升之外，真正的“軟開關(guān)（Soft Switch）技術(shù)”目前在變頻器或伺服領(lǐng)域還幾乎沒有得到商業(yè)化應(yīng)用，因?yàn)樗枰恍┹o助電路及輔助器件共同工作。而針對(duì)碳化硅（SiC）這一高功率密度寬禁帶器件，可以發(fā)揮其高開關(guān)頻率特征，使得開關(guān)損耗盡可能降低。因此，人們開始思考是否能夠把這種開關(guān)電源或所有電源里普遍應(yīng)用的軟開關(guān)技術(shù)移植到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中，來重點(diǎn)解決長(zhǎng)線傳輸、共模電壓高和EMI電磁干擾等問題。

　　據(jù)了解，美國(guó)一家名為Pre-Switch的初創(chuàng)公司采用人工智能軟開關(guān)逆變技術(shù)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了輔助諧振電容、輔助諧振開關(guān)二級(jí)管以及諧振電感，可實(shí)現(xiàn)SiC 100kHz、100kW條件下，峰值效率達(dá)到99.3%，并且，在系統(tǒng)中還使用了人工智能自動(dòng)尋優(yōu)技術(shù)，控制過程相對(duì)較復(fù)雜，通過拓?fù)浒霕蚪Y(jié)構(gòu)可以看出，系統(tǒng)也增加了不少成本。

　　此外，哈工大伺服課題組實(shí)驗(yàn)室還在嘗試一些新的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方案，如減少諧振電容的使用等等，為未來的大功率伺服傳動(dòng)或電動(dòng)車、電力牽引領(lǐng)域提供可大規(guī)模應(yīng)用、更高功率密度的碳化硅SiC驅(qū)動(dòng)方案。

　　結(jié) 語

　　綜上所述，通過多種技術(shù)模塊，持續(xù)提升電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的高性能，以實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同工況環(huán)境下，模塊算法的自動(dòng)投切，并且在控制對(duì)象的狀態(tài)和參數(shù)時(shí)變的情況下，仍可保持穩(wěn)定狀態(tài)，不需要人員參與，即可一鍵自動(dòng)進(jìn)行智能化參數(shù)整定，是伺服系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)。 展望未來，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：一是高性能伺服驅(qū)動(dòng)的自組織能力，即強(qiáng)調(diào)底層電流環(huán)的強(qiáng)普適性；二是伺服驅(qū)動(dòng)的自整定能力，即強(qiáng)調(diào)位置環(huán)、速度環(huán)對(duì)環(huán)境更強(qiáng)適應(yīng)能力；三是伺服系統(tǒng)的自診斷能力，即對(duì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)能力；四是高密度、高效率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在極端應(yīng)用領(lǐng)域中的拓展能力等等。

　　審核編輯：黃飛