CoolDrive A8伺服驅動器在工業機器人上的應用_清能德創_

CoolDrive A8伺服驅動器在工業機器人上的應用

2014/2/20 10:49:27

1、概述

近年來，中國的工業機器人新裝量和保有量都呈現快速的增長，目前總體保有量已經接近10萬臺，而且據調研機構預計，未來中國工業機器人市場每年還將以20%的增速增長。雖然機器人應用已經在國內得到快速的發展，但是我國機器人市場仍然以國外企業為主，本土企業的市場占有率僅占4%。這其中一個很主要的原因就是機器人核心零部件的國產化進程較慢，國內機器人整機廠商只能進口國外產品，導致整機成本較高，在同國外廠商的競爭中處于劣勢。

CoolDrive A8伺服驅動器是清能德創電氣技術（北京）有限公司最新推出的國內首款網絡化模塊化伺服驅動產品，融合了共直流母線、能效管理、功能安全，多軸同步等多項創新技術，為客戶提供更節能，更靈活，更安全的伺服系統。CoolDrive A8從產品形態、功能上來說非常適合用于工業機器人行業，完全可以替代國外同類產品，為客戶提供更具性價比的方案。

2、國產50kG六關節工業機器人

本次項目所使用的50kG六關節工業機器人是國產最新型號，具有結構緊湊，關節速度較高，動態響應快，精度高，過載能力強等特點。電控系統采用總線結構，擴展應用方便。適用于搬運，激光切割，打磨拋光等場合。其產品性能如下表所示：

表1 機器人性能參數表

型號		ER50-C20
動作類型		關節型
控制軸		6軸
放置方式		地裝
最大動作速度	J1軸	130°/sec
	J2軸	130°/sec
	J3軸	130°/sec
	J4軸	250°/sec
	J5軸	250°/sec
	J6軸	355°/sec
最大動作范圍	J1軸	±180°
	J2軸	+80°/-135°
	J3軸	+225°/-80°
	J4軸	±360°
	J5軸	±120°
	J6軸	±450°
最大活動半徑		2146mmm
手腕部最大負載		最大50kg
重復定位精度		±0.15mm
本體重量		550kg

圖1機器人機械系統組成圖

3、系統設計

3.1客戶需求

客戶這臺6關節工業機器人要求實現較高的關節速度和重復定位精度，同時要求在帶載運行時保持機器人的穩定性。此外，客戶要求可通過控制器對伺服驅動器的內部功能參數進行人工在線設定，以便實現精確控制。

3.2設計難點

工業機器人是非常典型的多軸控制系統，為使機器人能達到較高的重復定位精度，除了要求控制器有很強的路徑規劃算法及插補功能以外，伺服驅動器也必須保證在執行控制器位置指令時，保持所有關節嚴格同步。而為了提高機器人的運行速度，就需要伺服系統具有很強的瞬時過載能力和極高的動態響應特性。

如何減少機器人在運行過程中發生的振動，一直是機器人用伺服系統的一個難題，這也是很多國內伺服產品無法應用到工業機器人上的一個原因。

振動主要出現在兩種工況，一是機器人在啟動和停止時，機器人本體和末端會發生振動；一是機器人在高速運行，并移動范圍較大時，本體會出現振動和運行軌跡偏差較大的現象。引起振動的主要原因就是機器人各個關節的慣量發生了較大變化，要消除振動必須在伺服驅動器中加入各種前饋補償控制功能。

3.3系統方案設計

通過對客戶需求的深入分析，我們為客戶設計了“KEBA控制器+CoolDrive A8”伺服驅動器的電控系統解決方案。

這套系統的優勢在于：

1. 機器人專用控制系統

本次項目選擇的是KEBA專為機器人行業開發的KeMotion控制系統，包括控制器、視教盒以及控制軟件。其控制器和視教盒都支持EtherCAT高速工業以太網通訊，具有很高的計算性能和通訊速度。

KeMotion還提供了強大的機器人控制軟件，其中內置了多種類型的機器人路徑規劃模型，能夠快速完成機器人的開發；同時軟件還提供了豐富的補償算法和插補功能，保證了機器人的控制精度。

2. CoolDrive A8高性能伺服驅動器

CoolDrive A8是國內首家通過ETG一致性測試的產品，因此能夠很好同KEBA控制器進行配合；同時，CoolDrive A8內置的電流環、速度環以及位置環的循環時間分別達到了62.5us、 125us和250us, 頻率響應更是高達3KHz，充分滿足工業機器人對動態響應和同步性的要求。

針對機器人的振動問題，CoolDrive A8加入了速度、加速度前饋補償，力矩補償等補償算法，并開發了定位抖動消除、慣量前饋等功能，較好的解決了機器人本體在高速運行、快速定位時產生的振動。除此之外， CoolDrive A8還增加了電機弱磁控制技術以實現機器人的輕載高速運行，增加編碼器信號修正技術以提高機器人的穩定性和降低運行中的噪音等。

CoolDrive A8還在國內伺服廠商中創新性的采用模塊化設計。整個系統由整流模塊和電機驅動模塊構成，通過直流母線連接。這樣的結構便于用戶進行系統擴展，而且連線非常簡單，直流母線還能提高系統的能源效率，使設備更加節能。CoolDrive A8還內置了STO、SS1、SS2等安全功能，在緊急情況下能夠按照事先預定的規則進行安全停車，保護設備及人員的安全。

4、機器人實際性能測試

在實際測試過程中，在沒有加入速度、加速度前饋補償，力矩補償等補償算法的情況下，機器人在滿載運行時，會發生明顯振動。在機器人啟動的瞬間，如果沒有提前給定力矩補償，機器人本體由于重力的作用會發生下沉的動作，也就是俗稱的“點頭”。而在機器人由高速運行狀態快速停止時，如果沒有“定位抖動消除”功能，機器人本體會由于慣性的突然變化而發生抖動。

下圖是沒有開啟補償及振動抑制功能時，機器人的位置誤差，可以看到明顯的振動現象。