伺服系統(tǒng)的基本概念 機(jī)器人用伺服系統(tǒng)技術(shù)壁壘

一 伺服系統(tǒng)的基本概念

伺服（SERVO）源自拉丁語，原意為“奴隸按照主人的指示，忠實(shí)而快速地工作”。伺服系統(tǒng)指，經(jīng)由閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的位置、扭矩、速度或加速度控制，從而使輸出變量精確跟隨或復(fù)現(xiàn)輸入變量的系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)決定了執(zhí)行端的精度、速度和穩(wěn)定性，因此是工業(yè)自動化設(shè)備的核心。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了液壓、氣動到電動的過程。液壓伺服系統(tǒng)易漏油、難維護(hù)；氣動伺服系統(tǒng)由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。綜合來看，電動伺服系統(tǒng)是目前機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的方向。

本文后續(xù)提及的伺服系統(tǒng)均為電動伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、指令機(jī)構(gòu)三大部分。伺服驅(qū)動器，又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，按控制命令的要求對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，向電機(jī)線圈供應(yīng)電壓、電流，其作用類似于變頻器作用于普通交流電機(jī)，一般含有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三個(gè)嵌入式伺服環(huán)路，環(huán)路間相互作用，對信號進(jìn)行匯總、分析、修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動控制。指令機(jī)構(gòu)發(fā)脈沖或者給速度，用于配合驅(qū)動器正常工作。伺服電機(jī)可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，按照位置、力矩或速度指令精確地控制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動，內(nèi)嵌的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，完成閉環(huán)控制。

二 伺服系統(tǒng)市場前景

國內(nèi)中高端制造業(yè)不斷發(fā)展，各行各業(yè)在生產(chǎn)制造活動中越來越多地使用伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的產(chǎn)品制造，伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用行業(yè)實(shí)現(xiàn)了從紡織、包裝、印刷等傳統(tǒng)領(lǐng)域向電子設(shè)備制造、工業(yè)機(jī)器人等新興領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移。根據(jù)MIR的數(shù)據(jù)，2021年，電子制造設(shè)備、電池制造設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人是最主要的三大市場，占比分別為18%、11%、10%。伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用的轉(zhuǎn)型升級帶動市場規(guī)模逐步擴(kuò)大。

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院測算， 2017-2021年，中國伺服系統(tǒng)市場從97億元增長至224億元，復(fù)合增長率為23.27%，2022年市場規(guī)模有望達(dá)286億元，保持較快增速。2021年中國伺服電機(jī)市場規(guī)模為169億元，2017-2021年復(fù)合增長率9.86%。其中，交流和直流伺服電機(jī)市場占比分別為65%和35%。這是因?yàn)榻涣魉欧姍C(jī)具有最大轉(zhuǎn)速高、速度控制平滑、振蕩小不易發(fā)熱以及適用于灰塵、易爆環(huán)境的諸多優(yōu)點(diǎn)更加適應(yīng)工業(yè)自動化對于運(yùn)動控制的要求。目前，除協(xié)作機(jī)器人外的大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床都采用交流伺服電機(jī)，但較大的體積和重量在一定程度上限制了應(yīng)用場景的拓展。

隨著服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療器械的大規(guī)模應(yīng)用，下游行業(yè)對電機(jī)技術(shù)的要求發(fā)生了巨大變化，有望帶動直流伺服電機(jī)快速增長。特別是人形機(jī)器人為了具備高柔性和精準(zhǔn)度，單臺設(shè)備所需電機(jī)數(shù)量約30-40個(gè)，是多關(guān)節(jié)機(jī)器人的6-7倍。人形機(jī)器人采用直流伺服電機(jī)和微型電缸系統(tǒng)。其中，頸關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)一般采用標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)組合形式，電機(jī)功率約100-200瓦；手部關(guān)節(jié)空間狹小、要求較高，可選用微型電機(jī)系統(tǒng)和微型電缸系統(tǒng)相組合的形式，電機(jī)功率約30瓦。

三 機(jī)器人用伺服系統(tǒng)技術(shù)壁壘

（一）性能要求

相較于通用伺服，機(jī)器人伺服系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)中的高端產(chǎn)品，對調(diào)速范圍、可靠性、穩(wěn)定性等諸多方面均提出更高的要求。（1）快速響應(yīng)性：機(jī)器人動作轉(zhuǎn)換快，電機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)盡量短，一般以機(jī)電時(shí)間常數(shù)大小來反應(yīng)伺服電機(jī)快速響應(yīng)性能；（2）高負(fù)載運(yùn)作：由于大型工業(yè)機(jī)器人負(fù)載十分大，因此要求伺服電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小，有足夠的起動轉(zhuǎn)矩慣量比；（3）體積質(zhì)量?。簽楸ＷC靈活性，機(jī)器人正變得越來越輕，伺服電機(jī)必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短，并且還要經(jīng)受得起苛刻的工況，可頻繁地正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍過載；（4）良好的溫度控制：機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)小體積、輕量化、高力矩輸出的特點(diǎn)不利于溫度控制，需要改良設(shè)計(jì)以避免溫度過高導(dǎo)致永磁體不可逆退磁、絕緣材料損壞等問題；（5）控制特性的連續(xù)性和直線性：隨著控制信號的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時(shí)還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比；（6）運(yùn)行的穩(wěn)定性：轉(zhuǎn)矩脈動是電機(jī)中轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的不均勻轉(zhuǎn)矩，源于安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子疊片的鋼齒之間的吸引力導(dǎo)致的齒槽轉(zhuǎn)矩，會產(chǎn)生振動和嗓音，影響電機(jī)的低速性能和精度，需要借助合理的電磁設(shè)計(jì)消除齒槽轉(zhuǎn)矩。

（二）國內(nèi)外差距

雖然伺服電機(jī)的整體技術(shù)壁壘低于減速器，但由于機(jī)器人對伺服系統(tǒng)的要求更高，相較于通用伺服，國內(nèi)外機(jī)器人用伺服系統(tǒng)的技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定性、品類差距更大。國產(chǎn)伺服電機(jī)主要有以下幾個(gè)方面的不足：（1）國產(chǎn)伺服電機(jī)大多是仿制日系伺服電機(jī)設(shè)計(jì)，功率多在3kw以內(nèi)，以中小功率為多，而5.5-15kw的中大功率伺服電機(jī)較少。（2）體積普遍較大，外觀粗糙，很難應(yīng)用在對伺服電機(jī)的尺寸有嚴(yán)格要求高檔機(jī)器人中。（3）伺服系統(tǒng)核心技術(shù)之一就是高精度的編碼器，編碼器占電機(jī)成本的30%，其分辨率決定了控制精度。機(jī)器人上用的多圈絕對值編碼器和芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口，是導(dǎo)致國產(chǎn)伺服電機(jī)不能完全替代進(jìn)口產(chǎn)品的主要原因。（4）國產(chǎn)伺服電機(jī)在復(fù)雜工況環(huán)境時(shí)的性能大打折扣，是阻礙國產(chǎn)伺服電機(jī)進(jìn)軍高端市場的重要原因之一。（5）基礎(chǔ)性研究不足，包括絕對值編碼器技術(shù)、高端電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標(biāo)的實(shí)用性驗(yàn)證和考核標(biāo)準(zhǔn)的制定。（6）伺服系統(tǒng)各部分產(chǎn)業(yè)協(xié)同度不夠，導(dǎo)致伺服電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)整體性能難以做好。

四 國內(nèi)市場競爭格局

歐美和日系品牌仍然壟斷著我國中高端伺服系統(tǒng)市場，占據(jù)了大部分市場份額。日系產(chǎn)品性價(jià)比較高，質(zhì)量可靠、體積小、重量輕，但動態(tài)響應(yīng)能力較弱、開放性較差，在中端市場中具備優(yōu)勢。2021年，松下、安川、三菱三大日系品牌大約占據(jù)國內(nèi)伺服系統(tǒng)市場份額的30%。西門子、博世力士樂、貝加萊等歐美品牌更注重產(chǎn)品性能，過載能力高、動態(tài)響應(yīng)好、驅(qū)動器開放性強(qiáng)，但價(jià)格昂貴、體積重量大，牢牢占據(jù)高端市場。雖然中大型高功率產(chǎn)品的市場需求量有限，但單臺產(chǎn)品價(jià)值量高企，企業(yè)始終保持高盈利水平。

中國伺服系統(tǒng)自主研發(fā)起步晚，但通過引進(jìn)和學(xué)習(xí)國際先進(jìn)技術(shù)等舉措，伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平不斷提升，形成了一定的產(chǎn)品系列和自主配套能力。同時(shí)，受芯片短缺及疫情造成的物流不暢等因素影響，日韓和歐美企業(yè)貨期有所延長，內(nèi)資企業(yè)借此迎來國產(chǎn)替代的窗口期。中低端伺服系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，許多國產(chǎn)產(chǎn)品在技術(shù)上與日系產(chǎn)品接近，以性價(jià)比的優(yōu)勢滿足中小型和經(jīng)濟(jì)型用戶的需求，逐漸打破外資品牌壟斷格局。以匯川技術(shù)、禾川技術(shù)和埃斯頓為首的國產(chǎn)企業(yè)市占率從2017年的27.6%提升至2021年的43.3%。匯川技術(shù)依靠行業(yè)定制化解決方案、性價(jià)比高、客戶需求響應(yīng)及時(shí)等優(yōu)勢，于2021年首次超越外資品牌，以16%的市占率排名第一。同時(shí)，也應(yīng)清醒地認(rèn)識到，國產(chǎn)品牌份額的提升源于日系品牌市場份額的下降，而歐美品牌占據(jù)的高端市場份額幾乎沒有變化，說明國產(chǎn)高端伺服系統(tǒng)尚未獲得競爭優(yōu)勢，還需要不斷加大研發(fā)投入，中高端應(yīng)用市場的國產(chǎn)替代空間廣闊。

五 未來發(fā)展方向

以空心杯電機(jī)、伺服電缸、無框電機(jī)為代表的微特電機(jī)有望成為伺服系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢。上述三種電機(jī)均具備更高功率密度，符合綠色環(huán)保和低碳理念，未來在耗電量大、使用頻率高的家電、機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)⒅鸩綕B透，滿足高效節(jié)能化、小型化及智能化要求。

根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，我國微特電機(jī)市場規(guī)模由2017年的1872 億元增長至2022年的2793億元，年均復(fù)合增長率為6.9%，增量空間和技術(shù)變革需求巨大。近年來，我國已經(jīng)出現(xiàn)了一批具有竟?fàn)幜Φ奈⑻仉姍C(jī)制造企業(yè)，正在逐步擴(kuò)大微特電機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模和市場份額。

（一）空心杯電機(jī)

空心杯電機(jī)屬于直流、永磁、伺服微特電機(jī)。普通有刷直流電機(jī)的定子是永磁體，位于電機(jī)外圈，轉(zhuǎn)子是固定在鐵芯上的線圈，位于電機(jī)內(nèi)圈。而空心杯電機(jī)的定子是位于電機(jī)內(nèi)圈的永磁體，轉(zhuǎn)子是杯狀的自支撐線圈，位于電機(jī)外側(cè)。無鐵芯結(jié)構(gòu)消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，能量轉(zhuǎn)換效率最高可提升至90％以上，同時(shí)降低電機(jī)重量和轉(zhuǎn)動慣性，急加速急減速性能突出，體積小，功率密度高，散熱效果好。同時(shí)，空心杯電機(jī)沒有齒槽轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，運(yùn)行穩(wěn)定性較高。能夠較好地滿足靈巧手質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和抓取力強(qiáng)的要求，代表未來電機(jī)發(fā)展方向。但由于沒有牢固的鐵芯支撐，線圈厚度較薄，且線圈和輸出軸的連接強(qiáng)度有限，因此體積、功率等無法做到很大，一般空心杯電機(jī)最大功率僅幾百瓦。

空心杯市場長期被外資壟斷，蘊(yùn)藏大量國產(chǎn)替代機(jī)遇?？招谋姍C(jī)的產(chǎn)品制造和量產(chǎn)的難度高，如何繞線以保證繞組杯的平整度、一致性是制作空心杯電機(jī)最重要、最關(guān)鍵的技術(shù)。目前空心杯市場被德國FAULHABER與瑞士Maxon主導(dǎo)，隨著國內(nèi)市場對空心杯電機(jī)認(rèn)知程度不斷提高，國產(chǎn)廠商鳴志電器等企業(yè)的量產(chǎn)工藝水平不斷突破，未來有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。

（二）直流無框力矩電機(jī)

直流無框力矩電機(jī)是去掉軸、軸承、外殼、反饋或端蓋的伺服電機(jī)，只有一個(gè)轉(zhuǎn)子、定子。無框力矩電機(jī)的核心優(yōu)勢：（1）轉(zhuǎn)子很輕，可以以很高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行；（2）外形緊湊，占據(jù)空間小，單位體積扭矩高；（3）機(jī)械部件數(shù)量少，沒有易磨損或維護(hù)的部件，降低后期維護(hù)成本。步科股份的全資子公司常州精納的無框力矩電機(jī)綜合性能處于國內(nèi)前列，產(chǎn)品主要用于協(xié)作機(jī)器人。

（三）伺服電缸

伺服電缸是伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成高精度直線運(yùn)動，具備噪音低、節(jié)能、高剛性、抗沖擊力等優(yōu)勢，符合人形機(jī)器人產(chǎn)品對電機(jī)的要求。伺服電缸可以分為直線式（直連式）和平行式（折返式）。直線式電缸由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、高精度滾珠絲杠或行星滾珠絲杠、直線位移傳感器和缸體等組成，伺服電機(jī)與傳動絲桿安裝在一條直線上，通過聯(lián)軸器相連，整體結(jié)構(gòu)緊湊，能快速響應(yīng)；平行式電缸的電機(jī)與缸體部分平行安裝，通過同步帶及同步帶輪與電缸的傳動絲桿相連接，具有直線式的優(yōu)點(diǎn)，而且由于整體長度小，更加適用于空間較小的應(yīng)用場景。伺服電缸主要用于人形機(jī)器人膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的連接處，起到輔助驅(qū)動的作用。

五 總結(jié)與建議

在人形機(jī)器人商業(yè)化加速的背景下，作為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈核心部件的伺服電機(jī)會有較大的市場增量。但現(xiàn)有電機(jī)難以同時(shí)滿足靈活、抗沖擊、快速響應(yīng)、高功率密度等要求，電機(jī)技術(shù)的突破是未來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，存在巨大的技術(shù)迭代空間，國內(nèi)公司若能抓住機(jī)遇，憑借技術(shù)上的突破、性價(jià)比等優(yōu)勢，進(jìn)入主機(jī)廠供應(yīng)鏈體系，不僅可以助力國內(nèi)機(jī)器人企業(yè)市場競爭力的提升，對于整個(gè)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有戰(zhàn)略意義。 現(xiàn)階段，國內(nèi)廠商主要集中在中低端市場，通過成本優(yōu)勢換取銷量。但想維持穩(wěn)定快速成長，要積極擴(kuò)充產(chǎn)品品類，高效進(jìn)軍新領(lǐng)域。通過密切追蹤下游前沿應(yīng)用領(lǐng)域的最新發(fā)展，瞄準(zhǔn)高成長性下游行業(yè)并深耕。積極與全球各行業(yè)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)合作，真正了解并解決消費(fèi)者的需求，開發(fā)出附加值高且復(fù)雜場景下穩(wěn)定運(yùn)行的運(yùn)控系統(tǒng)，積累跨學(xué)科跨領(lǐng)域知識與經(jīng)驗(yàn)，鍛煉電機(jī)定制化和創(chuàng)新研發(fā)能力。享受在壁壘高企的新興領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破的先發(fā)優(yōu)勢，并憑借積累的產(chǎn)品研發(fā)迭代經(jīng)驗(yàn)保持議價(jià)能力，提高盈利水平。 建議重點(diǎn)關(guān)注國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的伺服電機(jī)供應(yīng)商： （1）具備較強(qiáng)電機(jī)定制能力、搶先布局國內(nèi)尚未成熟，但具備技術(shù)、資源優(yōu)勢且空間可觀的下游市場、擁有海外銷售渠道與客戶資源的鳴志電器； （2）布局力矩電機(jī)的步科股份； （3）國內(nèi)通用交流伺服系統(tǒng)龍頭匯川技術(shù)、禾川科技； （4）中高端微特電機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)江蘇雷利、雷賽智能。

編輯：黃飛

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