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伺服驱动技术发展现状及开发趋势

文: | 2018年第一期 (0) | (0)

    最近一两年伺服驱动技术的发展日新月异,整体应用水平显著提升。在年初中国传动网举办的“2018智能制造&中国运动控制行业发展高峰论坛”上,哈尔滨工业大学杨明教授总结了现阶段国内伺服驱动技术的开发现状,并结合哈工大在伺服领域的研究成果,分析了伺服驱动技术未来的重要发展趋势。

伺服驱动技术的发展现状

    就目前伺服驱动技术的发展现状,从基本性能指标来看,以1马力(750W)通用伺服系统为例,市场主流产品的最高转速可达6000rpm(额定转速2倍),最大转矩为3.5倍额定转矩,码盘分辨率:24Bit,定位精度可达1.2纳米(导程20mm滚珠丝杠),响应速度为速度环3.1kHz。

    在核心技术方面,主要是针对控制器的参数自整定技术的开发。参数自整定性能是衡量高档伺服系统水平的显著标志之一。从技术角度来说,参数自整定性能的实现主要分为两种方法,一种方法是基于模型法,即根据电机本体的模型以及复杂的模型,可以精确地匹配出参数;另一种是在线整定伺服系统的参数;当然,也有把这两种方式相结合的方法,我们认为将两种方式融合是较佳的一种参数自整定技术发展趋势,目前哈工大也在朝这个方向探索。

    总体来看,伺服驱动系统的发展趋势是:体积减小,质量减轻,并提升了最高转矩、转速;提高响应性,缩短调整时间;提高了整定性能,使调谐趋于简单便利;提高了扩展性,增加指令形式,扩充匹配的电机种类。

    值得关注的还有机械谐振抑制技术和多轴驱动一体化技术的发展。目前一些主流品牌或高档伺服系统都已具备这种谐振抑制功能,而且均能提供四到五个不同谐振范围的机械共振抑制波段。而在多轴驱动一体化技术的开发上,这种架构极大地降低了系统的体积,并通过共直流母线方式有效地降低了电容容量、提高了整体效率,是现阶段许多企业投入研发的一个重点。目前市场上众多驱控一体化产品主要分为两类,一类是模块化拓展型,它有一个直流母线或是能量单位;还有一种就是2、4、8轴一体式专机型。但同时,也有部分产品仅仅只是将多个单轴驱动器“简单”地做到一个控制器内,内部的控制结构几乎没有改变,并没有真正地实现多轴驱动融合,更多的只是做到了驱动一体化,而控制器还是需要上位机或运动控制卡来发出指令。

伺服驱动技术未来开发趋势

    由于材料的变革,尤其是受主控芯片和功率器件这两类半导体技术发展的影响,伺服驱动技术将产生颠覆性的创新。总体来看,伺服驱动技术的未来开发趋势包括以下四个方面。

    首先,在主控芯片的发展上,市场主流的控制器多采用的是双核结构(FPGA+ARM),目前在安川SigmaVII系列中已经采用了双核一体式控制器,其将这两个控制芯片进行了集成,使得保密性更强,布线也更简单。随着芯片技术的发展,类似智能手机使用的多核驱控集成式控制器将会出现在市场上,它既能保持FPGA+ARM的运算优势;同时利用内部总线,避免了复杂的外部接线,具有超高的通信速度;有利于多轴运动轨迹控制精度的提高与振动抑制能力的提升。

    随着多核芯片能力的提升,将伺服驱动、运动控制一体化集成在底层嵌入式系统当中,可极大地降低系统集成复杂性、成本与体积;并且由于克服了总线通讯的延时,运动控制整体性能也将得到极大地提升。以工业机器人使用的电机和伺服性能优化为例,在我们目前提出的技术方案中的一个重点就是要真正做到驱控一体化,即从传统的一个示教盒加一个上位机(单核芯片、多控制器分布式结构),过渡到一个示教盒加多轴驱控一体机(多核芯片、驱控一体结构),这也是未来的一个重要的研发方向。

    第二个方向是基于宽禁带器件的高频化电机驱动系统的开发。根据碳化硅(SiC)器件的市场调研和预测显示,从2015年开始SiC器件的应用市场年增长率已到达39%,特别是在AC电机驱动系统的应用上,从2016年从无到有,SiC器件的使用量急速增长,其在电动车和光伏驱动领域得到了大量的应用。

    宽禁带半导体器件的应用令到电力电子系统的性能全面提升,具有高效率、高温高频、优越的动态性能、小体积低成本、高功率密度、高稳定可靠性等特点。采用基于宽禁带器件的电机与驱动器一体化系统,当开关频率达到40kHz时,驱动器所需电容体积为10kHz开关频率时的25%。此外,基于宽禁带器件的高频化电机驱动系统的输出功率900W,效率可达到99%。从高速电机的角度来看,可增加逆变器的开关频率,改善控制效果;还可增加离散化频率,减小离散化误差。当然,高频化也会带来dv/dt和di/dt的问题,一般有几种解决方案,即增大门级电阻、RC滤波、LC滤波及其他滤波。

    第三个方向是提升伺服系统产品可靠性和一致性关键技术。首先要判断出来影响电机的机理和因素,进行高低温度循环、步进振动应力和连续起停试验,全面激发伺服系统潜在故障;并采用故障树分析(FTA)和故障模式影响及危害度分析(FMECA),确定伺服系统关键零部件。之后,就是伺服系统寿命预测及可靠性增长研究,从理论角度来提升可靠性增长,最后是建设伺服电机和驱动器核心功能测试平台,以及伺服电机和驱动器加速等效可靠性测试平台。

    第四个方向是智能化伺服驱动系统的研究,其中包括:传动链模式识别、参数免调试技术、电机本体/驱动器/传动链运行状态在线监控、安全运行能力等。

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