伺服系統(tǒng)破局點：如何實現(xiàn)工業(yè)機器人的小型化

引言

伺服系統(tǒng)影響工業(yè)機器人的運動精度、控制速度和穩(wěn)定性。伺服系統(tǒng)的硬件包括伺服電機及伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器用來控制伺服電機，伺服電機實現(xiàn)精確控制機械部件的位置、方位、狀態(tài)等。

伺服驅(qū)動器的的核心元件IGBT模塊的技術(shù)壁壘在于加工與生產(chǎn)一致性、伺服電機的核心元件編碼器的技術(shù)壁壘在于插補算法的精度，此外，編碼器小型化技術(shù)也有待于突破。伺服系統(tǒng)的破局點在于縮小控制柜的體積以實現(xiàn)工業(yè)機器人的小型化。未來，國內(nèi)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是小型化和高端進口替代。

一、伺服系統(tǒng)的基本作用

伺服驅(qū)動系統(tǒng)（包括伺服電機及伺服驅(qū)動器）是工業(yè)機器人的核心部件，對機器人的速度、精度、穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都具有直接的影響。

（一）伺服電機是伺服驅(qū)動系統(tǒng)中控制機械元器件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，可以精確控制速度、位置，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。

（二）伺服驅(qū)動器用來控制伺服電機，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓、氣動到電氣的過程，其中電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機類型分為直流和交流伺服系統(tǒng)。由于集成電路、交流可變速驅(qū)動技術(shù)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展，永磁交流伺服系統(tǒng)是主流的伺服系統(tǒng)。

二、伺服系統(tǒng)組成和制約因素

（一）伺服系統(tǒng)組成

伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器發(fā)出信號給伺服電機驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，同時伺服電機中的編碼器將伺服電機的運動參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器再對信號進行匯總、分析、修正。整個工作過程通過閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出變量。

圖：協(xié)作機器人和工業(yè)機器人

伺服系統(tǒng)的硬件包括伺服電機及伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器用來控制伺服電機，伺服電機實現(xiàn)精確控制機械部件的位置、方位、狀態(tài)等。伺服驅(qū)動器的的核心元件是IGBT模塊、伺服電機的核心元件是編碼器。

伺服電機編碼器是安裝在伺服電機末端用來測量伺服電機轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器，通常內(nèi)置在伺服電機未端。目前自控系統(tǒng)領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。

光電式編碼器進度主要由碼盤刻度線精度決定，其技術(shù)難點就在于碼盤的加工生產(chǎn)。

圖：光電編碼器工作原理

磁電式編碼器使用磁場感應(yīng)元器件代替碼盤，因此可以在提高精度的同時保證體積相對較小。但是磁電編碼器價格比較昂貴，目前僅在精度要求、工況要求相對較高的領(lǐng)域適用，隨著未來磁場感應(yīng)元器件價格的下降，磁電式編碼器將會有代替光電式編碼器的趨勢。

（二）IGBT模塊國內(nèi)起步較晚，生產(chǎn)一致性的技術(shù)壁壘制約伺服驅(qū)動器發(fā)展??

IGBT模塊是由多個IGBT芯片與FWD芯片通過特定的電路封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。從功能上來說，IGBT模塊就是一個電路開關(guān)，優(yōu)點就是用電壓控制，飽和壓降小，耐壓高，俗稱電力電子裝置的“CPU”。

圖：IGBT模塊結(jié)構(gòu)簡圖來源：《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》

其中，IGBT芯片是一種復(fù)合電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。在制造IGBT芯片時主要有以下難點：1.設(shè)計難。IGBT進行芯片設(shè)計時的具體參數(shù)十分復(fù)雜，對技術(shù)水平有很高的要求。2.工藝難。IGBT對背面工藝和減薄工藝要求很高，但國內(nèi)工藝仍較落后。3.下游認(rèn)證周期長。IGBT芯片屬于門檻很高的電力電子核心器件，因此下游廠商會經(jīng)過多重測試環(huán)節(jié)才敢大批量投入。

將多個IGBT芯片和FDW芯片集成封裝在一起形成IGBT模塊是一大技術(shù)難點。這其中還包括有焊接技術(shù)、鍵合技術(shù)、罐封技術(shù)以及質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。

在伺服驅(qū)動器方面，由于國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)起步較國外晚，缺乏有研發(fā)實力的工業(yè)機器人專用伺服驅(qū)動器廠商。與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)的伺服系統(tǒng)在性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、功能先進性方面都還有一定差距。

IGBT的技術(shù)壁壘主要在它的生產(chǎn)一致性上，一般情況下需要3-5年的時間去驗證IGBT模塊在參數(shù)、性能上等指標(biāo)上是否達(dá)標(biāo)、是否符合一致性。中國企業(yè)比亞迪于2009年推出首款車規(guī)級IGBT 1.0技術(shù)，打破了國際廠商壟斷，實現(xiàn)了我國在IGBT芯片技術(shù)上零的突破。2018年以來，像瑞能半導(dǎo)體、廣東芯聚能半導(dǎo)體等國產(chǎn)企業(yè)在芯片設(shè)計、晶圓制造、模塊封裝等整個產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來看，中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國產(chǎn)替代能力。

圖：中國IGBT產(chǎn)業(yè)鏈

（三）高端編碼器依賴進口，中低端已實現(xiàn)國產(chǎn)替代

在伺服電機方面，根據(jù)民生證券《電子行業(yè)功率器件深度報告：功率的進擊，看能源主線下國產(chǎn)廠商崛起之路》，據(jù)MIR統(tǒng)計，全球伺服電機需求量在2020年達(dá)到3873萬臺，同比增長3.20%，而當(dāng)前國內(nèi)伺服電機市場仍被日本和歐美品牌占據(jù)大半，國產(chǎn)品牌的市占率僅為 20%左右，且主要以低端伺服電機為主。

圖：2021年上半年中國伺服電機行業(yè)市場份額；數(shù)據(jù)來源：民生證券研究所

外資企業(yè)中日系品牌（安川電機、松下電機、三菱電機、三洋電機等公司）憑借良好的產(chǎn)品性能與極具競爭力的價格壟斷了中小型設(shè)備市場。

而歐系品牌，如西門子、倫茨、路斯特、倍福、博世力士樂、施耐德等公司，憑借其高可靠性（過載能力強，動態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動器開放性好，且具有總線接口）牢牢占據(jù)高端市場，國內(nèi)企業(yè)所占份額較低。

伺服電機的核心技術(shù)之一是高精度的編碼器，目前我國機器人的伺服電機所用的多圈絕對值編碼器嚴(yán)重依賴進口。此外，編碼器的小型化和如何適用于集成芯片伺服電機本體的集成設(shè)計也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術(shù)。??

編碼器的核心技術(shù)壁壘在于插補算法。機器人的位置傳感器檢測到點角度后在編碼器內(nèi)通過算法語言進行細(xì)分，細(xì)分為千級、萬級乃至十萬級以上的精度，而這里的細(xì)分精度正是編碼器的技術(shù)難關(guān)所在。

圖：插補算法示意圖

三、伺服系統(tǒng)的市場格局

長期以來，伺服系統(tǒng)市場主要被日本和歐美國家的企業(yè)所占據(jù)。如下圖所示，日系品牌占據(jù)了超過50%的市場份額，安川電機、松下電機、三菱電機、三洋電機等品牌壟斷了我國中小型OEM市場，而在大型伺服市場上，西門子、倫茨、路斯特、倍福、博世力士樂、施耐德等歐系品牌也掌握著傳統(tǒng)優(yōu)勢。

圖：2020年中國伺服系統(tǒng)主要供應(yīng)商市場規(guī)模；數(shù)據(jù)來源：禾川科技招股書

根據(jù)禾川科技招股書，我國的伺服系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)起步較晚， 2000年以后隨著工業(yè)機器人發(fā)展的逐步提速，國產(chǎn)伺服技術(shù)研發(fā)水平正不斷提升，同時，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)市場接受度亦逐步提高，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)進口替代的步伐加快，國產(chǎn)品牌在伺服系統(tǒng)的崛起之勢愈發(fā)明顯。

如下圖所示，根據(jù)禾川科技招股書，2020年國產(chǎn)伺服品牌的市場規(guī)模達(dá)49.64億元，同比增長34.40%。2020年國產(chǎn)化率已達(dá)24.50%，2021年上升至27.22%。

圖：2017-2025年國產(chǎn)品牌伺服市場規(guī)模及增速；數(shù)據(jù)來源：禾川科技招股書

四、伺服系統(tǒng)的破局點

通常而言，在工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動控制器都集中儲存在電機控制柜中，而由于伺服電機的體積是相對固定的，所以電機控制柜的體積大小決定了工業(yè)機器人的體積大小。

在自動化產(chǎn)線的時代，工業(yè)機器人更小的體積意味著更大的生長空間，例如小體積的工業(yè)機器人可以分散部署在更多工位上，形成分布式運作，提高效率。因此，縮小伺服系統(tǒng)電機控制柜的體積，進而推進工業(yè)機器人的小型化，是當(dāng)前伺服系統(tǒng)的破局點。

未來，國內(nèi)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是小型化、高端進口替代以及算法的高端化，主要針對以往由國外產(chǎn)品占據(jù)的中高端市場，這一方面是因為目前低端市場已經(jīng)成為廠商間價格戰(zhàn)的紅海；另一方面是由于近年來國內(nèi)在伺服系統(tǒng)方面的技術(shù)已經(jīng)基本趕上國外，國內(nèi)外間的差距相比前幾年已經(jīng)顯著縮小。

專業(yè)術(shù)語

1、伺服電機：指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，能夠控制速度和位置精度，將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。

2、伺服驅(qū)動器：用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。

3、IGBT芯片模塊：絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOSFET（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET（絕緣柵型場效應(yīng)管）的高輸入阻抗和GTR（雙極型三極管）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。

4、編碼器：是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

5、自控領(lǐng)域：是指用一些自動控制裝置,對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進行自動控制，使它們在受到外界干擾(擾動)的影響而偏離正常狀態(tài)時,能夠被自動地調(diào)節(jié)而回到工藝所要求的數(shù)值范圍內(nèi)。

6、光電編碼器：通過光電碼盤反射光信號數(shù)量確定電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度，而磁電編碼器通過磁場感應(yīng)元器件來感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所帶來的磁場變化來確定電機轉(zhuǎn)子位置。

7、碼盤：是指測量角位移的數(shù)字編碼器。它具有分辨能力強、測量精度高和工作可靠等優(yōu)點，是測量軸轉(zhuǎn)角位置的一種最常用的位移傳感器。

8、轉(zhuǎn)矩：又稱為扭矩，指機械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形。

9、轉(zhuǎn)速：做圓周運動的物體單位時間內(nèi)沿圓周繞圓心轉(zhuǎn)過的圈數(shù)（與頻率不同）。

10、多圈絕對值編碼器：由機械位置確定編碼，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。絕對型編碼器有量程范圍，適合用在一些特殊機床上。

11、插補算法：插補計算就是對數(shù)控系統(tǒng)輸入基本數(shù)據(jù)(如直線的起點、終點坐標(biāo)，圓弧的起點、終點、圓心坐標(biāo)等)，運用一定的算法計算，根據(jù)計算結(jié)果向相應(yīng)的坐標(biāo)發(fā)出進給指令。對應(yīng)著每一進給指令，機床在相應(yīng)的坐標(biāo)方向上移動一定的距離，從而加工出工件所需的輪廓形狀。

12、控制柜：控制柜是按電氣接線要求將開關(guān)設(shè)備、測量儀表、保護電器和輔助設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上。借測量儀表可顯示運行中的各種參數(shù)，還可對某些電氣參數(shù)進行調(diào)整，對偏離正常工作狀態(tài)進行提示或發(fā)出信號。

13、集成設(shè)計：它利用現(xiàn)代信息技術(shù)把傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計過程中相對獨立的階段、活動及信息有效的結(jié)合起來，強調(diào)產(chǎn)品設(shè)計及其過程同時交叉進行，減少設(shè)計過程的多次反復(fù)，力求使產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計一開始就考慮到產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素，從而最大限度地提高設(shè)計效率、降低生產(chǎn)成本的設(shè)計方法

編輯：黃飛

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