伺服驱动器在工业机器人上的应用

1、概述

近年来，中国的工业机器人新装量和保有量都呈现快速的增长，目前总体保有量已经接近10万台，而且据调研机构预计，未来中国工业机器人市场每年还将以20%的增速增长。虽然机器人应用已经在国内得到快速的发展，但是我国机器人市场仍然以国外企业为主，本土企业的市场占有率仅占4%。这其中一个很主要的原因就是机器人核心零部件的国产化进程较慢，国内机器人整机厂商只能进口国外产品，导致整机成本较高，在同国外厂商的竞争中处于劣势。

CoolDrive A8伺服驱动器是清能德创电气技术（北京）有限公司最新推出的国内首款网络化模块化伺服驱动产品，融合了共直流母线、能效管理、功能安全，多轴同步等多项创新技术，为客户提供更节能，更灵活，更安全的伺服系统。CoolDrive A8从产品形态、功能上来说非常适合用于工业机器人行业，完全可以替代国外同类产品，为客户提供更具性价比的方案。

2、国产50kG六关节工业机器人

本次项目所使用的50kG六关节工业机器人是国产最新型号，具有结构紧凑，关节速度较高，动态响应快，精度高，过载能力强等特点。电控系统采用总线结构，扩展应用方便。适用于搬运，激光切割，打磨抛光等场合。其产品性能如下表所示：

表1 机器人性能参数表

3、系统设计

3.1客户需求

客户这台6关节工业机器人要求实现较高的关节速度和重复定位精度，同时要求在带载运行时保持机器人的稳定性。此外，客户要求可通过控制器对伺服驱动器的内部功能参数进行人工在线设定，以便实现精确控制。

图1机器人机械系统组成图

3.2设计难点

工业机器人是非常典型的多轴控制系统，为使机器人能达到较高的重复定位精度，除了要求控制器有很强的路径规划算法及插补功能以外，伺服驱动器也必须保证在执行控制器位置指令时，保持所有关节严格同步。而为了提高机器人的运行速度，就需要伺服系统具有很强的瞬时过载能力和极高的动态响应特性。

如何减少机器人在运行过程中发生的振动，一直是机器人用伺服系统的一个难题，这也是很多国内伺服产品无法应用到工业机器人上的一个原因。

振动主要出现在两种工况，一是机器人在启动和停止时，机器人本体和末端会发生振动；一是机器人在高速运行，并移动范围较大时，本体会出现振动和运行轨迹偏差较大的现象。引起振动的主要原因就是机器人各个关节的惯量发生了较大变化，要消除振动必须在伺服驱动器中加入各种前馈补偿控制功能。

3.2系统方案设计

通过对客户需求的深入分析，我们为客户设计了“KEBA控制器+CoolDrive A8”伺服驱动器的电控系统解决方案。

这套系统的优势在于：

1. 机器人专用控制系统

本次项目选择的是KEBA专为机器人行业开发的KeMotion控制系统，包括控制器、视教盒以及控制软件。其控制器和视教盒都支持EtherCAT高速工业以太网通讯，具有很高的计算性能和通讯速度。

KeMotion还提供了强大的机器人控制软件，其中内置了多种类型的机器人路径规划模型，能够快速完成机器人的开发；同时软件还提供了丰富的补偿算法和插补功能，保证了机器人的控制精度。

2. CoolDrive A8高性能伺服驱动器

CoolDrive A8是国内首家通过ETG一致性测试的产品，因此能够很好同KEBA控制器进行配合；同时，CoolDrive A8内置的电流环、 速度环以及位置环的循环时间分别达到了62.5us、 125us和250us, 频率响应更是高达3KHz，充分满足工业机器人对动态响应和同步性的要求。

针对机器人的振动问题，CoolDrive A8加入了速度、加速度前馈补偿，力矩补偿等补偿算法，并开发了定位抖动消除、惯量前馈等功能，较好的解决了机器人本体在高速运行、快速定位时产生的振动。除此之外， CoolDrive A8还增加了电机弱磁控制技术以实现机器人的轻载高速运行，增加编码器信号修正技术以提高机器人的稳定性和降低运行中的噪音等。

CoolDrive A8还在国内伺服厂商中创新性的采用模块化设计。整个系统由整流模块和电机驱动模块构成，通过直流母线连接。这样的结构便于用户进行系统扩展，而且连线非常简单，直流母线还能提高系统的能源效率，使设备更加节能。CoolDrive A8还内置了STO、SS1、SS2等安全功能，在紧急情况下能够按照事先预定的规则进行安全停车，保护设备及人员的安全。

4、机器人实际性能测试

在实际测试过程中，在没有加入速度、加速度前馈补偿，力矩补偿等补偿算法的情况下，机器人在满载运行时，会发生明显振动。在机器人启动的瞬间，如果没有提前给定力矩补偿，机器人本体由于重力的作用会发生下沉的动作，也就是俗称的“点头”。而在机器人由高速运行状态快速停止时，如果没有“定位抖动消除”功能，机器人本体会由于惯性的突然变化而发生抖动。

下图是没有开启补偿及振动抑制功能时，机器人的位置误差，可以看到明显的振动现象。

下图是开启补偿及振动抑制功能后，机器人本体的位置误差情况，能够非常明显的看出，机器人本体的振动得到了有效抑制。

5、结束语

清能德创致力于为国内机器人整机厂商提供国产高端伺服系统，在性能和功能上能够满足机器人对伺服系统的要求，同时也没有国外产品高昂的价格，从而实现机器人关键零部件的国产化，降低国内机器人整机厂商的总体成本，提高国产机器人的竞争力。(end)