工业机器人是集机械、电力电子、计算机控制、光电传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要先进制造业自动化装备。在国外,工业机器人技术已经相当成熟,并成为一种标准设备服务于工业自动化各个领域。交流永磁同步伺服系统在机器人运动控制领域具有无可替代的地位。
伺服驱动技术发展现状和趋势
国内的伺服产品主要是经济型伺服驱动器,这类伺服产品的控制方式以脉冲或者模拟量输入控制方式为主。这类伺服产品结构简单,容易实现,经过多年的研究,国内技术已经比较成熟,但是,由于多轴联动控制误差大,无法实现高精度、高速度、多轴同步控制等,所以,不适合在机器人上使用。随着控制技术、总线技术、微电子技术和电力电子技术的发展,伺服技术已经朝着智能控制和总线驱动控制的方向发展。目前国内外伺服的现状和发展趋势简单概括如下:
(1)智能型伺服驱动器和伺服电机
这种伺服的特点是内置PLC和(或)运动控制功能,或者通过丰富的扩展单元扩展特定的智能单元。代表厂家有B&R、Rexroth、Baumullerds、Siemens等公司。智能型伺服驱动器控制功能复杂、功能强大,内置了程序处理单元,用户可以直接在驱动器上编程控制伺服系统运转。配合高精度的伺服电机,智能型伺服系统可以提供非常高的控制精度和非常好的动态性能,还可以配合上位控制器使用,充分发挥了控制器轨迹生产、复杂控制能力和智能型驱动器本身的单体控制能力,配合高速总线技术,在多轴同步和多轴插补控制应用中表现出色。
(2)总线驱动型伺服驱动器和伺服电机
这类伺服产品的特点主要是控制信号通过高速总线进行传输。总线驱动型伺服的驱动策略和驱动方法和智能型伺服驱动器相同,只是总线驱动型伺服驱动器不再提供程序处理单元进行单体控制,所有控制功能依赖上位控制器。这类伺服充分吸收了智能型伺服驱动器的优点,如:控制精度高、动态性能好、适合多轴同步和多轴插补控制等。总线驱动型伺服系统是集中控制多轴插补应用的最佳选择,非常契合工业机器人的应用需求。
(3)高速高精伺服驱动器和伺服电机
目前,国外高性能伺服均采用定制的高速芯片,采用现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)替代传统的嵌入式控制芯片,将顺序执行的控制程序综合为FPGA中的硬件逻辑电路。得益于FPGA的并行计算特性,所有指令均通过硬件门电路瞬时执行完成,大幅缩短电流环的计算时间,进而实现即时采样即时更新,缩短采样到更新之间的延迟,有助于提高电流控制精度和转矩控制的动态性能,确保速度控制和位置控制的优良性能。而国内伺服驱动装置通常采用DSP、ARM等嵌入式控制器作为主控芯片,受限于程序指令顺序执行的固有模式,电流采样时刻和PWM更新时刻之间存在较大延迟,电流环的控制周期难以进一步缩短,无法实现驱动电流的高精度实时控制,较大程度上限制了伺服驱动性能。
机器人伺服系统开发瓶颈
自主研发的机器人专用伺服系统主要需要解决的技术瓶颈有:
1.如何实现伺服系统对控制器端的开放性。
总线型伺服系统可支持EthernetPowerLink、EtherCAT和CANopen总线接口,多网络同一架构,应用层采用Cia402协议(国际标准IEC61800-7-201),从而确定了其一致性与兼容性,只要是支持标准的主站即可连接。用户可根据机器人的不同应用和使用习惯灵活选用多家控制系统,发挥各家之所长,达到控制系统最优化,提高了产品的可维护性、可升级性、兼容性。
如何兼容具有多协议自适应编码器通讯接口,实现对第三方伺服电机的良好兼容性。实现对编码器类型和编码器零点在线自学习,实现不同种类编码器热插拔和即插即用。其中包括Smart-ABS(TAMAGAWA)、Endat2.1/2.2(HEIDENHAIN)、HIPERFACEDSL(SICK)、NIKON单圈/多圈绝对值、BISS、SSI、旋变、ABZ编码器等市面主流的编码器类型编码器,为用户带来便捷的系统集成方案和良好的使用体验。
2.如何攻克基于FPGA的硬件逻辑的过流/短路保护关键技术。
小功率的伺服驱动大都采用IPM模块自带的短路保护功能进行IGBT直通保护,大功率伺服驱动通常采用具有短路保护功能的驱动光耦在发生直通故障时关断驱动信号。这些方案中所采用的保护器件价格昂贵且保护条件单一,仅能在母线短路时提供必要保护,而用户需要在软件中通过电流采样值设定过流保护点实现过流保护。
如果采用基于Sigma-Delta方式的ADC进行电流采样,在FPGA中构建高速、低分辨率的fastsinc滤波器,可以快速、实时采样电流值,用于短路/过流保护。由于该功能通过FPGA的硬件逻辑实现,故响应快速,可靠性高,并且可以节省专用保护器件。
3.基于永磁同步电动机矢量控制系统的逆变器死区效应补偿技术。
PWM死区的存在,死区效果的累积会使逆变器输出电压波形畸变,降低基波幅值,改变低次谐波含量,增加电机的谐波损耗。为了降低PWM死区对电机性能的影响,需要对死区进行补偿,降低因为死区的存在对电机带来的影响。针对伺服电机矢量控制系统,研究一种基于磁场定向的电流极性判断方法,采用平均误差电压补偿法,对伺服电机PWM逆变器的死区效应进行补偿。有效降低电机噪音,提高电机功率因素,降低电机损耗。
4.实现基于IGBT动态热力学模型的模块过热保护技术。
当功率模块输出低频驱动电流时(低于20Hz),由于每个IGBT开通的时间较长,IGBT的结温将大幅增加,功率器件能够输出的电流将远小于其标称的额定电流,此时传统的过流保护将无法保护功率模块的安全。又由于IGBT的核心温度变化远小于散热片的时间常数,在这种特殊情况下,仅通过采样散热片温度也难以安全可靠的保护功率模块。本设计结合开关频率、输出频率、输出电流、门极电阻等多个关键参数,构建IGBT的动态温升模型,实时估算模块的核心温度,实现低频下的模块温升保护。更高的驱控性能:高端伺服目前可实现轴间±100ns的同步精度,5kHz电流环带宽及2.5kHz速度环带宽,此性能可为需求高速、高精和多轴实时同步的行业领域提供理想解决方案。
5.支持标准402运动控制协议。
机器人伺服系统需要支持Cia402标准中所列的所有运动模式,其中包括同步位置、轮廓位置、插补位置、同步速度、轮廓速度、同步转矩、同步转矩和回零等8种运动模式,机器人控制时可根据工况需要适时选择最优的控制模式,实现位控或者力控等不同控制需求。
6.安全功能的实现。
其中包括安全转矩关断(STO),安全停车1(SS1),安全停车2(SS2)和安全制动控制(SBC)等安全功能,保障现场人员和设备安全,提高意外时的检修效率。
7.实现基于硬件逻辑的电流环控制方法。
将顺序执行的传统伺服控制模式升级为并行执行模式,充分利用FPGA并行计算的优势,将原有几十微秒的执行周期缩短至1微秒以内,缩短了由采样到更新之间的延时,提高了频率响应。
8.机器人专用伺服系统的共直流母线四象限运行。
由于系统中的各个电机并不是同时功率输出的,往往有的处于加速过程、有的处于减速过程,共母线的设计提高了伺服的加速和制动性能,同时将减速过程的电机的制动能量再利用,从而达到节能的目的。此外,多驱动共整流单元的设计简化了系统的设计,降低了整个伺服系统的成本。
伺服驱动技术创新研究方向
针对应用于机器人的伺服系统,目前业内的研究方向包括:
(1)基于高速总线的路径控制技术
总线型伺服是伺服系统的一个重要发展方向,而基于实时以太网的伺服则有更快的传输速度(如100Mbps、1Gbps)、更大数据包容量(1500字节)、更易接入标准以太网、更长的传输距离、更高精度的同步(<1us)、更少的布线等优点。当前与实时以太网相关的国际标准为IEC61784-2,其中实时性较好的、可用于底层运动控制领域的实时以太网有EtherCAT、SERCOSIII、ProfiNETIRT、Powerlink。其中EtherCAT具有较高的性能,如最小的通讯周期和最小的同步抖动;Powerlink则是最早实现实时以太网且开源的总线。
一方面,伺服需要基于国际标准的实现,以面向更广泛的应用,这包括标准总线以及标准的应用协议:标准总线EtherCAT、Powerlink是本伺服需要实现的接口;
在伺服的应用层实现标准的伺服应用协议Cia402(IEC61800);需要提供一个通用接口以连接多种总线,使总线对于伺服应用透明。
另一方面,国际标准中只有一个国产总线EPA,但其是在链路层之上实现软件调度,性能较差不能满足运动控制高实时性的要求。因此,一种改进的专用总线技术是重要研究内容:
通过修改数据链路层实现确定性通讯,以避免传统以太网的冲突检测与避免和回退机制,从而彻底避免报文冲突,简化通讯数据处理;并且支持多种拓扑结构。
附加同步方式来解决总线上各节的同步执行问题,并使同步精度达到100ns。
提出对传统以太网协议的兼容协议,并支持协议运行模式、电报定义、通信时序、从站运行方式等内容。
研究高速周期性通信数据的实时纠错方法。主要研究数字伺服现场总线检错的数据保护方式,研究基于纠错编码、译码的高速周期性通信数据的实时纠错方案。
此外,工业机器人是典型的多轴插补控制系统,为了保证插补过程严格同步,继而为机器人TCP(ToolCenterPoint)严格按照目标轨迹运行提供技术上的保证,除了总线能够提供较高精度的同步信号之外(如EtherCAT总线采取分布时钟DistributeClock技术,通过EtherCAT报文自动连续地使本地时钟与总线时钟保持同步,同步偏差可小于100ns;Powerlink的同步精度小于10个节点时也小于200ns)伺服亦需要根据同步信号同步本地操作。常见的做法是同步伺服的位置环,但显然此法的精度是不够的。同步伺服的电流环拥有更高的精度,也是目前国内伺服厂商的重要研究内容。
然后,更重要的是,高速总线并不局限于传统的位置脉冲控制,它还可以将各个电机的实际位置反馈给机器人控制器,而控制器又可以通过扭矩前馈技术(SpeedandTorqueFeedForward)技术,直接控制驱动器向电机前馈电流,以确保轨迹的精确度。同时,控制器可以通过控制模型识别机器人的姿态,进而修正驱动器各个控制环的基本参数。
最后,基于现场总线的数字伺服性能测试平台及电磁兼容是研究内容之一。建立伺服现场总线性能测试平台,测试伺服现场总线性能及其可靠性。通过电磁兼容性设计,提高系统的抗干扰能力,提高系统可靠性。
(2)速度和扭矩前馈技术
在机器人系统中,由于机器人的各个关节的机械特性随着运动过程的变化,其惯量也产生了变化,例如,当机械臂处于X轴方向伸长时,则沿着Y轴方向的旋转在0~90度范围内,其惯量最大变到最小惯量;而当这个臂旋转超过90~180度范围时,则其惯量又开始变大。由于这种惯量所产生的变化,会对驱动器整个控制过程产生调制振动,这也是目前机器人控制中普遍存在的问题。
对于机器人伺服驱动器,良好的惯量匹配才能产生更好的动态性能,在理想的刚性连接情况下,仅需计算出所需扭矩即可驱动系统,使其处于高动态特性运转,然而,由于机械系统的连接具有的弹性变形,例如减速机、皮带、联轴器等,使其无法实现真正意义上的高动态控制特性,这就带来了惯量匹配的问题。在驱动器对负载的控制过程中,其电流环的计算周期非常快,在惯量匹配值较大的情况下,系统需要给出一个非常大的偏差才能在PID调节中实现输出,然而,这一扭矩输出会产生较大的振动。
对于机器人系统而言,其惯量的变化是一个动态过程,同时也是一个在数学上可建模的过程,通过长期对机器人技术和专用伺服技术的研究,我们已经掌握了相关的接口技术和前馈功能的实现技术。通过建立动态的惯量模型来为系统的控制提供前馈变量,并计算出前馈力矩输出给电机,该值与控制器给定值在电流环中的控制输出进行叠加,使得扭矩输出可以快速的实现稳态调整,从而降低扭矩输出的偏差,实现稳定的控制。加入转矩前馈的速度环控制结构如下所示,其中为转矩前馈量。
(3)伺服抑振技术
伺服抑振技术主要解决两个问题,分别是低频抑振技术和为解决由于前馈技术引入的控制器指令直接馈送到电流环所造成的振动。
①低频抑振技术
关节机器人属于多连杆机构,关节处刚度较低,容易产生低频振荡,所以,针对特定的机器人应用,必须解决低频抑振技术,这也是通用伺服和机器人专用伺服的不同特征之一,但是,从控制的角度讲,频率越低越难消除。通过设臵限波滤波器,可以设臵低至1Hz的低频抑振滤波器,实现低频滤波。
②解决由于前馈技术引入的振动
通过识别振动和振动产生的原因,在振动发生时迅速识别振动,削弱前馈的影响,通过伺服本身的位臵环控制功能,稳定机器人,避免电机、本体、工具的损坏。
(4)实时自动增益调节技术
实时自动增益调节技术作为一项自适应技术,可以部分的解决机器人姿态变化过程中,各个关节电机负载惯量比变化产生的增益变化问题。
自动增益调节技术根据波波夫超稳定理论设计,补偿模型不准确对状态反馈控制的影响。自适应模型跟随速度控制器各环节的作用清晰,参数调节灵活。这项技术的可行性和在速度动态控制性能方面的优越性已经通过仿真方法得到了验证。
通过三个可以衡量模型参数控制效果优劣的评价公式,在通过模型参数整定公式计算得到初步模型参数后,不再是以传统的速度阶跃响应曲线的阻尼、峰值、振荡时间等作为模型参数优化的标准,而是使电机速度按照三角波曲线运动,在运动过程中以评价公式的计算结果E作为衡量控制效果的量化标准,以缩小E值作为改变模型参数的目标,在初步参数整定的基础上不断对模型参数进行微调,使系统获得更优越的静态和动态控制性能。
(5)伺服同步机弱磁调速技术
通过弱磁功能可以使电机短时间工作在高速低扭矩的状态下,以提高电机特定应用中的适应性。此项技术在机器人轻载高速运行时,属于必要的支撑功能。
电机转速超过基速以后,由于输出电压达到最大值,为了保持电压平衡,随着转速升高,必须减小磁通,以减小反电势,此时电机进入弱磁调速区,此时电机具有恒功率调速的特性。由于交流电机电磁转矩与同步转速之间的非线性关系,以及实际应用中给交流电机供电的交流变频器具有最大输出电压和电流限制,交流电机弱磁运行时的调速特性实际上比较复杂。然而,交流调速系统的调速范围主要由电机的输出力矩决定,因此,交流电机的弱磁控制研究也主要是围绕电机输出力矩在电压和电流的限制内如何实现最大化来进行的。
目前常用的弱磁控制方法主要有如下三种:
①通过调节电机转子磁链与转子速度成反比来实现弱磁调速运行。在弱磁区域交流电机的转矩输出能力依赖于控制策略,参考磁链过高或过低都将导致输出转矩下降。这类弱磁方法不能在已有的电压限制条件下获得电机的最大转矩输出能力。
②根据变频器的输出电压、电流极限,基于电机稳态方程的解析方法。由于这类方法需要精确的电机模型和参数,算法较为复杂,且参数鲁棒性较差。
③基于电压闭环的弱磁控制方法,这类方法与电机参数无关,具有很好的参数鲁棒性,然而其没考虑弱磁区域内的电机效率问题。
2007年,上海新时达开始对永磁同步电机弱磁控制进行调研研发工作,并于2009年开发成功了机床用交流伺服系统,成功应用在高速主轴系统中,积累了丰富的闭环矢量控制下弱磁控制的开发经验。
(6)编码器信号修正技术
高性能的驱动器一般采用以Sin/Cos信号为基础信号的编码器,此类编码器以其所能提供的高精度电机绝对位臵反馈而被普遍使用,最具代表性的产品为海德汉(Heidenhain)带Endat数字通讯接口和施克(Sick)带Hipface数字通讯接口的Sin/Coc编码器。理论上编码器信号是由相位差为90度的两路正弦波构成,但是,实际使用中由于受到线路干扰和信号处理过程中引入的问题,Sin/Cos信号会产生零漂(Offset)以及幅值(Gain)不对称和相位(PhaseError)偏移等问题,结果导致检测到的电机机械角偏离实际值,从而引起速度和扭矩的波动,进而激励机械振动和产生噪音,需要深入研究编码器修正技术,提出解决办法,并将这项技术用于产品生产。
(7)交流永磁同步伺服系统超低速度检测策略
伺服系统的低速性能直接影响速度控制的调速范围和位置控制的定位精度。通常,伺服装置借助轴向编码器采样计数得到转子平均速度,然而由于存在检测延时,该速度反馈无法用于高精度伺服控制中。此外,在低速范围,编码器信息容易丢失,如果通过延长采样周期以保证速度分辨率,过长的反馈延时将使系统变得不稳定,为使伺服系统获得优良的超低速度控制性能,需要对系统低速运行时的速度检测策略进行研究。
由于M/T方法的固有缺陷,使其不适合用于低速或超低速区域内转速检测。卡尔曼滤波器(KalmanFilter,KF)法,是在线性最小方差估计基础上发展起来的一种最优估计递推算法,其中离散KF算法可以一边采集数据,一边计算,便于在数字控制系统中实现。在伺服驱动系统中,存在着由于数学模型中参数变化带来的系统噪声,也存在由于绕组电流测量引入的测量噪声,相比其它估计算法,当出现系统噪声和测量噪声时,该算法仍然能够对系统状态进行准确估计,因此,KF适用于伺服驱动系统运行状态的实时估计。随着嵌入式处理器技术的不断进步,现在的微控制器已具备浮点计算能力并达到很高的计算速度,曾经困扰KF的计算量大等问题已不复存在。目前国内已经有部分厂商研究基于卡尔曼滤波器(KalmanFilter,KF)的最优估计理论,将其应用于伺服驱动系统的超低速度估计,实现伺服系统在宽转速范围下均可平稳运行。
(8)多驱动共整流单元设计
多驱动共整流单元的设计简化了系统的设计,降低了整个伺服系统的成本。同时,由于系统中的各个电机并不是同时功率输出的,往往有的处于加速过程、有的处于减速过程,共母线的设计可以将减速过程的电机的制动能量再利用,从而达到节能的目的。当伺服产品用于工业机器人时,上述技术均属于关键支撑技术。其中,许多技术在国外已经成熟,但是国内的初级伺服产品全部或者部分未能实现上述技术,为了满足机器人的应用,必须成功实现这些技术。
(9)集中式伺服驱动技术
机器人伺服驱动装置多采用分立设计,通过伺服级联的方式进行分布式控制,虽然具有较好的灵活性,但是在当前越来越激烈的机器人市场中,体积大、成本高、缺乏品牌特点的问题也日益凸显。纵观国际大厂,FUNAC、ABB等机器人制造领先企业已经逐步摆脱通过伺服装置级联进行机器人控制的方式,转而采用集中式的机器人伺服驱动方案,以减小控制柜的体积,简化接线,降低机器人控制系统成本。
在数字化的伺服驱动系统中,电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的性能。精确的电流测量是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要因素,同时也是实现高性能闭环控制系统的关键所在。在传统的电流检测的方案中,霍耳传感器的零点漂移较大,精度较低,限制了电流测量精度的进一步提高。采用线性光耦或隔离运算放大器可以获得较高的采样精度,但这类器件价格昂贵,硬件设计要求高,降低了产品的性价比。
采用基于Sigma-Delta技术的电流采样方式,Sigma-DeltaADC与众不同之处在于它将过采样、抽取滤波以及量化噪声整形三项技术结合在一起使用,配合FPGA使用,可实现高精度、低成本的电流采样方案。Sigma-DeltaADC使用远大于Nyquist频率的采样速率对输入信号进行过采样,输入信号谱的调制部分在频域中被进一步分离,允许滤波器具有较缓慢的截止特性,从而降低了模拟抗混叠滤波器的设计难度,具有更好的抗混叠性能和更高的分辨率。
Delta-sigma调制器的作用类似于输入信号的低通滤波器和量化噪声的高通滤波器,将噪声推向更高的频率区域。这一现象称为量化噪声整形,通过利用数字抽取,有效地对调制器输出进行低通滤波并移除量化噪声。
与其他转换器技术不同,Sigma-DeltaADC是自由运行的,也就是说在触发器条件满足之前,ADC的输入信号也持续被采样。此外,由于数字抽取滤波过程,在输入信号转换为数字采样之前有一个延迟。在高性能伺服控制中,为获得优秀的动态性能,拓宽电流环的带宽,需要将电流采样时刻与PWM的更新时刻进行同步。
(10)低成本、高可靠性的安全措施研究
目前,小功率的伺服驱动大都采用IPM模块自带的短路保护功能进行IGBT直通保护,大功率伺服驱动通常采用具有短路保护功能的驱动光耦在发生直通故障时关断驱动信号。这些方案中所采用的保护器件价格昂贵且保护条件单一,仅能在母线短路时提供必要保护,而用户需要在软件中通过电流采样值设定过流保护点实现过流保护。
如前所述,采用基于Sigma-Delta方式的ADC进行电流采样,并通过FPGA对ADC的输出的调制信号进行抽取和滤波,可以实现灵活、可靠、低成本的保护方式,在FPGA中构建高速、低分辨率的fastsinc滤波器,可以快速、实时采样电流值,用于短路/过流保护。由于该功能通过FPGA的硬件逻辑实现,故响应快速,可靠性高,并且可以节省专用保护器件。
当功率模块输出低频驱动电流时(低于20Hz),由于每个IGBT开通的时间较长,IGBT的结温将大幅增加,功率器件能够输出的电流将远小于其标称的额定电流,此时传统的过流保护将无法保护功率模块的安全。又由于IGBT的核心温度变化远小于散热片的时间常数,在这种特殊情况下,仅通过采样散热片温度也难以安全可靠的保护功率模块。因此,需要通过构建IGBT的温升模型,利用采样电流和散热器温度实时估算模块的核心温度,实现低频下的模块温升保护。由于IGBT的温升模型与开关频率、输出频率、输出电流、门极电阻等多个参数有关,具有多变量非线性的特点,因此,对这一系统模型进行深入研究,可以增强伺服驱动的环境适应性和可靠性。
(11)提高伺服产品易用性研究
国内伺服产品起步晚,技术相对落后,因此伺服产品大都力求在产品性能方面寻求突破,而忽略了产品的易用性和用户体验。在许多应用场合,从伺服性能需求上看,国内伺服产品和国外高端伺服产品均能够胜任,但在产品的易用性方面相距甚远,用户体验远不如国外知名产品,进而失去了部分市场份额。
为达到最优的驱控效果,每台伺服驱动所匹配的电机是有限的。按照目前国内伺服的通常做法,厂家在说明书上罗列出该伺服驱动器支持的伺服电机型号,用户需要在使用前根据所选电机的型号按照说明书上的要求进行参数设置,该过程繁琐且容易出错,严重影响产品的使用体验。目前也有厂商提出一种基于编码器信息的电机型号识别方法,将电机型号及对应参数存于编码器的用户编程区中,在电机接入驱动器时,驱动器能够通过自动读取编码器的相应存储空间自动获取电机信息并配置相应控制参数。该方式可简化用户的工作量,提升产品的易用度。
同样,在实际使用伺服带过程中,实际系统中存在负载惯量、电气参数变化以及非线性摩擦等不确定因素,使得事先设定的控制参数无法匹配系统运行的所有过程,在某些阶段可能引起系统性能下降和波动。为使伺服系统始终保持良好的控制性能,基于模型参考自适应系统(ModelReferenceAdaptiveSystem,MRAS)的在线辨识方法对被控对象(包括伺服电机、传动机构和负载)的实时特征进行在线辨识,并根据辨识结果对控制参数实施在线整定,即实现参数自整定,目前已经成为国内厂商的共同研究方向。
综上所述,以上从应用于机器人行业的伺服产品,分析了国内外伺服产品的发展现状、技术瓶颈和创新研究方向。目前,国内伺服虽然和欧洲和日本伺服还有一定差距,但是差距在不断被缩小,随着国产伺服产品的崛起,会越来越引领上下游配套产品完成技术迭代,不断缩小与外资品牌的差距,运动控制产业在中国未来一定是一个蓬勃向上的朝阳产业。
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