1.背景介紹

　　說起伺服系統(tǒng)，中國自動化業(yè)界既習(xí)以為常，又覺得難以定義清楚。伺服系統(tǒng)的概念其實最早進(jìn)入中國市場時，與當(dāng)前的概念完全不同，在早期(上世紀(jì)90年代初)，傳動伺服、液壓伺服以及變頻器伺服等都在國內(nèi)市場出現(xiàn)過， 因此導(dǎo)致國內(nèi)自動化界對伺服的概念早期是很廣義寬泛的，即將嚴(yán)格跟隨軌跡運動的自動化實現(xiàn)都叫做伺服系統(tǒng)。

　　進(jìn)入21世紀(jì)后，中國自動化市場得到了高速的發(fā)展，特別是以日系為代表的先進(jìn)自動化強國的產(chǎn)品線與方案技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用， 伺服系統(tǒng)的概念開始由廣義寬泛走向所謂的“狹義明確”。即伺服驅(qū)動器+伺服電機實現(xiàn)的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)。這個定義目前雖然并不能說完全被百分百的認(rèn)同，但是基本是大眾化比較認(rèn)可的一個定義了，也是中國自動化品牌在進(jìn)行伺服系統(tǒng)研發(fā)與推廣的主要模式。本文所討論的伺服系統(tǒng)也是基于這一定義模式進(jìn)行的。

　　不可否認(rèn)，日系的伺服驅(qū)動器+伺服電機對中國自動化伺服系統(tǒng)的市場定義有決定性的作用，這不僅僅是日系自動化產(chǎn)品線進(jìn)入中國較早的緣故，也是日系的“伺服系統(tǒng)”產(chǎn)品為中國自動化市場帶來了巨大的推進(jìn)作用，從工藝、效率、加工精度等不同緯度都極大提升了中國自動化OEM市場的水準(zhǔn)，從而使得這一伺服系統(tǒng)的概念深入人心。

　　　　圖 1 交直交 (AC-DC-AC) 硬件架構(gòu)圖

　　1.1伺服系統(tǒng)的性能特點

　　伺服系統(tǒng)一般由兩大主要產(chǎn)品組成：伺服驅(qū)動器與伺服電機(臺灣地區(qū)多稱為伺服馬達(dá))。

　　因此，分析伺服系統(tǒng)的性能特點首先是要對伺服驅(qū)動器和伺服電機的特點分別進(jìn)行分析：

　　i.伺服驅(qū)動器：基于交直交硬件架構(gòu)，通過實現(xiàn)輸出電流頻率的控制達(dá)到控制伺服電機轉(zhuǎn)速目的，并通過伺服電機編碼器速度回授，實現(xiàn)閉環(huán)控制模式。

　　如果從硬件架構(gòu)上去分析，伺服驅(qū)動器與變頻器的硬件架構(gòu)是一致的，都是基于交-直(整流)以及直再到交(逆變)的原理，其中整流部分是不可控或半控，而逆變則是全控模式，實現(xiàn)輸出的電流頻率控制，達(dá)到控速的目的。

　　但是這僅僅是粗線的主電路的架構(gòu)，如果從控制電路的架構(gòu)，伺服驅(qū)動器與變頻器的差異很大。首先，伺服驅(qū)動器由于要快速控制伺服電機，必須要求高頻處理能力， 其處理器的頻寬都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻器;其次，伺服驅(qū)動器必須基于矢量控制，因此編碼器回授是必須，而不是變頻器的可選;再有，伺服驅(qū)動器基于輸出頻率調(diào)整高速實現(xiàn)位置-速度-轉(zhuǎn)速控制模式與切換，而變頻器目前多為速度控制，位置控制的精度和性能都是無法相比的。

　　ii.伺服電機：一般性是基于永磁同步電機(PMSM)上發(fā)展而來，目前主要是SPM和IPM兩種類型。相比之下， IPM型的效率更高，且體積設(shè)計更為緊湊，是符合伺服系統(tǒng)整體發(fā)展趨勢的，但是IPM相對SPM，對伺服驅(qū)動器的電流控制特性更為苛刻，在相同電流特性下，IPM的噪聲相對更大，溫升也更高，因此，IPM搭配的伺服驅(qū)動器也是更高的要求，從而形成更加優(yōu)秀的伺服系統(tǒng)。

　　伺服電機除在設(shè)計上的差異外，對生產(chǎn)工藝的環(huán)節(jié)也是造成差異的主要環(huán)節(jié)，伺服電機的生產(chǎn)要求是比較高的，從原始的精加工、熱處理、公差檢測等，到后面的組裝、沖刺、動平衡等，都是考核伺服電機廠家能力的部分，往往廠家的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的差異造成了伺服電機性能的差異。

　　iii.編碼器：嚴(yán)格來說是伺服電機的組成部分，但是重要性與伺服電機幾乎相等。編碼器的研發(fā)難度是較高的， 在自動化領(lǐng)域的集中電路和分辨率精度是較為嚴(yán)格的要求，伺服領(lǐng)域主要是光學(xué)和磁性兩種編碼器。

　　光學(xué)編碼器主要基于光電原理，抗干擾性好，但是生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)要求高，投入大，且易損壞。

　　磁性編碼器是基于磁性原理，生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對簡單，也不易損壞，但是太容易被干擾，需要很完善的算法植入才能實時進(jìn)行干擾抑制。

　　整體而言，伺服系統(tǒng)必須要求伺服驅(qū)動器與伺服電機在搭配上實現(xiàn)無縫，也就是說好的伺服驅(qū)動器搭配好的伺服電機，才能整體提升伺服系統(tǒng)的性能。也正是伺服系統(tǒng)這一特性，往往專注于驅(qū)動器的廠家很難真正將伺服系統(tǒng)做好，因為伺服電機部分的研發(fā)與生產(chǎn)達(dá)不到要求。

圖 2 驅(qū)動器控制架構(gòu)圖

　　圖 3 禾川伺服系統(tǒng)縱向產(chǎn)業(yè)鏈完整

　　圖 4 禾川股份驅(qū)動器產(chǎn)品

　　1.2 國外伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　國外伺服系統(tǒng)較為活躍的主要是日系與歐系兩大類。

日系伺服系統(tǒng)強調(diào)伺服驅(qū)動器與伺服電機的固定搭配，形成無縫連接，伺服電機的電機模型在出廠設(shè)置時就內(nèi)建于搭配的驅(qū)動器軟件內(nèi)，無縫電機自學(xué)習(xí)，且能保證電機模型的高效運用，實現(xiàn)良好的矢量控制性能，這也符合高速、高精的OEM行業(yè)領(lǐng)域。正是基于這一點，日系伺服在OEM行業(yè)的占比一直是第一梯隊。但是缺陷是日系伺服這一搭配機制很難實現(xiàn)大功率伺服系統(tǒng)。

　　歐系伺服系統(tǒng)與日系截然相反，其從最早的液壓伺服、變頻伺服的概念發(fā)展而來，更追求驅(qū)動器搭配多種電機規(guī)格，強調(diào)電機模型的自學(xué)習(xí)算法，通過優(yōu)良的自學(xué)習(xí)來讓驅(qū)動器實時掌握不同電機的數(shù)學(xué)模型，建立矢量控制，保證控制精度。這樣的優(yōu)點就是伺服系統(tǒng)的功率可以延伸很大，因為驅(qū)動器的大功率和基于專用大功率PMSM的結(jié)合是可行的，但是缺陷是無論如何基于自學(xué)習(xí)的電機模型是無法與完整的電機實際模型一致的，矢量控制的效果很難與日系相比。近10年來，歐系很多品牌也參考日系，推出了驅(qū)動器和電機匹配的伺服系統(tǒng)類型，從而彌補了這一缺陷。

　　總體來說，針對廣大OEM行業(yè)，日系伺服系統(tǒng)的理念是更為合適的，因為這些OEM行業(yè)對功率的要求往往在22kw以下，日系伺服的功率缺陷完美的規(guī)避掉了，且控制性能的穩(wěn)定和優(yōu)良更為贏得客戶的青睞。但是歐系伺服在控制算法上與日系是同一水準(zhǔn)，自我調(diào)整后的歐系品牌同樣具備一定的競爭力，但是在電機生產(chǎn)方面的效率和人工成本還是讓其整體性價比落后于日系伺服，目前第一梯隊還是日系占比高于歐系。

　　1.3中國伺服廠商現(xiàn)狀

　　中國伺服系統(tǒng)的發(fā)展是比較晚的，最早是在2000年前后開始萌生，主要是從變頻器品牌衍生過來。這樣的特點其實還是重驅(qū)動器而輕電機，從而在很短的時間里面，中國伺服品牌沒有像變頻器那樣對國外品牌形成較為激烈的競爭，因為畢竟解決一個驅(qū)動器是解決不了伺服系統(tǒng)的問題的，沒有成熟、穩(wěn)定且高效的伺服電機，伺服系統(tǒng)就失去了一個必要的環(huán)節(jié)。

進(jìn)入2010年之后，中國自動化品牌迎來了第一波上市高峰，伴隨著資本的引入，以及對伺服系統(tǒng)的伺服電機重要性的認(rèn)知，伺服電機的生產(chǎn)環(huán)節(jié)開始被中國品牌所重視，較為成規(guī)模的電機生產(chǎn)工廠大批量涌現(xiàn)，從而使得中國伺服品牌開始對國外伺服進(jìn)行一定的競爭。但是這一階段，國產(chǎn)伺服電機在編碼器軸承以及膠水等細(xì)節(jié)上還是依賴國外，整體競爭力有限，無法形成真正的競爭。

　　進(jìn)入2018年后，國產(chǎn)伺服在編碼器技術(shù)，國產(chǎn)化供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)上 取得長足進(jìn)步，直接提升伺服系統(tǒng)的競爭力，開始形成對國外品牌的有力競爭。這其中，有例如匯川、埃斯頓等從中國伺服系統(tǒng)初期就穩(wěn)步投入發(fā)展的品牌，也有禾川這樣在核心技術(shù)環(huán)節(jié)上集中突破，實現(xiàn)快速發(fā)展的品牌?？梢哉f當(dāng)前的中國伺服品牌已經(jīng)開始效仿變頻器市場的發(fā)展，在中國市場全面提升了市場占有率，并形成主導(dǎo)態(tài)勢。

　　2.中國伺服系統(tǒng)的突破方向

　　2025年將會是中國伺服系統(tǒng)一個至關(guān)重要的節(jié)點年份，通過未來5年的積累和發(fā)展，中國伺服系統(tǒng)要實現(xiàn)從當(dāng)前市占率全面提升的階段，走向伺服技術(shù)核心環(huán)節(jié)的核心競爭力階段，從而實現(xiàn)對日系等伺服品牌的進(jìn)一步優(yōu)勢競爭，其主要的方向可歸納為：

　　i. 更為高階的算法：主要是位置環(huán)處理單元，例如濾波器設(shè)計，電機數(shù)學(xué)模型動態(tài)自適應(yīng)控制，主要體現(xiàn)在對電流變化的處理和把控上，結(jié)合速度回饋實時進(jìn)行模型優(yōu)化處理，這是目前國產(chǎn)伺服與日系、歐系高端品牌的主要差距點。

　　ii. 更完整的自主化設(shè)計：在芯片、編碼器等核心零部件和組件環(huán)節(jié)上，需要實現(xiàn)自主化，減少對國外的依賴。芯片環(huán)節(jié)尤為重要，2021年芯片短缺造成的供貨緊張已經(jīng)是刻骨銘心了。FPGA、SOC芯片需要率先自主化，乃至后續(xù)的主控芯片要贏得突破。同時編碼器必須自主化，否則競爭力將會大打折扣。

　　iii. 更完善的供應(yīng)鏈體系：伺服系統(tǒng)的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)對5S 管理要求更高，從采購環(huán)節(jié)、生產(chǎn)與品質(zhì)各部分都需要嚴(yán)格把控，降低品質(zhì)問題，保證穩(wěn)定的品牌形象。

　　iv. 工業(yè)美學(xué)設(shè)計：與高精 、高速為象征的伺服系統(tǒng)符合的外形設(shè)計是至關(guān)重要的。

　　綜合上述4點突破方向，將是國產(chǎn)伺服品牌需要認(rèn)真去投入和沉淀的部分，當(dāng)前國產(chǎn)伺服品牌繁多，在上述4 點核心競爭力部分對比下，真正全面實現(xiàn)推進(jìn)的品牌則太少。目前的TOP3國產(chǎn)伺服品牌公認(rèn)的是：匯川 、臺達(dá) 、禾川。

　　以禾川為例，2011年成立，2013年才完成工廠布局的禾川股份，其成立時間是最短的一個，在布局伺服系統(tǒng)產(chǎn)品線的時間也是很短暫的，其中國市場占有率在2021年達(dá)到4.4%(截止2021年上半年)，成長速度可謂驚人。深入挖掘禾川的快速發(fā)展，主要是在上述4點核心競爭力上，禾川全力的突破，實現(xiàn)了核心競爭力特色，并持續(xù)完善，保持自身固有的競爭力。具體表現(xiàn)為：

　　i. 推出Y7系列新款伺服驅(qū)動器：Y7優(yōu)化X系列濾波與矢量控制算法，實現(xiàn)更優(yōu)化的電流曲線特性與位置特性，提升控制性能。

　　ii. 自主化芯片開始試機：FPGA與SOC自主化芯片開始試機，X系列新款驅(qū)動器實現(xiàn)自主化芯片突破。

　　iii. 完善供應(yīng)鏈體系：建立熱處理工藝，進(jìn)一步實現(xiàn)完整的縱向產(chǎn)業(yè)鏈，基于精加工、熱處理、組裝、測試與電子元器件整合生產(chǎn)。

　　iv.LCD顯示率先批量化市場，提升整體驅(qū)動器美學(xué)設(shè)計。X2系列伺服馬達(dá)緊湊型設(shè)計，符合OEM領(lǐng)域需求。

　　除禾川股份外，中國伺服品牌正在形成集團化優(yōu)勢， 正是在上述4點的核心競爭環(huán)節(jié)，不同品牌均在進(jìn)行不同程度的投入，從而形成自身的特色競爭力環(huán)節(jié)，例如匯川、 臺達(dá) 、 埃斯頓等，均是國產(chǎn)伺服的代表性品牌。

　　3.結(jié)論

　　中國伺服系統(tǒng)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，開始對日系為代表的國外伺服品牌形成了有力的競爭，但是在核心環(huán)節(jié)上，仍然需要堅持投入與沉淀，才能從數(shù)量優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量優(yōu)勢，從而徹底形成中國伺服品牌的崛起。

　　大勢已經(jīng)不可逆，人才建設(shè)與市場活躍度已經(jīng)達(dá)到了一個相當(dāng)?shù)膶哟危虼?，中國伺服的進(jìn)步仍然會在快車道，且內(nèi)部優(yōu)勝劣汰會加速，在核心環(huán)節(jié)投入持續(xù)的品牌將會逐步整合掉無特色競爭力的品牌;同時，對中國市場的適應(yīng)程度較慢的國外品牌也會在與中國伺服品牌的競爭中退出，可以預(yù)見的是未來中國伺服品牌的Tier 1將是國產(chǎn)品牌為主。讓我們共同期待!