工业机器人先进伺服系统技术特点及应用

汤小平 王健

工业机器人先进伺服系统技术特点及应用

汤小平 王健

汤小平，清华大学电机工程及应用电子技术系电气自动化专业学士，珠海泰坦电气技术有限公司9年高频开关电源技术研发和管理经历，北京索英电气技术有限公司联合创始人，清能德创电气技术（北京）有限公司联合创始人。本人在开关电源、新能源、工业节能、工业自动化等领域具有20年从业经验，对工业产品的市场、销售、服务等方面具有深刻的理解及实践。

工业机器人伺服系统作为自动化装备的核心，除满足一定的运行性能，稳定可靠，价格合理，还需要进行全面的产品生命周期管理，进行一定程度的功能集成，具备工业以太网通信功能，具备一定的能效管理及信息安全功能，其系统搭建需使用高水平的平台软件以满足架构性能和可移植性，其软硬件设计也须符合国际标准和规范。

工业机器人先进伺服系统首先要满足当今主流工业机器人的主要性能指标，通常包括负荷范围、运动范围、精度（重复定位精度、重复轨迹精度）、速度（最大单轴速度、位置稳定时间）、稳定性等。此外，工业机器人的伺服系统的特点还表现在以下几个方面。

1　功能

功能性的变化是产品实现差异化的重要方式。随着核心处理芯片和软件能力的提高，工业机器人伺服系统在人机工程、安全性、智能性等方面增加了特色。

1） 和通用化产品相比，最大限度地简化操作，用智能化软件提高易用性，追求简洁的外观和简洁的操作界面，这已成为一种潮流。比如，通用伺服一般都通过前面板操作及LED显示，进行人机交互，直观性差，操作复杂，修改参数一般需要参照说明书。工业机器人先进伺服系统对接口及人际交互进行了简化，取消了面板操作和显示，利用通信总线，在控制器或工控机端，通过专用的伺服控制软件对伺服进行控制和对状态进行显示，显示的信息量大。同时，结合系统示意图等方式，伺服状态的显示和控制非常直观。

2） 在控制接口功能方面，常规的脉冲串和模拟量接口将逐步消失，代之以数字化串行网络接口。RS485/ Modbus正在淡出，CAN总线成为中低端标准接口，其他各种现场总线将逐渐为高性能工业以太网取代。

3） 对各种第三方编码器的支持。作为一个开放的伺服驱动系统，支持的编码器类型越多，可替换电机也就越多，系统就越灵活，客户使用起来也就越方便。

4） 驱动器内置的保护功能将更加完善，对内部电气应力和热应力的测量也不再仅仅用于关键时刻的保护，而更多用于预测性维护、诊断和功能安全等用途，以最大限度减少停机时间，提高生产率。

2　安全

安全集成驱动已经成为国外先进伺服系统的标准配置，区别只是集成了多少个安全功能，以及是否可选。关于安全驱动的例子可以在西门子、博士力士乐、倍福、Lenze、包米乐等许多欧洲公司产品上见到，最近日本公司的个别产品也开始提供基本的安全功能，比如安全转矩截止（STO）。

对大多数国内厂商来说，安全似乎还没有提上日程。就安全技术领域而言，驱动的安全性已经从机械安全和电气安全的阶段，走向功能安全和网络安全。在安全上率先发力的公司将赢得理念和市场的领先。例如：清能德创的A8及R系列伺服支持STO、SS1、SS2、SBC等安全功能。

3　能效

对机器人伺服系统来说，能效已经是必须不断得到提高的关键指标,其中电机本体的高效化早已被大家所熟识，但一系列研究表明，采用高效部件（电机、新型器件等）及提高控制性能固然重要，但系统级能效优化更加重要。

相对于在驱动器内置或外部加装制动电阻进行制动能量消耗，目前采用有源前端技术对制动能量进行回收是节能的重要途径。

工业机器人一般拥有4-8个驱动轴，而且他们有着不同的加减速运动规律，共直流母线是一种很好的节能方案。我们可以把处于减速制动状态的电机的再生能量通过母线传递给其他处于加速状态的电机，从而减少对电网功率的吸收。

并联型驱动在欧洲厂家产品中经常见到，而日本厂家多为单轴型驱动，只有安川和发那科等公司为机床和机器人应用开发了并联型驱动。而国内厂商，迄今为止，只在极少的产品上看到了清晰的并联结构和系统能效管理的理念。清能德创的A8系列伺服驱动器拥有系统能效管理技术，可进行网络能效管理，实现不同的节能模式。

4　网络

工业以太网技术、无线网络技术在提升工业机器人交流伺服系统的高性能方面起到了举足轻重的作用。低速串行网络如RS485和Modbus适用于离线参数配置和软件编程。中速现场总线（1~16Mbit/s）如CAN、Profibus-DP可以用于多轴实时控制的指令给定。只有高速实时工业以太网（100/1000Mbit/s）能够完成高速高精度的多轴、同步、实时控制，比如日趋流行的Ether CAT/SercosIII/Power Link等。

德国公司Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛，成为大多数高性能驱动系统首选的网络标准。

国际品牌驱动器普遍采用了高速工业以太网，同时支持多种现场总线，典型公司如Emerson CT、Lenze等。国内厂商在该领域的研究普遍不足，仅仅个别厂家推出商品化的产品，并通过了EtherCAT一致性测试国际认证。清能德创的A8系列伺服是国内首家通过EtherCAT一致性认证的产品。

5　智能

软件工程和控制理论最新的发展成果，尤其如智能控制技术，正越来越多地应用于机器人中；而机器人现代高性能交流伺服系统也在同时吸收这些技术，使伺服系统越来越多地具备自学习、自适应、自协调、自诊断、自校正等人工智能特性。

1） 针对电流环采取的各种优化控制策略对保障稳态精度和动态响应的平衡至关重要；

2） 自动增益调整、在线惯量辨识、在线电机参数辨识等功能有助于减小现场调试难度、增强伺服系统对环境和电机参数时变的适应性；

3） 自动振动抑制和软件陷波滤波器的设置可减弱甚至消除整个机械传动链的谐振和抖动，提供静音、平滑、高精度的运行效果；

4） 故障自诊断和可预测性维护的特性能够有效减少维护成本，提高系统可用性。

5） 对运动控制功能的集成将伺服驱动器提升到智能伺服控制器的层次，可简化运动控制系统设计，提升控制性能。

6　集成

1）机器人伺服系统的集成表现在以下两个方面。

硬件横向集成：驱控硬件一体化，电机驱动一体化；一体化要求厂商具备整合电机本体和驱动控制的资源的能力，这对大多数单纯的电机厂或驱动器厂来说是一种挑战。

2）信息纵向集成：利用传感器和大数据分析技术，将减速机、电机、编码器数据和驱动器的数据向上传递到控制器，甚至是云端。

7　工业机器人专用伺服驱动器

工业机器人轴数较多,连线也较多,如何减少连线，如何进行快速的安装,出了故障后如何快速地进行维护，这些对用户来说都很重要。工业机器人四大家族，除了安川采用通用伺服的形式外，其他几家都采用工业机器人专用伺服。工业机器人专用伺服系统，从某种程度来说，是集现代先进伺服系统的功能、安全、能效、智能等特点在工业机器人领域的应用，比如简洁的人机交互界面，具备STO等安全功能，具备EtherCAT等工业以太网通信接口、具备共直流母线等节能和能效管理技术、具备自动增益调整、在线惯量辨识、自动震动抑制等智能功能。除此之外，工业机器人专用伺服还具有以下特点。

1）工业机器人专用伺服，将多个伺服轴集成到一起，对外的接线少，比如动力电输入，通用伺服可能要4组，或者6组，现在只需要1组，用于通信的工业以太网总线也在内部可靠连接了，对外只需要1个接口，系统连线及接口大大简化。安装也非常简单，原来可能需要安装6个模块，现在只需要安装1个一体化伺服，4颗螺丝搞定。原来可能需要半天进行安装，现在只需要10分钟，系统安装时间大大减少，同时系统维护也非常简单。

2）工业机器人专用伺服，采用和配电柜一体的散热方式，将机柜分成发热区域和工作区域，降低工作区域的温度，这可以提高伺服等处于工作区域的设备的寿命及系统稳定性。

3）因为机壳、散热器、电源等都集成为一体化，故工业机器人伺服大大降低了系统成本，并且体积也减少为通用伺服的50%左右。

8　总结

清能德创的CoolDrive R系列机器人专用伺服，除具有前述特点外，同时还内置多种前馈功能，大幅度提高系统的响应速度。比如，具备速度和加速度前馈、力矩前馈等功能。另外，通过高速工业以太网EtherCAT，可以支持实时在线参数调整，可以实时调整三环PID参数，实时调整负载惯量比参数，并且多种控制模式可以实时平滑切换。