汤小平：以创新伺服驱动技术助力国产机器人发展
2017-11-17 来源：转载 作者：-
第七届中国国际机器人高峰论坛工业机器人主题论坛上，清能德创作为工业机器人核心零部件领域的代表性企业，为观众呈现了国产伺服驱动如何通过产品迭代，助推国产机器人发展。清能德创电气技术（北京）有限公司汤小平副总经理除了介绍了公司自创建以来开发的系列产品外，还分享了如何帮助客户的工业机器人实现精准、快速、安全、稳定的控制。（以下文字根据速记整理，仅供参考）
各位嘉宾下午好，前面的各位老师讲的是工业机器人的创新以及应用，我们公司是做机器人的核心零部件的，我给大家分享的题目是“以创新伺服驱动技术助力国产机器人发展”。
先简单介绍一下我们公司的概况，我们公司总部在北京，在上海有一家分公司，在成都和深圳各有办事处，这是我们目前的组织架构。可能大家一看到我们公司LOGO中这个紫色，会猜到我们跟清华是有些关系的，的确，我们核心团队都是来自清华大学电机系的，有着20年的在这个行业的从业经验和产品研发经验。我们是研发型企业，50%是技术人员，我们目前跟国内的高校和科研院所，如清华大学，北航、中科院等，建立一个创新的合作联盟。我们目前有三大主要系列产品，从中间紫色的A8到左边的R系列，到稍微小一点的RC系列。我们驱动器产品在国产工业机器人中获得广泛应用，国内目前做工业机器人的厂商，只要他们不是自己做伺服驱动器的，多多少少都用我们的驱动器。
伺服驱动器是机器人核心零部件中的一个。我们公司在成立的时候就定位成智能装备的核心零部件供应商。根据我们2016年统计的数据显示，目前在这个行业里整个应用超过三万根轴。我们产品最初定位的行业除了工业机器人之外还包括机床、纺织机械等。
我们的产品品牌是CoolDrive。这是我们的第一款产品，A8系列。当时我们产品一出来的时候，国内很多伺服行业的同仁都觉得眼前一亮，以前看到伺服都是跟松下安川差不多的，突然出来一个完全不一样的，有点像欧系品牌的伺服。其实我们不光形似，神也似，我们在A8里面最早应用EtherCAT总线技术，然后还集成了同步伺服驱动技术。A8的产品功率是从2.5千瓦到20千瓦左右，对应机器人从50公斤到210公斤。这是A8大概的系统架构图，这是一个共直流母线的架构，有两条母线，上面一条是控制母线，下面是动力母线，理论上它可以无限制拓展下去。最左边是电源模块，上面是通过EtherCAT总线把各个模块连在一起的。我们在工业机器人领域推出A8之后，我们的用户非常喜欢，我们紧跟着在2015年左右推出了这个R系列产品。R系列里面也是继承了A8系列的特点，为什么叫R系列，专门针对机器人设计的，我们在一个产品中集成了六轴或者四轴机器人专用伺服驱动器。
R系列产品，作为机器人伺服来说对A8系列的补充，A8是针对50公斤以上的，R系列是针对20公斤以下的。我们这里有六轴，四轴，三轴的R系列驱动器。这是我们的R6，做了一个透明化后的效果，内部也是模块结构。早期我们的客户是用普通的脉冲型伺服，这个伺服的体积比较大，线比较多，换成我们的R伺服以后体积减少了，整个系统的可靠性也得到很大的提高。
紧跟着在2016年的时候，我们根据市场的需求，推出了一个RC系列，这个伺服是针对6公斤、3公斤桌面型的机器人。这种机器人尺寸非常小，整个六轴加在一起它的尺寸只有一张A4纸那么大。RC系列的电流比较小一点，我们设计的时候是5A，现在可以扩到8A。还有一点不一样的是RC系列用到了高速DI/DO，如果用户需要的话不需要外扩我们可以直接做了。
今年我们在工博会上会展出我们最新的产品，叫做CoolDriveMini系列。下面是带壳的，上面是不带壳的，我们有两种安装方式，一种是提供整机，还有一种是单个模块使用。电流设计是30A以下，跟所有的产品一样标配了EtherCAT，支持多种编码器。Mini系列伺服是用在协作机器人，以及AGV小车上面。
这是CoolDriveMini的大概尺寸，我们跟iphone进行了对比，高度方向大概跟苹果8puls差不多高，低压模块尺寸比它更小，这个大家可以看到。右边是它的主要参数，目前是从5A到30A的功率范围，小功率的是三倍以上的过载，大功率的是两倍的过载，持续过载时间是三秒钟。底下是CDEM系列产品，嵌入式模块，可以有一个母板，把嵌入式模块装到母板里可以形成多轴的系列。
我们作为一个核心零部件，怎么帮助我们的客户实现工业机器人的精准、快速、安全、稳定的控制呢，我可以从下面几点分享一下。
首先是精准，关于精准，可能有很多指标或者很多技术实现机器人运行的精准控制，我这里选取了其中一个。机器人是多轴系统，我们要进行多轴协调控制，怎么做呢，我们当时采用了EtherCAT的高速工业以太网，EtherCAT技术有一个很好的特点，传输速度快，双向一百兆的传输速率，它的典型控制周期可以做到一个毫秒，我们最快做到250微秒。第三点，同步误差可以做到小于1微秒。而且EtherCAT内部有一个同步时钟，多轴同步控制的很好，所以在一开始的时候把EtherCAT作为我们产品的标准，EtherCAT成了我们产品的基因。
关于快速控制的问题，这是我们产品典型的指标，三环控制周期，这个在国内来说是做的比较好的。我们的电流环响应频率是3K赫兹，最大过载倍数都是三倍过载，我们的通讯周期可以做到250个微秒，所以我们在适应多种控制器游刃有余，不管控制器是一毫秒或者五百微秒控制周期，我们驱动器都可以匹配上的。
另外一个是好马配好鞍，我们这个驱动器虽然有这么快速的响应性能，还需要电机把它的性能发挥出来。我们现在配套的电机是欧洲设计在中国生产的，是全自动化生产线。这个电机有很快的响应速度，同时它的转速可以做的很高，最高六千的转速，过载三倍以上。
再讲一点关于编码器，我们所有的驱动器标配的是绝对值的编码器。增量式编码器记录的是相对位置，在受到干扰时容易丢脉冲，影响编码器的精度，并且造成累积误差。绝对值编码器有一个绝对的原点，所有的值都是相对原点的，所以他没有累积误差。另外，绝对值编码器传输速度可以到4兆和2兆，可以实现远距离传输。这是我们驱动器可以适配的编码器，包括多摩川，Hiperface，尼康等等。
再讲讲安全，刚才讲到我们公司最早把安全功能引入到驱动器里面，从我的角度来理解，你要实现一个功能的时候，一定要考虑系统的不可靠性，有可能你发出一条指令，由于硬件和软件失效等原因未达成。实现安全功能，说白了要冗余，软件冗余和硬件冗余，比如安全转矩关断是硬件冗余，就是STO功能。我们目前实现的安全功能，还有安全停止一，安全停止二，安全抱闸控制等等……
最后讲讲稳定性的问题。我们针对工业机器人行业应用，在伺服里做了一些软件上的处理，首先有一个静态平衡力矩补偿，机器人在抱闸打开的瞬间由于重力作用，会下落一点，俗称“点头”，这个时候伺服系统要非常快的把机器人抱住，这就是静态平衡力矩补偿。另外就是机器人的惯量辨识，还有抖动消除功能。我们希望机器人运行的又快又稳，这就要求不能有任何抖动，在这里面一个是快速定位的时候进行抖动消除，另外一个是大角度移位的时候不能发生抖动。这是我们客户现场的视频，机器人快速运动过程中突然停下来可以做到纹丝不动。
我的分享就这些，谢谢大家。
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