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    工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電力電子、計(jì)算機(jī)控制、光電傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的重要先進(jìn)制造業(yè)自動(dòng)化裝備。在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備服務(wù)于工業(yè)自動(dòng)化各個(gè)領(lǐng)域。交流永磁同步伺服系統(tǒng)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有無(wú)可替代的地位。

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

    國(guó)內(nèi)的伺服產(chǎn)品主要是經(jīng)濟(jì)型伺服驅(qū)動(dòng)器，這類伺服產(chǎn)品的控制方式以脈沖或者模擬量輸入控制方式為主。這類伺服產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年的研究，國(guó)內(nèi)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是，由于多軸聯(lián)動(dòng)控制誤差大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度、高速度、多軸同步控制等，所以，不適合在機(jī)器人上使用。隨著控制技術(shù)、總線技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，伺服技術(shù)已經(jīng)朝著智能控制和總線驅(qū)動(dòng)控制的方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外伺服的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)單概括如下：

（1）智能型伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)

    這種伺服的特點(diǎn)是內(nèi)置PLC和（或）運(yùn)動(dòng)控制功能，或者通過(guò)豐富的擴(kuò)展單元擴(kuò)展特定的智能單元。代表廠家有B&R、Rexroth、Baumullerds、Siemens等公司。智能型伺服驅(qū)動(dòng)器控制功能復(fù)雜、功能強(qiáng)大，內(nèi)置了程序處理單元，用戶可以直接在驅(qū)動(dòng)器上編程控制伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。配合高精度的伺服電機(jī)，智能型伺服系統(tǒng)可以提供非常高的控制精度和非常好的動(dòng)態(tài)性能，還可以配合上位控制器使用，充分發(fā)揮了控制器軌跡生產(chǎn)、復(fù)雜控制能力和智能型驅(qū)動(dòng)器本身的單體控制能力，配合高速總線技術(shù)，在多軸同步和多軸插補(bǔ)控制應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

（2）總線驅(qū)動(dòng)型伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)

    這類伺服產(chǎn)品的特點(diǎn)主要是控制信號(hào)通過(guò)高速總線進(jìn)行傳輸?？偩€驅(qū)動(dòng)型伺服的驅(qū)動(dòng)策略和驅(qū)動(dòng)方法和智能型伺服驅(qū)動(dòng)器相同，只是總線驅(qū)動(dòng)型伺服驅(qū)動(dòng)器不再提供程序處理單元進(jìn)行單體控制，所有控制功能依賴上位控制器。這類伺服充分吸收了智能型伺服驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，如：控制精度高、動(dòng)態(tài)性能好、適合多軸同步和多軸插補(bǔ)控制等?？偩€驅(qū)動(dòng)型伺服系統(tǒng)是集中控制多軸插補(bǔ)應(yīng)用的最佳選擇，非常契合工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求。

（3)高速高精伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)

    目前，國(guó)外高性能伺服均采用定制的高速芯片，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）替代傳統(tǒng)的嵌入式控制芯片，將順序執(zhí)行的控制程序綜合為FPGA中的硬件邏輯電路。得益于FPGA的并行計(jì)算特性，所有指令均通過(guò)硬件門電路瞬時(shí)執(zhí)行完成，大幅縮短電流環(huán)的計(jì)算時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)即時(shí)采樣即時(shí)更新，縮短采樣到更新之間的延遲，有助于提高電流控制精度和轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能，確保速度控制和位置控制的優(yōu)良性能。而國(guó)內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)裝置通常采用DSP、ARM等嵌入式控制器作為主控芯片，受限于程序指令順序執(zhí)行的固有模式，電流采樣時(shí)刻和PWM更新時(shí)刻之間存在較大延遲，電流環(huán)的控制周期難以進(jìn)一步縮短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的高精度實(shí)時(shí)控制，較大程度上限制了伺服驅(qū)動(dòng)性能。

機(jī)器人伺服系統(tǒng)開(kāi)發(fā)瓶頸

    自主研發(fā)的機(jī)器人專用伺服系統(tǒng)主要需要解決的技術(shù)瓶頸有：

1.如何實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)對(duì)控制器端的開(kāi)放性。

    總線型伺服系統(tǒng)可支持EthernetPowerLink、EtherCAT和CANopen總線接口，多網(wǎng)絡(luò)同一架構(gòu)，應(yīng)用層采用Cia402協(xié)議（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61800-7-201），從而確定了其一致性與兼容性，只要是支持標(biāo)準(zhǔn)的主站即可連接。用戶可根據(jù)機(jī)器人的不同應(yīng)用和使用習(xí)慣靈活選用多家控制系統(tǒng)，發(fā)揮各家之所長(zhǎng)，達(dá)到控制系統(tǒng)最優(yōu)化，提高了產(chǎn)品的可維護(hù)性、可升級(jí)性、兼容性。

    如何兼容具有多協(xié)議自適應(yīng)編碼器通訊接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方伺服電機(jī)的良好兼容性。實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器類型和編碼器零點(diǎn)在線自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)不同種類編碼器熱插拔和即插即用。其中包括Smart-ABS(TAMAGAWA)、Endat2.1/2.2（HEIDENHAIN）、HIPERFACEDSL（SICK）、NIKON單圈/多圈絕對(duì)值、BISS、SSI、旋變、ABZ編碼器等市面主流的編碼器類型編碼器，為用戶帶來(lái)便捷的系統(tǒng)集成方案和良好的使用體驗(yàn)。

2.如何攻克基于FPGA的硬件邏輯的過(guò)流/短路保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)。

    小功率的伺服驅(qū)動(dòng)大都采用IPM模塊自帶的短路保護(hù)功能進(jìn)行IGBT直通保護(hù)，大功率伺服驅(qū)動(dòng)通常采用具有短路保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)光耦在發(fā)生直通故障時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些方案中所采用的保護(hù)器件價(jià)格昂貴且保護(hù)條件單一，僅能在母線短路時(shí)提供必要保護(hù)，而用戶需要在軟件中通過(guò)電流采樣值設(shè)定過(guò)流保護(hù)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

    如果采用基于Sigma-Delta方式的ADC進(jìn)行電流采樣，在FPGA中構(gòu)建高速、低分辨率的fastsinc濾波器，可以快速、實(shí)時(shí)采樣電流值，用于短路/過(guò)流保護(hù)。由于該功能通過(guò)FPGA的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，故響應(yīng)快速，可靠性高，并且可以節(jié)省專用保護(hù)器件。

3.基于永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的逆變器死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)。

    PWM死區(qū)的存在，死區(qū)效果的累積會(huì)使逆變器輸出電壓波形畸變，降低基波幅值，改變低次諧波含量，增加電機(jī)的諧波損耗。為了降低PWM死區(qū)對(duì)電機(jī)性能的影響，需要對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，降低因?yàn)樗绤^(qū)的存在對(duì)電機(jī)帶來(lái)的影響。針對(duì)伺服電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，研究一種基于磁場(chǎng)定向的電流極性判斷方法，采用平均誤差電壓補(bǔ)償法，對(duì)伺服電機(jī)PWM逆變器的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。有效降低電機(jī)噪音，提高電機(jī)功率因素，降低電機(jī)損耗。

4.實(shí)現(xiàn)基于IGBT動(dòng)態(tài)熱力學(xué)模型的模塊過(guò)熱保護(hù)技術(shù)。

    當(dāng)功率模塊輸出低頻驅(qū)動(dòng)電流時(shí)（低于20Hz），由于每個(gè)IGBT開(kāi)通的時(shí)間較長(zhǎng)，IGBT的結(jié)溫將大幅增加，功率器件能夠輸出的電流將遠(yuǎn)小于其標(biāo)稱的額定電流，此時(shí)傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)將無(wú)法保護(hù)功率模塊的安全。又由于IGBT的核心溫度變化遠(yuǎn)小于散熱片的時(shí)間常數(shù)，在這種特殊情況下，僅通過(guò)采樣散熱片溫度也難以安全可靠的保護(hù)功率模塊。本設(shè)計(jì)結(jié)合開(kāi)關(guān)頻率、輸出頻率、輸出電流、門極電阻等多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建IGBT的動(dòng)態(tài)溫升模型，實(shí)時(shí)估算模塊的核心溫度，實(shí)現(xiàn)低頻下的模塊溫升保護(hù)。更高的驅(qū)控性能：高端伺服目前可實(shí)現(xiàn)軸間±100ns的同步精度，5kHz電流環(huán)帶寬及2.5kHz速度環(huán)帶寬，此性能可為需求高速、高精和多軸實(shí)時(shí)同步的行業(yè)領(lǐng)域提供理想解決方案。

5.支持標(biāo)準(zhǔn)402運(yùn)動(dòng)控制協(xié)議。

    機(jī)器人伺服系統(tǒng)需要支持Cia402標(biāo)準(zhǔn)中所列的所有運(yùn)動(dòng)模式，其中包括同步位置、輪廓位置、插補(bǔ)位置、同步速度、輪廓速度、同步轉(zhuǎn)矩、同步轉(zhuǎn)矩和回零等8種運(yùn)動(dòng)模式，機(jī)器人控制時(shí)可根據(jù)工況需要適時(shí)選擇最優(yōu)的控制模式，實(shí)現(xiàn)位控或者力控等不同控制需求。

6.安全功能的實(shí)現(xiàn)。

    其中包括安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷（STO），安全停車1（SS1），安全停車2（SS2）和安全制動(dòng)控制（SBC）等安全功能，保障現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備安全，提高意外時(shí)的檢修效率。

7.實(shí)現(xiàn)基于硬件邏輯的電流環(huán)控制方法。

    將順序執(zhí)行的傳統(tǒng)伺服控制模式升級(jí)為并行執(zhí)行模式，充分利用FPGA并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，將原有幾十微秒的執(zhí)行周期縮短至1微秒以內(nèi)，縮短了由采樣到更新之間的延時(shí)，提高了頻率響應(yīng)。

8.機(jī)器人專用伺服系統(tǒng)的共直流母線四象限運(yùn)行。

    由于系統(tǒng)中的各個(gè)電機(jī)并不是同時(shí)功率輸出的，往往有的處于加速過(guò)程、有的處于減速過(guò)程，共母線的設(shè)計(jì)提高了伺服的加速和制動(dòng)性能，同時(shí)將減速過(guò)程的電機(jī)的制動(dòng)能量再利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。此外，多驅(qū)動(dòng)共整流單元的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低了整個(gè)伺服系統(tǒng)的成本。

伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新研究方向

    針對(duì)應(yīng)用于機(jī)器人的伺服系統(tǒng)，目前業(yè)內(nèi)的研究方向包括：

（1）基于高速總線的路徑控制技術(shù)

    總線型伺服是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，而基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的伺服則有更快的傳輸速度（如100Mbps、1Gbps）、更大數(shù)據(jù)包容量（1500字節(jié)）、更易接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、更長(zhǎng)的傳輸距離、更高精度的同步（<1us）、更少的布線等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IEC61784-2,其中實(shí)時(shí)性較好的、可用于底層運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)有EtherCAT、SERCOSIII、ProfiNETIRT、Powerlink。其中EtherCAT具有較高的性能，如最小的通訊周期和最小的同步抖動(dòng)；Powerlink則是最早實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)且開(kāi)源的總線。

    一方面，伺服需要基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，以面向更廣泛的應(yīng)用，這包括標(biāo)準(zhǔn)總線以及標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用協(xié)議：標(biāo)準(zhǔn)總線EtherCAT、Powerlink是本伺服需要實(shí)現(xiàn)的接口；

    在伺服的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的伺服應(yīng)用協(xié)議Cia402(IEC61800)；需要提供一個(gè)通用接口以連接多種總線，使總線對(duì)于伺服應(yīng)用透明。

    另一方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中只有一個(gè)國(guó)產(chǎn)總線EPA，但其是在鏈路層之上實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)度，性能較差不能滿足運(yùn)動(dòng)控制高實(shí)時(shí)性的要求。因此，一種改進(jìn)的專用總線技術(shù)是重要研究?jī)?nèi)容：

    通過(guò)修改數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)確定性通訊，以避免傳統(tǒng)以太網(wǎng)的沖突檢測(cè)與避免和回退機(jī)制,從而徹底避免報(bào)文沖突，簡(jiǎn)化通訊數(shù)據(jù)處理；并且支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    附加同步方式來(lái)解決總線上各節(jié)的同步執(zhí)行問(wèn)題，并使同步精度達(dá)到100ns。

    提出對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議的兼容協(xié)議，并支持協(xié)議運(yùn)行模式、電報(bào)定義、通信時(shí)序、從站運(yùn)行方式等內(nèi)容。

    研究高速周期性通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)糾錯(cuò)方法。主要研究數(shù)字伺服現(xiàn)場(chǎng)總線檢錯(cuò)的數(shù)據(jù)保護(hù)方式，研究基于糾錯(cuò)編碼、譯碼的高速周期性通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)糾錯(cuò)方案。

    此外，工業(yè)機(jī)器人是典型的多軸插補(bǔ)控制系統(tǒng)，為了保證插補(bǔ)過(guò)程嚴(yán)格同步，繼而為機(jī)器人TCP（ToolCenterPoint）嚴(yán)格按照目標(biāo)軌跡運(yùn)行提供技術(shù)上的保證，除了總線能夠提供較高精度的同步信號(hào)之外（如EtherCAT總線采取分布時(shí)鐘DistributeClock技術(shù)，通過(guò)EtherCAT報(bào)文自動(dòng)連續(xù)地使本地時(shí)鐘與總線時(shí)鐘保持同步，同步偏差可小于100ns；Powerlink的同步精度小于10個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)也小于200ns）伺服亦需要根據(jù)同步信號(hào)同步本地操作。常見(jiàn)的做法是同步伺服的位置環(huán)，但顯然此法的精度是不夠的。同步伺服的電流環(huán)擁有更高的精度，也是目前國(guó)內(nèi)伺服廠商的重要研究?jī)?nèi)容。

    然后，更重要的是，高速總線并不局限于傳統(tǒng)的位置脈沖控制，它還可以將各個(gè)電機(jī)的實(shí)際位置反饋給機(jī)器人控制器，而控制器又可以通過(guò)扭矩前饋技術(shù)（SpeedandTorqueFeedForward）技術(shù)，直接控制驅(qū)動(dòng)器向電機(jī)前饋電流，以確保軌跡的精確度。同時(shí)，控制器可以通過(guò)控制模型識(shí)別機(jī)器人的姿態(tài)，進(jìn)而修正驅(qū)動(dòng)器各個(gè)控制環(huán)的基本參數(shù)。

    最后，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字伺服性能測(cè)試平臺(tái)及電磁兼容是研究?jī)?nèi)容之一。建立伺服現(xiàn)場(chǎng)總線性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試伺服現(xiàn)場(chǎng)總線性能及其可靠性。通過(guò)電磁兼容性設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。

（2）速度和扭矩前饋技術(shù)

    在機(jī)器人系統(tǒng)中，由于機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械特性隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程的變化，其慣量也產(chǎn)生了變化，例如，當(dāng)機(jī)械臂處于X軸方向伸長(zhǎng)時(shí)，則沿著Y軸方向的旋轉(zhuǎn)在0～90度范圍內(nèi)，其慣量最大變到最小慣量；而當(dāng)這個(gè)臂旋轉(zhuǎn)超過(guò)90～180度范圍時(shí)，則其慣量又開(kāi)始變大。由于這種慣量所產(chǎn)生的變化，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器整個(gè)控制過(guò)程產(chǎn)生調(diào)制振動(dòng)，這也是目前機(jī)器人控制中普遍存在的問(wèn)題。

    對(duì)于機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器，良好的慣量匹配才能產(chǎn)生更好的動(dòng)態(tài)性能，在理想的剛性連接情況下，僅需計(jì)算出所需扭矩即可驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使其處于高動(dòng)態(tài)特性運(yùn)轉(zhuǎn)，然而，由于機(jī)械系統(tǒng)的連接具有的彈性變形，例如減速機(jī)、皮帶、聯(lián)軸器等，使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的高動(dòng)態(tài)控制特性，這就帶來(lái)了慣量匹配的問(wèn)題。在驅(qū)動(dòng)器對(duì)負(fù)載的控制過(guò)程中，其電流環(huán)的計(jì)算周期非?？欤趹T量匹配值較大的情況下，系統(tǒng)需要給出一個(gè)非常大的偏差才能在PID調(diào)節(jié)中實(shí)現(xiàn)輸出，然而，這一扭矩輸出會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

    對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)而言，其慣量的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)在數(shù)學(xué)上可建模的過(guò)程，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)機(jī)器人技術(shù)和專用伺服技術(shù)的研究，我們已經(jīng)掌握了相關(guān)的接口技術(shù)和前饋功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過(guò)建立動(dòng)態(tài)的慣量模型來(lái)為系統(tǒng)的控制提供前饋?zhàn)兞?，并?jì)算出前饋力矩輸出給電機(jī)，該值與控制器給定值在電流環(huán)中的控制輸出進(jìn)行疊加，使得扭矩輸出可以快速的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)整，從而降低扭矩輸出的偏差，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。加入轉(zhuǎn)矩前饋的速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)如下所示，其中為轉(zhuǎn)矩前饋量。

（3）伺服抑振技術(shù)

    伺服抑振技術(shù)主要解決兩個(gè)問(wèn)題，分別是低頻抑振技術(shù)和為解決由于前饋技術(shù)引入的控制器指令直接饋送到電流環(huán)所造成的振動(dòng)。

①低頻抑振技術(shù)

    關(guān)節(jié)機(jī)器人屬于多連桿機(jī)構(gòu)，關(guān)節(jié)處剛度較低，容易產(chǎn)生低頻振蕩，所以，針對(duì)特定的機(jī)器人應(yīng)用，必須解決低頻抑振技術(shù)，這也是通用伺服和機(jī)器人專用伺服的不同特征之一，但是，從控制的角度講，頻率越低越難消除。通過(guò)設(shè)臵限波濾波器，可以設(shè)臵低至1Hz的低頻抑振濾波器，實(shí)現(xiàn)低頻濾波。

②解決由于前饋技術(shù)引入的振動(dòng)

    通過(guò)識(shí)別振動(dòng)和振動(dòng)產(chǎn)生的原因，在振動(dòng)發(fā)生時(shí)迅速識(shí)別振動(dòng)，削弱前饋的影響，通過(guò)伺服本身的位臵環(huán)控制功能，穩(wěn)定機(jī)器人，避免電機(jī)、本體、工具的損壞。

（4）實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)技術(shù)

    實(shí)時(shí)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)技術(shù)作為一項(xiàng)自適應(yīng)技術(shù)，可以部分的解決機(jī)器人姿態(tài)變化過(guò)程中，各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)負(fù)載慣量比變化產(chǎn)生的增益變化問(wèn)題。

    自動(dòng)增益調(diào)節(jié)技術(shù)根據(jù)波波夫超穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)，補(bǔ)償模型不準(zhǔn)確對(duì)狀態(tài)反饋控制的影響。自適應(yīng)模型跟隨速度控制器各環(huán)節(jié)的作用清晰，參數(shù)調(diào)節(jié)靈活。這項(xiàng)技術(shù)的可行性和在速度動(dòng)態(tài)控制性能方面的優(yōu)越性已經(jīng)通過(guò)仿真方法得到了驗(yàn)證。

    通過(guò)三個(gè)可以衡量模型參數(shù)控制效果優(yōu)劣的評(píng)價(jià)公式，在通過(guò)模型參數(shù)整定公式計(jì)算得到初步模型參數(shù)后，不再是以傳統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)曲線的阻尼、峰值、振蕩時(shí)間等作為模型參數(shù)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，而是使電機(jī)速度按照三角波曲線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以評(píng)價(jià)公式的計(jì)算結(jié)果E作為衡量控制效果的量化標(biāo)準(zhǔn)，以縮小E值作為改變模型參數(shù)的目標(biāo)，在初步參數(shù)整定的基礎(chǔ)上不斷對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)越的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制性能。

（5）伺服同步機(jī)弱磁調(diào)速技術(shù)

    通過(guò)弱磁功能可以使電機(jī)短時(shí)間工作在高速低扭矩的狀態(tài)下，以提高電機(jī)特定應(yīng)用中的適應(yīng)性。此項(xiàng)技術(shù)在機(jī)器人輕載高速運(yùn)行時(shí)，屬于必要的支撐功能。

    電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)基速以后,由于輸出電壓達(dá)到最大值,為了保持電壓平衡,隨著轉(zhuǎn)速升高,必須減小磁通,以減小反電勢(shì),此時(shí)電機(jī)進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)，此時(shí)電機(jī)具有恒功率調(diào)速的特性。由于交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與同步轉(zhuǎn)速之間的非線性關(guān)系，以及實(shí)際應(yīng)用中給交流電機(jī)供電的交流變頻器具有最大輸出電壓和電流限制，交流電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)的調(diào)速特性實(shí)際上比較復(fù)雜。然而，交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍主要由電機(jī)的輸出力矩決定，因此，交流電機(jī)的弱磁控制研究也主要是圍繞電機(jī)輸出力矩在電壓和電流的限制內(nèi)如何實(shí)現(xiàn)最大化來(lái)進(jìn)行的。

    目前常用的弱磁控制方法主要有如下三種：

    ①通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子速度成反比來(lái)實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速運(yùn)行。在弱磁區(qū)域交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力依賴于控制策略,參考磁鏈過(guò)高或過(guò)低都將導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。這類弱磁方法不能在已有的電壓限制條件下獲得電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩輸出能力。

    ②根據(jù)變頻器的輸出電壓、電流極限，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)方程的解析方法。由于這類方法需要精確的電機(jī)模型和參數(shù)，算法較為復(fù)雜，且參數(shù)魯棒性較差。

    ③基于電壓閉環(huán)的弱磁控制方法，這類方法與電機(jī)參數(shù)無(wú)關(guān)，具有很好的參數(shù)魯棒性，然而其沒(méi)考慮弱磁區(qū)域內(nèi)的電機(jī)效率問(wèn)題。

    2007年，上海新時(shí)達(dá)開(kāi)始對(duì)永磁同步電機(jī)弱磁控制進(jìn)行調(diào)研研發(fā)工作，并于2009年開(kāi)發(fā)成功了機(jī)床用交流伺服系統(tǒng)，成功應(yīng)用在高速主軸系統(tǒng)中，積累了豐富的閉環(huán)矢量控制下弱磁控制的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

（6）編碼器信號(hào)修正技術(shù)

    高性能的驅(qū)動(dòng)器一般采用以Sin/Cos信號(hào)為基礎(chǔ)信號(hào)的編碼器，此類編碼器以其所能提供的高精度電機(jī)絕對(duì)位臵反饋而被普遍使用，最具代表性的產(chǎn)品為海德漢（Heidenhain）帶Endat數(shù)字通訊接口和施克（Sick）帶Hipface數(shù)字通訊接口的Sin/Coc編碼器。理論上編碼器信號(hào)是由相位差為90度的兩路正弦波構(gòu)成，但是，實(shí)際使用中由于受到線路干擾和信號(hào)處理過(guò)程中引入的問(wèn)題，Sin/Cos信號(hào)會(huì)產(chǎn)生零漂（Offset）以及幅值（Gain）不對(duì)稱和相位（PhaseError）偏移等問(wèn)題，結(jié)果導(dǎo)致檢測(cè)到的電機(jī)機(jī)械角偏離實(shí)際值，從而引起速度和扭矩的波動(dòng)，進(jìn)而激勵(lì)機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音，需要深入研究編碼器修正技術(shù)，提出解決辦法，并將這項(xiàng)技術(shù)用于產(chǎn)品生產(chǎn)。

（7）交流永磁同步伺服系統(tǒng)超低速度檢測(cè)策略

    伺服系統(tǒng)的低速性能直接影響速度控制的調(diào)速范圍和位置控制的定位精度。通常，伺服裝置借助軸向編碼器采樣計(jì)數(shù)得到轉(zhuǎn)子平均速度，然而由于存在檢測(cè)延時(shí),該速度反饋無(wú)法用于高精度伺服控制中。此外，在低速范圍，編碼器信息容易丟失，如果通過(guò)延長(zhǎng)采樣周期以保證速度分辨率，過(guò)長(zhǎng)的反饋延時(shí)將使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，為使伺服系統(tǒng)獲得優(yōu)良的超低速度控制性能，需要對(duì)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的速度檢測(cè)策略進(jìn)行研究。

    由于M/T方法的固有缺陷，使其不適合用于低速或超低速區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速檢測(cè)?？柭鼮V波器（KalmanFilter,KF）法，是在線性最小方差估計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種最優(yōu)估計(jì)遞推算法，其中離散KF算法可以一邊采集數(shù)據(jù)，一邊計(jì)算，便于在數(shù)字控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，存在著由于數(shù)學(xué)模型中參數(shù)變化帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲，也存在由于繞組電流測(cè)量引入的測(cè)量噪聲，相比其它估計(jì)算法，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲時(shí)，該算法仍然能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，因此，KF適用于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)。隨著嵌入式處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的微控制器已具備浮點(diǎn)計(jì)算能力并達(dá)到很高的計(jì)算速度，曾經(jīng)困擾KF的計(jì)算量大等問(wèn)題已不復(fù)存在。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分廠商研究基于卡爾曼濾波器（KalmanFilter,KF）的最優(yōu)估計(jì)理論，將其應(yīng)用于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的超低速度估計(jì)，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)在寬轉(zhuǎn)速范圍下均可平穩(wěn)運(yùn)行。

（8）多驅(qū)動(dòng)共整流單元設(shè)計(jì)

    多驅(qū)動(dòng)共整流單元的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低了整個(gè)伺服系統(tǒng)的成本。同時(shí)，由于系統(tǒng)中的各個(gè)電機(jī)并不是同時(shí)功率輸出的，往往有的處于加速過(guò)程、有的處于減速過(guò)程，共母線的設(shè)計(jì)可以將減速過(guò)程的電機(jī)的制動(dòng)能量再利用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)伺服產(chǎn)品用于工業(yè)機(jī)器人時(shí)，上述技術(shù)均屬于關(guān)鍵支撐技術(shù)。其中，許多技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成熟，但是國(guó)內(nèi)的初級(jí)伺服產(chǎn)品全部或者部分未能實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)，為了滿足機(jī)器人的應(yīng)用，必須成功實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)。

（9）集中式伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

    機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)裝置多采用分立設(shè)計(jì)，通過(guò)伺服級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行分布式控制，雖然具有較好的靈活性，但是在當(dāng)前越來(lái)越激烈的機(jī)器人市場(chǎng)中，體積大、成本高、缺乏品牌特點(diǎn)的問(wèn)題也日益凸顯。縱觀國(guó)際大廠，F(xiàn)UNAC、ABB等機(jī)器人制造領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)逐步擺脫通過(guò)伺服裝置級(jí)聯(lián)進(jìn)行機(jī)器人控制的方式，轉(zhuǎn)而采用集中式的機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)方案，以減小控制柜的體積，簡(jiǎn)化接線，降低機(jī)器人控制系統(tǒng)成本。

    在數(shù)字化的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電流采樣的精度和實(shí)時(shí)性很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。精確的電流測(cè)量是提高系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和快速性的重要因素，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。在傳統(tǒng)的電流檢測(cè)的方案中，霍耳傳感器的零點(diǎn)漂移較大，精度較低，限制了電流測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。采用線性光耦或隔離運(yùn)算放大器可以獲得較高的采樣精度，但這類器件價(jià)格昂貴，硬件設(shè)計(jì)要求高，降低了產(chǎn)品的性價(jià)比。

    采用基于Sigma-Delta技術(shù)的電流采樣方式，Sigma-DeltaADC與眾不同之處在于它將過(guò)采樣、抽取濾波以及量化噪聲整形三項(xiàng)技術(shù)結(jié)合在一起使用，配合FPGA使用，可實(shí)現(xiàn)高精度、低成本的電流采樣方案。Sigma-DeltaADC使用遠(yuǎn)大于Nyquist頻率的采樣速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，輸入信號(hào)譜的調(diào)制部分在頻域中被進(jìn)一步分離，允許濾波器具有較緩慢的截止特性，從而降低了模擬抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度，具有更好的抗混疊性能和更高的分辨率。

    Delta-sigma調(diào)制器的作用類似于輸入信號(hào)的低通濾波器和量化噪聲的高通濾波器，將噪聲推向更高的頻率區(qū)域。這一現(xiàn)象稱為量化噪聲整形，通過(guò)利用數(shù)字抽取，有效地對(duì)調(diào)制器輸出進(jìn)行低通濾波并移除量化噪聲。

    與其他轉(zhuǎn)換器技術(shù)不同，Sigma-DeltaADC是自由運(yùn)行的，也就是說(shuō)在觸發(fā)器條件滿足之前，ADC的輸入信號(hào)也持續(xù)被采樣。此外，由于數(shù)字抽取濾波過(guò)程，在輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣之前有一個(gè)延遲。在高性能伺服控制中，為獲得優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能，拓寬電流環(huán)的帶寬，需要將電流采樣時(shí)刻與PWM的更新時(shí)刻進(jìn)行同步。

（10）低成本、高可靠性的安全措施研究

    目前，小功率的伺服驅(qū)動(dòng)大都采用IPM模塊自帶的短路保護(hù)功能進(jìn)行IGBT直通保護(hù)，大功率伺服驅(qū)動(dòng)通常采用具有短路保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)光耦在發(fā)生直通故障時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些方案中所采用的保護(hù)器件價(jià)格昂貴且保護(hù)條件單一，僅能在母線短路時(shí)提供必要保護(hù)，而用戶需要在軟件中通過(guò)電流采樣值設(shè)定過(guò)流保護(hù)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

    如前所述，采用基于Sigma-Delta方式的ADC進(jìn)行電流采樣，并通過(guò)FPGA對(duì)ADC的輸出的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行抽取和濾波，可以實(shí)現(xiàn)靈活、可靠、低成本的保護(hù)方式，在FPGA中構(gòu)建高速、低分辨率的fastsinc濾波器，可以快速、實(shí)時(shí)采樣電流值，用于短路/過(guò)流保護(hù)。由于該功能通過(guò)FPGA的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，故響應(yīng)快速，可靠性高，并且可以節(jié)省專用保護(hù)器件。

    當(dāng)功率模塊輸出低頻驅(qū)動(dòng)電流時(shí)（低于20Hz），由于每個(gè)IGBT開(kāi)通的時(shí)間較長(zhǎng)，IGBT的結(jié)溫將大幅增加，功率器件能夠輸出的電流將遠(yuǎn)小于其標(biāo)稱的額定電流，此時(shí)傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)將無(wú)法保護(hù)功率模塊的安全。又由于IGBT的核心溫度變化遠(yuǎn)小于散熱片的時(shí)間常數(shù)，在這種特殊情況下，僅通過(guò)采樣散熱片溫度也難以安全可靠的保護(hù)功率模塊。因此，需要通過(guò)構(gòu)建IGBT的溫升模型，利用采樣電流和散熱器溫度實(shí)時(shí)估算模塊的核心溫度，實(shí)現(xiàn)低頻下的模塊溫升保護(hù)。由于IGBT的溫升模型與開(kāi)關(guān)頻率、輸出頻率、輸出電流、門極電阻等多個(gè)參數(shù)有關(guān)，具有多變量非線性的特點(diǎn)，因此，對(duì)這一系統(tǒng)模型進(jìn)行深入研究，可以增強(qiáng)伺服驅(qū)動(dòng)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。

（11）提高伺服產(chǎn)品易用性研究

    國(guó)內(nèi)伺服產(chǎn)品起步晚，技術(shù)相對(duì)落后，因此伺服產(chǎn)品大都力求在產(chǎn)品性能方面尋求突破，而忽略了產(chǎn)品的易用性和用戶體驗(yàn)。在許多應(yīng)用場(chǎng)合，從伺服性能需求上看，國(guó)內(nèi)伺服產(chǎn)品和國(guó)外高端伺服產(chǎn)品均能夠勝任，但在產(chǎn)品的易用性方面相距甚遠(yuǎn)，用戶體驗(yàn)遠(yuǎn)不如國(guó)外知名產(chǎn)品，進(jìn)而失去了部分市場(chǎng)份額。

    為達(dá)到最優(yōu)的驅(qū)控效果，每臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)所匹配的電機(jī)是有限的。按照目前國(guó)內(nèi)伺服的通常做法，廠家在說(shuō)明書上羅列出該伺服驅(qū)動(dòng)器支持的伺服電機(jī)型號(hào)，用戶需要在使用前根據(jù)所選電機(jī)的型號(hào)按照說(shuō)明書上的要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，該過(guò)程繁瑣且容易出錯(cuò)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。目前也有廠商提出一種基于編碼器信息的電機(jī)型號(hào)識(shí)別方法，將電機(jī)型號(hào)及對(duì)應(yīng)參數(shù)存于編碼器的用戶編程區(qū)中，在電機(jī)接入驅(qū)動(dòng)器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器能夠通過(guò)自動(dòng)讀取編碼器的相應(yīng)存儲(chǔ)空間自動(dòng)獲取電機(jī)信息并配置相應(yīng)控制參數(shù)。該方式可簡(jiǎn)化用戶的工作量，提升產(chǎn)品的易用度。

    同樣，在實(shí)際使用伺服帶過(guò)程中，實(shí)際系統(tǒng)中存在負(fù)載慣量、電氣參數(shù)變化以及非線性摩擦等不確定因素，使得事先設(shè)定的控制參數(shù)無(wú)法匹配系統(tǒng)運(yùn)行的所有過(guò)程，在某些階段可能引起系統(tǒng)性能下降和波動(dòng)。為使伺服系統(tǒng)始終保持良好的控制性能，基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（ModelReferenceAdaptiveSystem,MRAS）的在線辨識(shí)方法對(duì)被控對(duì)象（包括伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和負(fù)載）的實(shí)時(shí)特征進(jìn)行在線辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果對(duì)控制參數(shù)實(shí)施在線整定，即實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)廠商的共同研究方向。

    綜上所述，以上從應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)的伺服產(chǎn)品，分析了國(guó)內(nèi)外伺服產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)瓶頸和創(chuàng)新研究方向。目前，國(guó)內(nèi)伺服雖然和歐洲和日本伺服還有一定差距，但是差距在不斷被縮小，隨著國(guó)產(chǎn)伺服產(chǎn)品的崛起，會(huì)越來(lái)越引領(lǐng)上下游配套產(chǎn)品完成技術(shù)迭代，不斷縮小與外資品牌的差距，運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)業(yè)在中國(guó)未來(lái)一定是一個(gè)蓬勃向上的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。