工業(yè)機器人是集機械、電力電子、計算機控制、光電傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的重要先進制造業(yè)自動化裝備。在國外，工業(yè)機器人技術已經(jīng)相當成熟，并成為一種標準設備服務于工業(yè)自動化各個領域。交流永磁同步伺服系統(tǒng)在機器人運動控制領域具有無可替代的地位。

伺服驅(qū)動技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

國內(nèi)的伺服產(chǎn)品主要是經(jīng)濟型伺服驅(qū)動器，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)構簡單，容易實現(xiàn)，經(jīng)過多年的研究，國內(nèi)技術已經(jīng)比較成熟，但是，由于多軸聯(lián)動控制誤差大，無法實現(xiàn)高精度、高速度、多軸同步控制等，所以，不適合在機器人上使用。隨著控制技術、總線技術、微電子技術和電力電子技術的發(fā)展，伺服技術已經(jīng)朝著智能控制和總線驅(qū)動控制的方向發(fā)展。目前國內(nèi)外伺服的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢簡單概括如下：

（1）智能型伺服驅(qū)動器和伺服電機

這種伺服的特點是內(nèi)置PLC和（或）運動控制功能，或者通過豐富的擴展單元擴展特定的智能單元。代表廠家有B&R、Rexroth、Baumullerds、Siemens等公司。智能型伺服驅(qū)動器控制功能復雜、功能強大，內(nèi)置了程序處理單元，用戶可以直接在驅(qū)動器上編程控制伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。配合高精度的伺服電機，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)、復雜控制能力和智能型驅(qū)動器本身的單體控制能力，配合高速總線技術，在多軸同步和多軸插補控制應用中表現(xiàn)出色。

（2)總線驅(qū)動型伺服驅(qū)動器和伺服電機

這類伺服產(chǎn)品的特點主要是控制信號通過高速總線進行傳輸?？偩€驅(qū)動型伺服的驅(qū)動策略和驅(qū)動方法和智能型伺服驅(qū)動器相同，只是總線驅(qū)動型伺服驅(qū)動器不再提供程序處理單元進行單體控制，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)動器的優(yōu)點，如：控制精度高、動態(tài)性能好、適合多軸同步和多軸插補控制等?？偩€驅(qū)動型伺服系統(tǒng)是集中控制多軸插補應用的最佳選擇，非常契合工業(yè)機器人的應用需求。

（3)高速高精伺服驅(qū)動器和伺服電機

目前，國外高性能伺服均采用定制的高速芯片，采用現(xiàn)場可編程門陣列（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的并行計算特性，所有指令均通過硬件門電路瞬時執(zhí)行完成，大幅縮短電流環(huán)的計算時間，進而實現(xiàn)即時采樣即時更新，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)矩控制的動態(tài)性能，確保速度控制和位置控制的優(yōu)良性能。而國內(nèi)伺服驅(qū)動裝置通常采用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，電流采樣時刻和PWM更新時刻之間存在較大延遲，電流環(huán)的控制周期難以進一步縮短，無法實現(xiàn)驅(qū)動電流的高精度實時控制，較大程度上限制了伺服驅(qū)動性能。

機器人伺服系統(tǒng)開發(fā)瓶頸

自主研發(fā)的機器人專用伺服系統(tǒng)主要需要解決的技術瓶頸有：

1.如何實現(xiàn)伺服系統(tǒng)對控制器端的開放性。

總線型伺服系統(tǒng)可支持EthernetPowerLink、EtherCAT和CANopen總線接口，多網(wǎng)絡同一架構，應用層采用Cia402協(xié)議（國際標準IEC61800-7-201），從而確定了其一致性與兼容性，只要是支持標準的主站即可連接。用戶可根據(jù)機器人的不同應用和使用習慣靈活選用多家控制系統(tǒng)，發(fā)揮各家之所長，達到控制系統(tǒng)最優(yōu)化，提高了產(chǎn)品的可維護性、可升級性、兼容性。

如何兼容具有多協(xié)議自適應編碼器通訊接口，實現(xiàn)對第三方伺服電機的良好兼容性。實現(xiàn)對編碼器類型和編碼器零點在線自學習，實現(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，為用戶帶來便捷的系統(tǒng)集成方案和良好的使用體驗。

2.如何攻克基于FPGA的硬件邏輯的過流/短路保護關鍵技術。

小功率的伺服驅(qū)動大都采用IPM模塊自帶的短路保護功能進行IGBT直通保護，大功率伺服驅(qū)動通常采用具有短路保護功能的驅(qū)動光耦在發(fā)生直通故障時關斷驅(qū)動信號。這些方案中所采用的保護器件價格昂貴且保護條件單一，僅能在母線短路時提供必要保護，而用戶需要在軟件中通過電流采樣值設定過流保護點實現(xiàn)過流保護。

如果采用基于Sigma-Delta方式的ADC進行電流采樣，在FPGA中構建高速、低分辨率的fastsinc濾波器，可以快速、實時采樣電流值，用于短路/過流保護。由于該功能通過FPGA的硬件邏輯實現(xiàn)，故響應快速，可靠性高，并且可以節(jié)省專用保護器件。

3.基于永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的逆變器死區(qū)效應補償技術。

PWM死區(qū)的存在，死區(qū)效果的累積會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，增加電機的諧波損耗。為了降低PWM死區(qū)對電機性能的影響，需要對死區(qū)進行補償，降低因為死區(qū)的存在對電機帶來的影響。針對伺服電機矢量控制系統(tǒng)，研究一種基于磁場定向的電流極性判斷方法，采用平均誤差電壓補償法，對伺服電機PWM逆變器的死區(qū)效應進行補償。有效降低電機噪音，提高電機功率因素，降低電機損耗。

4.實現(xiàn)基于IGBT動態(tài)熱力學模型的模塊過熱保護技術。

當功率模塊輸出低頻驅(qū)動電流時（低于20Hz），由于每個IGBT開通的時間較長，IGBT的結(jié)溫將大幅增加，功率器件能夠輸出的電流將遠小于其標稱的額定電流，此時傳統(tǒng)的過流保護將無法保護功率模塊的安全。又由于IGBT的核心溫度變化遠小于散熱片的時間常數(shù)，在這種特殊情況下，僅通過采樣散熱片溫度也難以安全可靠的保護功率模塊。本設計結(jié)合開關頻率、輸出頻率、輸出電流、門極電阻等多個關鍵參數(shù)，構建IGBT的動態(tài)溫升模型，實時估算模塊的核心溫度，實現(xiàn)低頻下的模塊溫升保護。更高的驅(qū)控性能：高端伺服目前可實現(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、高精和多軸實時同步的行業(yè)領域提供理想解決方案。

5.支持標準402運動控制協(xié)議。

機器人伺服系統(tǒng)需要支持Cia402標準中所列的所有運動模式，其中包括同步位置、輪廓位置、插補位置、同步速度、輪廓速度、同步轉(zhuǎn)矩、同步轉(zhuǎn)矩和回零等8種運動模式，機器人控制時可根據(jù)工況需要適時選擇最優(yōu)的控制模式，實現(xiàn)位控或者力控等不同控制需求。

6.安全功能的實現(xiàn)。

其中包括安全轉(zhuǎn)矩關斷（STO），安全停車1（SS1），安全停車2（SS2）和安全制動控制（SBC）等安全功能，保障現(xiàn)場人員和設備安全，提高意外時的檢修效率。

7.實現(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)伺服控制模式升級為并行執(zhí)行模式，充分利用FPGA并行計算的優(yōu)勢，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，提高了頻率響應。

8.機器人專用伺服系統(tǒng)的共直流母線四象限運行。

由于系統(tǒng)中的各個電機并不是同時功率輸出的，往往有的處于加速過程、有的處于減速過程，共母線的設計提高了伺服的加速和制動性能，同時將減速過程的電機的制動能量再利用，從而達到節(jié)能的目的。此外，多驅(qū)動共整流單元的設計簡化了系統(tǒng)的設計，降低了整個伺服系統(tǒng)的成本。

伺服驅(qū)動技術創(chuàng)新研究方向

針對應用于機器人的伺服系統(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

總線型伺服是伺服系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，而基于實時以太網(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)）、更易接入標準以太網(wǎng)、更長的傳輸距離、更高精度的同步（<1us）、更少的布線等優(yōu)點。當前與實時以太網(wǎng)相關的國際標準為IEC61784-2,其中實時性較好的、可用于底層運動控制領域的實時以太網(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；Powerlink則是最早實現(xiàn)實時以太網(wǎng)且開源的總線。

一方面，伺服需要基于國際標準的實現(xiàn)，以面向更廣泛的應用，這包括標準總線以及標準的應用協(xié)議：標準總線EtherCAT、Powerlink是本伺服需要實現(xiàn)的接口；

在伺服的應用層實現(xiàn)標準的伺服應用協(xié)議Cia402(IEC61800)；需要提供一個通用接口以連接多種總線，使總線對于伺服應用透明。

另一方面，國際標準中只有一個國產(chǎn)總線EPA，但其是在鏈路層之上實現(xiàn)軟件調(diào)度，性能較差不能滿足運動控制高實時性的要求。因此，一種改進的專用總線技術是重要研究內(nèi)容：

通過修改數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)確定性通訊，以避免傳統(tǒng)以太網(wǎng)的沖突檢測與避免和回退機制,從而徹底避免報文沖突，簡化通訊數(shù)據(jù)處理；并且支持多種拓撲結(jié)構。

附加同步方式來解決總線上各節(jié)的同步執(zhí)行問題，并使同步精度達到100ns。

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

研究高速周期性通信數(shù)據(jù)的實時糾錯方法。主要研究數(shù)字伺服現(xiàn)場總線檢錯的數(shù)據(jù)保護方式，研究基于糾錯編碼、譯碼的高速周期性通信數(shù)據(jù)的實時糾錯方案。

此外，工業(yè)機器人是典型的多軸插補控制系統(tǒng)，為了保證插補過程嚴格同步，繼而為機器人TCP（ToolCenterPoint）嚴格按照目標軌跡運行提供技術上的保證，除了總線能夠提供較高精度的同步信號之外（如EtherCAT總線采取分布時鐘DistributeClock技術，通過EtherCAT報文自動連續(xù)地使本地時鐘與總線時鐘保持同步，同步偏差可小于100ns；Powerlink的同步精度小于10個節(jié)點時也小于200ns）伺服亦需要根據(jù)同步信號同步本地操作。常見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，也是目前國內(nèi)伺服廠商的重要研究內(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，它還可以將各個電機的實際位置反饋給機器人控制器，而控制器又可以通過扭矩前饋技術（SpeedandTorqueFeedForward）技術，直接控制驅(qū)動器向電機前饋電流，以確保軌跡的精確度。同時，控制器可以通過控制模型識別機器人的姿態(tài)，進而修正驅(qū)動器各個控制環(huán)的基本參數(shù)。

最后，基于現(xiàn)場總線的數(shù)字伺服性能測試平臺及電磁兼容是研究內(nèi)容之一。建立伺服現(xiàn)場總線性能測試平臺，測試伺服現(xiàn)場總線性能及其可靠性。通過電磁兼容性設計，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

在機器人系統(tǒng)中，由于機器人的各個關節(jié)的機械特性隨著運動過程的變化，其慣量也產(chǎn)生了變化，例如，當機械臂處于X軸方向伸長時，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；而當這個臂旋轉(zhuǎn)超過90～180度范圍時，則其慣量又開始變大。由于這種慣量所產(chǎn)生的變化，會對驅(qū)動器整個控制過程產(chǎn)生調(diào)制振動，這也是目前機器人控制中普遍存在的問題。

對于機器人伺服驅(qū)動器，良好的慣量匹配才能產(chǎn)生更好的動態(tài)性能，在理想的剛性連接情況下，僅需計算出所需扭矩即可驅(qū)動系統(tǒng)，使其處于高動態(tài)特性運轉(zhuǎn)，然而，由于機械系統(tǒng)的連接具有的彈性變形，例如減速機、皮帶、聯(lián)軸器等，使其無法實現(xiàn)真正意義上的高動態(tài)控制特性，這就帶來了慣量匹配的問題。在驅(qū)動器對負載的控制過程中，其電流環(huán)的計算周期非?？?，在慣量匹配值較大的情況下，系統(tǒng)需要給出一個非常大的偏差才能在PID調(diào)節(jié)中實現(xiàn)輸出，然而，這一扭矩輸出會產(chǎn)生較大的振動。

對于機器人系統(tǒng)而言，其慣量的變化是一個動態(tài)過程，同時也是一個在數(shù)學上可建模的過程，通過長期對機器人技術和專用伺服技術的研究，我們已經(jīng)掌握了相關的接口技術和前饋功能的實現(xiàn)技術。通過建立動態(tài)的慣量模型來為系統(tǒng)的控制提供前饋變量，并計算出前饋力矩輸出給電機，該值與控制器給定值在電流環(huán)中的控制輸出進行疊加，使得扭矩輸出可以快速的實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)整，從而降低扭矩輸出的偏差，實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。加入轉(zhuǎn)矩前饋的速度環(huán)控制結(jié)構如下所示，其中為轉(zhuǎn)矩前饋量。

（3）伺服抑振技術

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

①低頻抑振技術

關節(jié)機器人屬于多連桿機構，關節(jié)處剛度較低，容易產(chǎn)生低頻振蕩，所以，針對特定的機器人應用，必須解決低頻抑振技術，這也是通用伺服和機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。通過設臵限波濾波器，可以設臵低至1Hz的低頻抑振濾波器，實現(xiàn)低頻濾波。

②解決由于前饋技術引入的振動

通過識別振動和振動產(chǎn)生的原因，在振動發(fā)生時迅速識別振動，削弱前饋的影響，通過伺服本身的位臵環(huán)控制功能，穩(wěn)定機器人，避免電機、本體、工具的損壞。

（4）實時自動增益調(diào)節(jié)技術

實時自動增益調(diào)節(jié)技術作為一項自適應技術，可以部分的解決機器人姿態(tài)變化過程中，各個關節(jié)電機負載慣量比變化產(chǎn)生的增益變化問題。

自動增益調(diào)節(jié)技術根據(jù)波波夫超穩(wěn)定理論設計，補償模型不準確對狀態(tài)反饋控制的影響。自適應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。這項技術的可行性和在速度動態(tài)控制性能方面的優(yōu)越性已經(jīng)通過仿真方法得到了驗證。

通過三個可以衡量模型參數(shù)控制效果優(yōu)劣的評價公式，在通過模型參數(shù)整定公式計算得到初步模型參數(shù)后，不再是以傳統(tǒng)的速度階躍響應曲線的阻尼、峰值、振蕩時間等作為模型參數(shù)優(yōu)化的標準，而是使電機速度按照三角波曲線運動，在運動過程中以評價公式的計算結(jié)果E作為衡量控制效果的量化標準，以縮小E值作為改變模型參數(shù)的目標，在初步參數(shù)整定的基礎上不斷對模型參數(shù)進行微調(diào)，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)越的靜態(tài)和動態(tài)控制性能。

（5）伺服同步機弱磁調(diào)速技術

通過弱磁功能可以使電機短時間工作在高速低扭矩的狀態(tài)下，以提高電機特定應用中的適應性。此項技術在機器人輕載高速運行時，屬于必要的支撐功能。

電機轉(zhuǎn)速超過基速以后,由于輸出電壓達到最大值,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,此時電機進入弱磁調(diào)速區(qū)，此時電機具有恒功率調(diào)速的特性。由于交流電機電磁轉(zhuǎn)矩與同步轉(zhuǎn)速之間的非線性關系，以及實際應用中給交流電機供電的交流變頻器具有最大輸出電壓和電流限制，交流電機弱磁運行時的調(diào)速特性實際上比較復雜。然而，交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍主要由電機的輸出力矩決定，因此，交流電機的弱磁控制研究也主要是圍繞電機輸出力矩在電壓和電流的限制內(nèi)如何實現(xiàn)最大化來進行的。

目前常用的弱磁控制方法主要有如下三種：

①通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子速度成反比來實現(xiàn)弱磁調(diào)速運行。在弱磁區(qū)域交流電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力依賴于控制策略,參考磁鏈過高或過低都將導致輸出轉(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，基于電機穩(wěn)態(tài)方程的解析方法。由于這類方法需要精確的電機模型和參數(shù)，算法較為復雜，且參數(shù)魯棒性較差。

③基于電壓閉環(huán)的弱磁控制方法，這類方法與電機參數(shù)無關，具有很好的參數(shù)魯棒性，然而其沒考慮弱磁區(qū)域內(nèi)的電機效率問題。

2007年，上海新時達開始對永磁同步電機弱磁控制進行調(diào)研研發(fā)工作，并于2009年開發(fā)成功了機床用交流伺服系統(tǒng)，成功應用在高速主軸系統(tǒng)中，積累了豐富的閉環(huán)矢量控制下弱磁控制的開發(fā)經(jīng)驗。

（6）編碼器信號修正技術

高性能的驅(qū)動器一般采用以Sin/Cos信號為基礎信號的編碼器，此類編碼器以其所能提供的高精度電機絕對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。理論上編碼器信號是由相位差為90度的兩路正弦波構成，但是，實際使用中由于受到線路干擾和信號處理過程中引入的問題，Sin/Cos信號會產(chǎn)生零漂（Offset）以及幅值（Gain）不對稱和相位（PhaseError）偏移等問題，結(jié)果導致檢測到的電機機械角偏離實際值，從而引起速度和扭矩的波動，進而激勵機械振動和產(chǎn)生噪音，需要深入研究編碼器修正技術，提出解決辦法，并將這項技術用于產(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數(shù)得到轉(zhuǎn)子平均速度，然而由于存在檢測延時,該速度反饋無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，如果通過延長采樣周期以保證速度分辨率，過長的反饋延時將使系統(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，需要對系統(tǒng)低速運行時的速度檢測策略進行研究。

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?？柭鼮V波器（KalmanFilter,KF）法，是在線性最小方差估計基礎上發(fā)展起來的一種最優(yōu)估計遞推算法，其中離散KF算法可以一邊采集數(shù)據(jù)，一邊計算，便于在數(shù)字控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。在伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，存在著由于數(shù)學模型中參數(shù)變化帶來的系統(tǒng)噪聲，也存在由于繞組電流測量引入的測量噪聲，相比其它估計算法，當出現(xiàn)系統(tǒng)噪聲和測量噪聲時，該算法仍然能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)進行準確估計，因此，KF適用于伺服驅(qū)動系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時估計。隨著嵌入式處理器技術的不斷進步，現(xiàn)在的微控制器已具備浮點計算能力并達到很高的計算速度，曾經(jīng)困擾KF的計算量大等問題已不復存在。目前國內(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)估計理論，將其應用于伺服驅(qū)動系統(tǒng)的超低速度估計，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)在寬轉(zhuǎn)速范圍下均可平穩(wěn)運行。

（8）多驅(qū)動共整流單元設計

多驅(qū)動共整流單元的設計簡化了系統(tǒng)的設計，降低了整個伺服系統(tǒng)的成本。同時，由于系統(tǒng)中的各個電機并不是同時功率輸出的，往往有的處于加速過程、有的處于減速過程，共母線的設計可以將減速過程的電機的制動能量再利用，從而達到節(jié)能的目的。當伺服產(chǎn)品用于工業(yè)機器人時，上述技術均屬于關鍵支撐技術。其中，許多技術在國外已經(jīng)成熟，但是國內(nèi)的初級伺服產(chǎn)品全部或者部分未能實現(xiàn)上述技術，為了滿足機器人的應用，必須成功實現(xiàn)這些技術。

（9）集中式伺服驅(qū)動技術

機器人伺服驅(qū)動裝置多采用分立設計，通過伺服級聯(lián)的方式進行分布式控制，雖然具有較好的靈活性，但是在當前越來越激烈的機器人市場中，體積大、成本高、缺乏品牌特點的問題也日益凸顯?？v觀國際大廠，F(xiàn)UNAC、ABB等機器人制造領先企業(yè)已經(jīng)逐步擺脫通過伺服裝置級聯(lián)進行機器人控制的方式，轉(zhuǎn)而采用集中式的機器人伺服驅(qū)動方案，以減小控制柜的體積，簡化接線，降低機器人控制系統(tǒng)成本。

在數(shù)字化的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，電流采樣的精度和實時性很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。精確的電流測量是提高系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和快速性的重要因素，同時也是實現(xiàn)高性能閉環(huán)控制系統(tǒng)的關鍵所在。在傳統(tǒng)的電流檢測的方案中，霍耳傳感器的零點漂移較大，精度較低，限制了電流測量精度的進一步提高。采用線性光耦或隔離運算放大器可以獲得較高的采樣精度，但這類器件價格昂貴，硬件設計要求高，降低了產(chǎn)品的性價比。

采用基于Sigma-Delta技術的電流采樣方式，Sigma-DeltaADC與眾不同之處在于它將過采樣、抽取濾波以及量化噪聲整形三項技術結(jié)合在一起使用，配合FPGA使用，可實現(xiàn)高精度、低成本的電流采樣方案。Sigma-DeltaADC使用遠大于Nyquist頻率的采樣速率對輸入信號進行過采樣，輸入信號譜的調(diào)制部分在頻域中被進一步分離，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計難度，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，通過利用數(shù)字抽取，有效地對調(diào)制器輸出進行低通濾波并移除量化噪聲。

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

（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)動大都采用IPM模塊自帶的短路保護功能進行IGBT直通保護，大功率伺服驅(qū)動通常采用具有短路保護功能的驅(qū)動光耦在發(fā)生直通故障時關斷驅(qū)動信號。這些方案中所采用的保護器件價格昂貴且保護條件單一，僅能在母線短路時提供必要保護，而用戶需要在軟件中通過電流采樣值設定過流保護點實現(xiàn)過流保護。

如前所述，采用基于Sigma-Delta方式的ADC進行電流采樣，并通過FPGA對ADC的輸出的調(diào)制信號進行抽取和濾波，可以實現(xiàn)靈活、可靠、低成本的保護方式，在FPGA中構建高速、低分辨率的fastsinc濾波器，可以快速、實時采樣電流值，用于短路/過流保護。由于該功能通過FPGA的硬件邏輯實現(xiàn)，故響應快速，可靠性高，并且可以節(jié)省專用保護器件。

當功率模塊輸出低頻驅(qū)動電流時（低于20Hz），由于每個IGBT開通的時間較長，IGBT的結(jié)溫將大幅增加，功率器件能夠輸出的電流將遠小于其標稱的額定電流，此時傳統(tǒng)的過流保護將無法保護功率模塊的安全。又由于IGBT的核心溫度變化遠小于散熱片的時間常數(shù)，在這種特殊情況下，僅通過采樣散熱片溫度也難以安全可靠的保護功率模塊。因此，需要通過構建IGBT的溫升模型，利用采樣電流和散熱器溫度實時估算模塊的核心溫度，實現(xiàn)低頻下的模塊溫升保護。由于IGBT的溫升模型與開關頻率、輸出頻率、輸出電流、門極電阻等多個參數(shù)有關，具有多變量非線性的特點，因此，對這一系統(tǒng)模型進行深入研究，可以增強伺服驅(qū)動的環(huán)境適應性和可靠性。

（11）提高伺服產(chǎn)品易用性研究

國內(nèi)伺服產(chǎn)品起步晚，技術相對落后，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。在許多應用場合，從伺服性能需求上看，國內(nèi)伺服產(chǎn)品和國外高端伺服產(chǎn)品均能夠勝任，但在產(chǎn)品的易用性方面相距甚遠，用戶體驗遠不如國外知名產(chǎn)品，進而失去了部分市場份額。

為達到最優(yōu)的驅(qū)控效果，每臺伺服驅(qū)動所匹配的電機是有限的。按照目前國內(nèi)伺服的通常做法，廠家在說明書上羅列出該伺服驅(qū)動器支持的伺服電機型號，用戶需要在使用前根據(jù)所選電機的型號按照說明書上的要求進行參數(shù)設置，該過程繁瑣且容易出錯，嚴重影響產(chǎn)品的使用體驗。目前也有廠商提出一種基于編碼器信息的電機型號識別方法，將電機型號及對應參數(shù)存于編碼器的用戶編程區(qū)中，在電機接入驅(qū)動器時，驅(qū)動器能夠通過自動讀取編碼器的相應存儲空間自動獲取電機信息并配置相應控制參數(shù)。該方式可簡化用戶的工作量，提升產(chǎn)品的易用度。

同樣，在實際使用伺服帶過程中，實際系統(tǒng)中存在負載慣量、電氣參數(shù)變化以及非線性摩擦等不確定因素，使得事先設定的控制參數(shù)無法匹配系統(tǒng)運行的所有過程，在某些階段可能引起系統(tǒng)性能下降和波動。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系統(tǒng)（ModelReferenceAdaptiveSystem,MRAS）的在線辨識方法對被控對象（包括伺服電機、傳動機構和負載）的實時特征進行在線辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果對控制參數(shù)實施在線整定，即實現(xiàn)參數(shù)自整定，目前已經(jīng)成為國內(nèi)廠商的共同研究方向。

綜上所述，以上從應用于機器人行業(yè)的伺服產(chǎn)品，分析了國內(nèi)外伺服產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀、技術瓶頸和創(chuàng)新研究方向。目前，國內(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，隨著國產(chǎn)伺服產(chǎn)品的崛起，會越來越引領上下游配套產(chǎn)品完成技術迭代，不斷縮小與外資品牌的差距，運動控制產(chǎn)業(yè)在中國未來一定是一個蓬勃向上的朝陽產(chǎn)業(yè)。