【文/潘敏瑤】11月30日，在2018中國博山高端裝備與智能製造峰會上，全球各地的智能製造專家齊聚一堂，共同探討工業4.0和智能製造的機遇與挑戰。會上，清能德創副總經理湯小平探討了協作和服務機器人伺服驅動方面的相關最新技術。
首先，湯小平以“清能德創”、“EtherCAT”兩個關鍵詞開啟了演講，清能德創成立於2012年，被評價為中國EtherCAT驅動引領者。北京總公司為總部、研發中心；上海子公司主要業務為應用及系統集成；蕪湖子公司為製造中心；各地辦事處提供銷售及技術支持。
湯小平介紹，清能德創有四大技術優勢：國內率先突破總線型多軸一體伺服驅動技術，並推出系列驅動產品；國內首先掌握模塊化、網絡化、共直流母線技術，並推出系列伺服產品；全面掌握EtherCAT從站技術，併成為國內首個通過ETG一致性認證的廠家；自主研發技術突破，建立伺服驅動技術平臺，擁有多項專利和專有技術。
清能德創採用全自動高精度生產線，2012年開發了高端模塊化總線型，伺服驅動產品系列CoolDrive A8；2014年開發了工業機器人專用多軸，一體伺服驅動產品系列CoolDrive R系列；2016年開發出緊湊型多軸一體，伺服驅動產品系列CoolDrive RC系列。除此之外，智能網絡伺服CoolDrive S7系列即將上市。
CoolDrive系列家族已成為齊全的工業機器人伺服驅動品類，幾乎涵蓋所有工業機器人類型，配套國內眾多機器人整機廠商。截至2018年6月底，CoolDrive系列EtherCAT高性能伺服驅動器累計銷售突破10萬軸。
接下來，湯小平重點闡述了協作和服務機器人關節伺服驅動需求及技術。他介紹，伺服系統是一種自動化運動控制裝置，用於精確地實現對機械部件的位置、方位、狀態等進行控制。
“它決定自動化機械的精度、控制速度和穩定性，是工業自動化設備的核心，也是工業運動控制的重要組成部分，被廣泛應用於工業機器人及數控加工中心等自動化設備中。”湯小平說道。
他對伺服系統的組成與基本結構作了進一步闡釋，伺服系統架構包含上位控制器、伺服驅動器、伺服電機及編碼器。“在控制領域裡，‘大腦’是控制器，執行機構就是伺服驅動器，伺服驅動器帶動一個伺服電機控制設備的動作。伺服電機的反饋裝置將動作反饋給伺服驅動器，從而建立起一個閉環的控制。”
驅動控制技術包括逆變器拓撲結構、PWM調製技術、電流控制策略、死區等非線性因素補償技術等；電機本體設計包括環形磁鋼設計、斜極斜槽設計、無槽設計、製造工藝等；運動控制技術包括魯棒控制、自適應控制、參數自整定、預測控制、運動控制總線技術等；信號檢測技術則包括位置檢測、電流檢測、電壓檢測、溫度檢測、檢測延時補償及無位置傳感器驅動技術等。
湯小平認為，協作和服務機器人關節伺服驅動需求有四大方面，第一，機器人關節一體化、標準化、模塊化、應用個性化；第二，運動控制狀態及反饋仿生化，包括協調柔和的“肌肉關節型運動控制”，多形態的“神經反饋”融合；第三，協同安全，也就是具備關節運動安全機制，能夠應對極端情況；第四，健康管理，即健康狀態的自診斷、自維護。
需求一：伺服驅動一體化集成技術
在伺服驅動一體化集成技術上，湯小平認為現狀是“機器關節=減速機+電機+編碼器+伺服驅動器”，未來將是“機器人關節=關節機構+關節傳感伺服驅動器一體化”。
當前技術實際上是通用伺服驅動器產品傳感器與驅動器分離；伺服驅動控制電路、功率電路分離；控制、信號處理、功率多種通用芯片協同工作。
這樣的技術存在多重痛點，比如需要各種接口和傳輸線，線路複雜，易受干擾；通用芯片無法優化，損耗大功率低；結構複雜、體積大，功率密度低。
基於此，湯小平提出了傳感器集成技術方案，採用新型傳感器方案，實現傳感與驅動電路集成，無導線聯接，運用到容柵型編碼器技術，力矩、方向、溫度傳感器集成技術。
同時，需要接口標準化技術，即功率+信號統一的標準化接口技術，包括硬件接口標準化技術，數據流、能量流接口標準化技術。
此外，還提出了芯片集成技術解決方案，即專用單芯片技術解決方案。目前，專用SOC單芯片技術正在發展完善，集控制、隔離驅動、功率器件、檢測反饋於一體的專用混合單芯片技術即將成為終極解決方案。
湯小平也提出了高功率密度和過載能力技術解決方案，採用新型功率芯片，運用SiCGaN技術實現開關頻率＞100kHz；10倍過載，效率＞99%；高溫工作結溫 。
他解釋，伺服驅動之所以能夠驅動電機，主要通過內部開關器件、功率器件來控制電機的動作，實現對電機位置、速度、力矩等進行控制。開關控制實際上是伺服驅動器裡核心的部件。目前在新能源領域已經採用了新的功率器件，如碳化硅、氮化鎵等功率器件，使得開關頻率較高，目前不會超過2K赫茲的開關頻率。在電力電子領域，開關頻率越高意味著損耗越小，這與體積直接相關。
此外，這個功率器件可以做到十倍過載，目前一般的伺服驅動器達到三倍過載就是挺不錯的。在溫度上，該功率器在越是高溫的環境反而效率更高，因而對散熱也就沒有那麼高的要求。
需求二：安全仿生化伺服驅動控制技術
針對第二個需求“安全仿生化伺服驅動控制技術”，技術現狀是：1、嚴格的位置/速度指令跟隨伺服控制；2、以消除位置/速度誤差為控制優先，僅從電機控制的角度進行伺服驅動控制的優化；3、已發展出滿足工業機器人應用的伺服驅動控制標準（如：IEC61800-7）；4、在工業應用中有相關的功能安全標準（如IEC61508）；5、故障保護處理以驅動器及電機避免損壞為優先保護目標。
目前有三大痛點，首先，協作和服務機器人伺服驅動相關國際標準尚不完善或沒有；其次，無法平滑柔順地控制關節運動，並根據情況進行自動調整；最後，伺服驅動控制策略及故障保護處理策略無法滿足機器與人協同工作的安全性。
為了應對，湯小平積極探討多模式混合運動控制技術，根據環境及工作情況，進行控制模式切換；在出現工作條件突變時，能夠自適應，形成新的運動控制模式，最大限度達成協同工作目標。
需求三：人機協同安全伺服驅動控制技術
針對人機協同安全伺服驅動控制技術，湯小平認為包括四個方面：1、以人類協同者安全為最優目標的控制策略；2、故障保護處理時，以人類協同者安全優先的故障處理策略；3、多傳感器數據融合，能夠正確迅速識別協同安全狀態模式；4、建立完善的人機安全伺服驅動標準。
需求四：伺服驅動器健康管理技術
提到第四個需求“伺服驅動器健康管理技術”，當前的技術具備驅動器自身及電機相關的故障保護功能；故障保護處理以驅動器及電機避免損壞優先為目的；僅對故障時伺服驅動器內部數據進行記錄和上傳。
這類技術面對機器人關節部件出現故障時，由於缺乏全面的數據記錄和上傳，很難對故障進行定位；機器人關節自身的“健康狀況”無法進行自評估，並根據評估結果調整運行模式和進行預測性維護。
機器人關節健康管理技術則可以解決這些問題，伺服驅動器-機器人關節“健康”管理“關鍵神經節點”；對傳感器數據進行初步健康檢查處理，判定“健康”狀態；根據“健康”狀態的自檢，確定關節“健康”指數或“疼痛”指數；根據關節“健康”狀態，自動調整關節伺服驅動控制模式；故障過程的全數據記錄，分析和上傳。
最後，湯小平對協作和服務機器人伺服驅動器技術發展方向總結為七個詞：集成、網絡化、智能化、平臺化、健康、安全、綠色。
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