一、伺服電機(jī)行業(yè)簡(jiǎn)介

　　1、什么叫伺服電機(jī)?

　　伺服電機(jī)(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。

　　伺服電機(jī)作為整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的執(zhí)行單元，通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成速度和位置的精確控制。與普通電機(jī)不同的是，伺服電機(jī)需要將整個(gè)系統(tǒng)的位置、速度等信息，通過編碼器反饋給控制器，從而使得控制器更加準(zhǔn)確的對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

　　伺服電機(jī)可以控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　伺服電機(jī)組成部分分解如下：

　　伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

　　2、伺服電機(jī)的分類

　　伺服電機(jī)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)在往往與終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，因此也被成為執(zhí)行電機(jī)。伺服電機(jī)在伺服系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，其作用是將伺服控制器的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移和角速度。

　　伺服電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，與普通電機(jī)相比其主要特點(diǎn)是，其通常搭配反饋裝置一起使用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

　　1)直流伺服VS交流伺服電機(jī)

　　從性能的角度來看，交流和直流電機(jī)之間的主要區(qū)別在于速度控制。對(duì)于直流電機(jī)，速度與恒定負(fù)載的電源電壓成正比，而在交流電機(jī)中，速度由施加電壓的頻率和磁極數(shù)決定。

　　交流伺服電機(jī)分為同步電機(jī) 和異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī))，同步電機(jī)包含永磁體，為了增加電機(jī)輸出扭矩或者力，永磁體的使用量增加，因此成本更高，它們被廣泛用于低功率應(yīng)用(一般不超過10kW)。然而，隨著近年來高性能永磁體的出現(xiàn)，同步交流伺服電機(jī)現(xiàn)已成為默認(rèn)選項(xiàng)，實(shí)際上，一些最常見的高性能工業(yè)伺服電機(jī)是三相同步無刷交流電機(jī)。

　　異步電機(jī)不使用永磁體，往往用于更高輸出的應(yīng)用，比如10kW 或更高。

　　雖然交流和直流電機(jī)都用于伺服系統(tǒng)，但交流電機(jī)能承受更高的電流。同時(shí)，在無刷直流電機(jī)(BLDC )電機(jī)中，定子線圈呈梯形纏繞并產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，這往往會(huì)產(chǎn)生可聽噪聲，換向分六步實(shí)現(xiàn)，這會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。一方面，同步交流電機(jī)具有正弦繞組定子并使用連續(xù)的正弦換向，從而消除了 BLDC 電機(jī)所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這使得同步交流電機(jī)成為高性能工業(yè)伺服應(yīng)用的首選。例如機(jī)器人，在線制造和其他需要高重復(fù)性和高精度的工業(yè)應(yīng)用。

　　2)有刷伺服電機(jī)VS無刷伺服電機(jī)

　　有刷電機(jī)通常更便宜，操作更簡(jiǎn)單，而無刷設(shè)計(jì)更可靠，效率更高，噪音更小。

　　雖然伺服系統(tǒng)中使用的大多數(shù)電機(jī)都是無刷設(shè)計(jì)，但有時(shí)采用有刷永磁直流電機(jī)作為伺服電機(jī)，因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單且成本低。伺服應(yīng)用中最常見的有刷直流電機(jī)類型是永磁直流(PMDC)電機(jī)。無刷直流(BLDC)電機(jī)也用于伺服系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)用電子方式代替物理電刷和換向器，通常使用霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器。

　　3、伺服電機(jī)工作原理

　　電機(jī)是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下，和變頻器的主電路類似，電源經(jīng)過整流，逆變，實(shí)現(xiàn)從AC→DC→AC的轉(zhuǎn)換。

　　輸入信號(hào)/命令可以是位置、速度、扭矩等控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)的三種控制模式，每種控制模式都對(duì)應(yīng)著環(huán)的控制，扭矩控制是電流閉環(huán)控制，速度模式是速度閉環(huán)控制，位置模式則是三閉環(huán)控制模式(扭矩、速度、位置)。下面我們對(duì)位置模式的三閉環(huán)進(jìn)行分析：

　　位置模式的三閉環(huán)控制

　　上圖中M表示伺服電機(jī)，PG代表編碼器，最外面的藍(lán)色的代表位置環(huán)，因?yàn)槲覀冏罱K控制的是位置(定位)，內(nèi)環(huán)分別是速度環(huán)和電流環(huán)(扭矩環(huán))，位置模式下速度環(huán)和電流環(huán)作為保護(hù)環(huán)防止失速控制和過載以確保電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)和電機(jī)電流恒定。我們重點(diǎn)看下位置環(huán)是如何確保電機(jī)能夠準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)給定的角度。

　　假如我們給定脈沖為1個(gè)，此時(shí)反饋脈沖為0，脈沖偏差△p=1，輸入到控制器中，這時(shí)候驅(qū)動(dòng)電路控制IPM逆變器產(chǎn)生SPWM波驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，注意這個(gè)SPWM波和我們plc發(fā)脈沖的方波是不一樣的，時(shí)電機(jī)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)發(fā)出反饋脈沖，這個(gè)時(shí)候△p=0，電機(jī)停止輸出，1個(gè)脈沖定位完成。整個(gè)從發(fā)出脈沖到接受反饋脈沖的過程就是一個(gè)閉環(huán)過程，從而確保電機(jī)能夠準(zhǔn)確定位，脈沖的數(shù)量決定定位的距離，脈沖的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　4、如何進(jìn)行伺服電機(jī)的選型

　　1)確定電機(jī)的機(jī)構(gòu)部分，確定各機(jī)構(gòu)零件(滾珠絲桿的長(zhǎng)度，導(dǎo)程和帶輪直徑等)的細(xì)節(jié);

　　2)確定運(yùn)轉(zhuǎn)模式，如加減速時(shí)間、勻速時(shí)間、停止時(shí)間、循環(huán)時(shí)間、移動(dòng)距離等;

　　3)計(jì)算負(fù)載慣量和慣量比，結(jié)合各機(jī)構(gòu)部計(jì)算負(fù)載慣量(請(qǐng)參照普通的慣量及其計(jì)算方法)，并且用所選的電機(jī)的慣量去除負(fù)載慣量，計(jì)算慣量比;

　　4)計(jì)算轉(zhuǎn)速，根據(jù)移動(dòng)距離、加減速時(shí)間、勻速時(shí)間計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速;

　　5)計(jì)算扭矩，根據(jù)負(fù)載慣量和加減速時(shí)間、勻速時(shí)間計(jì)算所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩;

　　6)選擇電機(jī)，選擇能滿足以上幾項(xiàng)條件的電機(jī)。

　　二、伺服電機(jī)的生產(chǎn)流程

　　三、伺服電機(jī)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈

　　伺服電機(jī)的主要原材料為編碼器、硅鋼、釹鐵硼磁性材料等。其中編碼器作為伺服電機(jī)的核心元器件之一，約占總成本的1/3。與IGBT類似，編碼器的供應(yīng)商大部分為國(guó)外廠商，尤其機(jī)器人上用的多圈絕對(duì)值編碼器，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

　　四、中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)情況

　　1、中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)地位

　　2022年，日本、歐美和臺(tái)灣品牌占領(lǐng)了中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)的絕大多數(shù)份額，國(guó)產(chǎn)品牌占比只有17.8%，且有持續(xù)緩慢惡化的趨勢(shì)。

　　2、2018-2025E年中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模走勢(shì)

　　中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，2023年，中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)將達(dá)到234億元，預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到281億元。

　　3、中國(guó)伺服電機(jī)運(yùn)用場(chǎng)景

　　中國(guó)伺服電機(jī)主要運(yùn)用在機(jī)床工具(占比20.4%)、電子制造設(shè)備(占比14.5%)、紡織機(jī)械(占比12.1%)、包裝機(jī)械(占比10.8%)、塑料機(jī)械(占比9.6%)、機(jī)器人(9.2%)、食品機(jī)械(占比4.2%)、橡膠機(jī)械(3.9%)和醫(yī)療設(shè)備(占比2.7%)行業(yè)中。

　　五、中國(guó)主要伺服電機(jī)企業(yè)情況

　　國(guó)外品牌占據(jù)了中國(guó)伺服點(diǎn)擊市場(chǎng)近70%的市場(chǎng)份額，他們來自日本和歐美。其中，日系產(chǎn)品以超過45%的市場(chǎng)份額雄踞首位，其著名品牌包括安川、松下、三菱電機(jī)、三洋、富士等;在歐美品牌中，美國(guó)以羅克韋爾、丹納赫、帕克等聞名，而德國(guó)則擁有西門子、倫茨、博世力士樂，法國(guó)有施耐德等品牌，英國(guó)的Control Technology、SEW也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。這些歐美品牌總的市場(chǎng)占有率大約在20%;除日本、歐美伺服品牌外，以東元和臺(tái)達(dá)為代表的臺(tái)系伺服在中國(guó)市場(chǎng)的推廣也如火如荼，市場(chǎng)占有率從幾年前的微不足道提高到大約10%。

　　六、中國(guó)伺服電機(jī)行業(yè)展望

　　隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，伺服電機(jī)作為重要的動(dòng)力元件，在機(jī)械和電子行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展，伺服電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)也會(huì)緊跟時(shí)代的潮流，未來的發(fā)展趨勢(shì)是：

　　1、采用高效功率驅(qū)動(dòng)電路

　　高效功率驅(qū)動(dòng)電路具有低功耗、高可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的高性能要求，是伺服電機(jī)未來發(fā)展的重要方向。

　　2、發(fā)展低噪聲伺服電機(jī)

　　由于伺服電機(jī)無法完全避免噪音，所以發(fā)展低噪聲伺服電機(jī)無疑是企業(yè)技術(shù)發(fā)展中的熱點(diǎn)。企業(yè)將努力改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)一系列低噪聲伺服電機(jī)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，提高伺服電機(jī)的適應(yīng)性。

　　3、發(fā)展高性能伺服電機(jī)

　　主流的伺服電機(jī)功率不斷提高，加上智能控制系統(tǒng)，伺服電機(jī)的精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性也得到了顯著的改善。未來進(jìn)一步研究市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展，企業(yè)將發(fā)展更高性能的伺服電機(jī)，從而滿足市場(chǎng)的需求。

　　4、研發(fā)更加節(jié)能的伺服電機(jī)

　　伺服電機(jī)直接耗費(fèi)的大部分能量是電能，一般情況下，電動(dòng)機(jī)只能轉(zhuǎn)換50%的電能為機(jī)械能，其余50%損失為熱能。