一 伺服系統(tǒng)的基本概念

　　伺服(SERVO)源自拉丁語(yǔ)，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(dòng)化設(shè)備的核心。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了液壓、氣動(dòng)到電動(dòng)的過(guò)程。液壓伺服系統(tǒng)易漏油、難維護(hù);氣動(dòng)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(chǎng)合使用。綜合來(lái)看，電動(dòng)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(dòng)伺服系統(tǒng)。 伺服系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、指令機(jī)構(gòu)三大部分。伺服驅(qū)動(dòng)器，又稱(chēng)為“伺服控制器”、“伺服放大器”，按控制命令的要求對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，向電機(jī)線(xiàn)圈供應(yīng)電壓、電流，其作用類(lèi)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(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。指令機(jī)構(gòu)發(fā)脈沖或者給速度，用于配合驅(qū)動(dòng)器正常工作。伺服電機(jī)可以將電壓信號(hào)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(dòng)，內(nèi)嵌的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，完成閉環(huán)控制。

　　二 伺服系統(tǒng)市場(chǎng)前景

　　國(guó)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(dòng)中越來(lái)越多地使用伺服系統(tǒng)來(lái)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(chǎng)，占比分別為18%、11%、10%。伺服系統(tǒng)下游應(yīng)用的轉(zhuǎn)型升級(jí)帶動(dòng)市場(chǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大。

　　根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院測(cè)算， 2017-2021年，中國(guó)伺服系統(tǒng)市場(chǎng)從97億元增長(zhǎng)至224億元，復(fù)合增長(zhǎng)率為23.27%，2022年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)286億元，保持較快增速。2021年中國(guó)伺服電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為169億元，2017-2021年復(fù)合增長(zhǎng)率9.86%。其中，交流和直流伺服電機(jī)市場(chǎng)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(dòng)化對(duì)于運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(duì)電機(jī)技術(shù)的要求發(fā)生了巨大變化，有望帶動(dòng)直流伺服電機(jī)快速增長(zhǎng)。特別是人形機(jī)器人為了具備高柔性和精準(zhǔn)度，單臺(tái)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(duì)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(dòng)作轉(zhuǎn)換快，電機(jī)從獲得指令信號(hào)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(lái)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比;(3)體積質(zhì)量小：為保證靈活性，機(jī)器人正變得越來(lái)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(guò)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(guò)高導(dǎo)致永磁體不可逆退磁、絕緣材料損壞等問(wèn)題;(5)控制特性的連續(xù)性和直線(xiàn)性：隨著控制信號(hào)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(hào)成正比或近似成正比;(6)運(yùn)行的穩(wěn)定性：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電機(jī)中轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)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(guó)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(duì)伺服系統(tǒng)的要求更高，相較于通用伺服，國(guó)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(lèi)差距更大。國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)主要有以下幾個(gè)方面的不足：(1)國(guó)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?xún)?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(guān)粗糙，很難應(yīng)用在對(duì)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(duì)值編碼器和芯片嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，是導(dǎo)致國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)進(jìn)軍高端市場(chǎng)的重要原因之一。(5)基礎(chǔ)性研究不足，包括絕對(duì)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(dòng)系統(tǒng)整體性能難以做好。

　　四 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

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

　　中國(guó)伺服系統(tǒng)自主研發(fā)起步晚，但通過(guò)引進(jìn)和學(xué)習(xí)國(guó)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(zhǎng)，內(nèi)資企業(yè)借此迎來(lái)國(guó)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(guó)產(chǎn)產(chǎn)品在技術(shù)上與日系產(chǎn)品接近，以性?xún)r(jià)比的優(yōu)勢(shì)滿(mǎn)足中小型和經(jīng)濟(jì)型用戶(hù)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(guó)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?xún)r(jià)比高、客戶(hù)需求響應(yīng)及時(shí)等優(yōu)勢(shì)，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(shí)到，國(guó)產(chǎn)品牌份額的提升源于日系品牌市場(chǎng)份額的下降，而歐美品牌占據(jù)的高端市場(chǎng)份額幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)高端伺服系統(tǒng)尚未獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，還需要不斷加大研發(fā)投入，中高端應(yīng)用市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。

　　五 未來(lái)發(fā)展方向

　　以空心杯電機(jī)、伺服電缸、無(wú)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(shì)。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(lái)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(mǎn)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(guó)微特電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模由2017年的1872 億元增長(zhǎng)至2022年的2793億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.9%，增量空間和技術(shù)變革需求巨大。近年來(lái)，我國(guó)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(chǎng)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(xiàn)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(xiàn)圈，位于電機(jī)外側(cè)。無(wú)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(dòng)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(méi)有齒槽轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，運(yùn)行穩(wěn)定性較高。能夠較好地滿(mǎn)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(lái)電機(jī)發(fā)展方向。但由于沒(méi)有牢固的鐵芯支撐，線(xiàn)圈厚度較薄，且線(xiàn)圈和輸出軸的連接強(qiáng)度有限，因此體積、功率等無(wú)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(chǎng)長(zhǎng)期被外資壟斷，蘊(yùn)藏大量國(guó)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(xiàn)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(chǎng)被德國(guó)FAULHABER與瑞士Maxon主導(dǎo)，隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)空心杯電機(jī)認(rèn)知程度不斷提高，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商鳴志電器等企業(yè)的量產(chǎn)工藝水平不斷突破，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

　　(二)直流無(wú)框力矩電機(jī)

　　直流無(wú)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(wú)框力矩電機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)：(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(méi)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(wú)框力矩電機(jī)綜合性能處于國(guó)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(dòng)轉(zhuǎn)換成高精度直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，具備噪音低、節(jié)能、高剛性、抗沖擊力等優(yōu)勢(shì)，符合人形機(jī)器人產(chǎn)品對(duì)電機(jī)的要求。伺服電缸可以分為直線(xiàn)式(直連式)和平行式(折返式)。直線(xiàn)式電缸由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、高精度滾珠絲杠或行星滾珠絲杠、直線(xiàn)位移傳感器和缸體等組成，伺服電機(jī)與傳動(dòng)絲桿安裝在一條直線(xiàn)上，通過(guò)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(guò)同步帶及同步帶輪與電缸的傳動(dòng)絲桿相連接，具有直線(xiàn)式的優(yōu)點(diǎn)，而且由于整體長(zhǎng)度小，更加適用于空間較小的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)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(huì)有較大的市場(chǎng)增量。但現(xiàn)有電機(jī)難以同時(shí)滿(mǎn)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(lái)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(guó)內(nèi)公司若能抓住機(jī)遇，憑借技術(shù)上的突破、性?xún)r(jià)比等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)入主機(jī)廠(chǎng)供應(yīng)鏈體系，不僅可以助力國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升，對(duì)于整個(gè)中國(guó)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(guó)內(nèi)廠(chǎng)商主要集中在中低端市場(chǎng)，通過(guò)成本優(yōu)勢(shì)換取銷(xiāo)量。但想維持穩(wěn)定快速成長(zhǎng)，要積極擴(kuò)充產(chǎn)品品類(lèi)，高效進(jìn)軍新領(lǐng)域。通過(guò)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)出附加值高且復(fù)雜場(chǎng)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(shí)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(shì)，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(guó)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(guó)內(nèi)尚未成熟，但具備技術(shù)、資源優(yōu)勢(shì)且空間可觀(guān)的下游市場(chǎng)、擁有海外銷(xiāo)售渠道與客戶(hù)資源的鳴志電器; (2)布局力矩電機(jī)的步科股份; (3)國(guó)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。