一、伺服電機行業(yè)簡介

　　1、什么叫伺服電機?

　　伺服電機(servo motor )是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。

　　伺服電機作為整個自動化系統(tǒng)的執(zhí)行單元，通過電機的運轉(zhuǎn)，完成速度和位置的精確控制。與普通電機不同的是，伺服電機需要將整個系統(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確的對伺服電機進行控制。

　　伺服電機可以控制速度，位置精度非常準確，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。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　伺服電機組成部分分解如下：

　　伺服電機結(jié)構示意圖如下：

　　2、伺服電機的分類

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

　　伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類，與普通電機相比其主要特點是，其通常搭配反饋裝置一起使用，實現(xiàn)精準控制。

　　1)直流伺服VS交流伺服電機

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

　　交流伺服電機分為同步電機 和異步電機(感應電機)，同步電機包含永磁體，為了增加電機輸出扭矩或者力，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)，同步交流伺服電機現(xiàn)已成為默認選項，實際上，一些最常見的高性能工業(yè)伺服電機是三相同步無刷交流電機。

　　異步電機不使用永磁體，往往用于更高輸出的應用，比如10kW 或更高。

　　雖然交流和直流電機都用于伺服系統(tǒng)，但交流電機能承受更高的電流。同時，在無刷直流電機(BLDC )電機中，定子線圈呈梯形纏繞并產(chǎn)生梯形反電動勢波形，這往往會產(chǎn)生可聽噪聲，換向分六步實現(xiàn)，這會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。一方面，同步交流電機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 電機所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)矩脈動。這使得同步交流電機成為高性能工業(yè)伺服應用的首選。例如機器人，在線制造和其他需要高重復性和高精度的工業(yè)應用。

　　2)有刷伺服電機VS無刷伺服電機

　　有刷電機通常更便宜，操作更簡單，而無刷設計更可靠，效率更高，噪音更小。

　　雖然伺服系統(tǒng)中使用的大多數(shù)電機都是無刷設計，但有時采用有刷永磁直流電機作為伺服電機，因為它們簡單且成本低。伺服應用中最常見的有刷直流電機類型是永磁直流(PMDC)電機。無刷直流(BLDC)電機也用于伺服系統(tǒng)。無刷直流電機用電子方式代替物理電刷和換向器，通常使用霍爾效應傳感器或編碼器。

　　3、伺服電機工作原理

　　電機是伺服系統(tǒng)中的一個執(zhí)行機構。驅(qū)動器的結(jié)構簡圖如下，和變頻器的主電路類似，電源經(jīng)過整流，逆變，實現(xiàn)從AC→DC→AC的轉(zhuǎn)換。

　　輸入信號/命令可以是位置、速度、扭矩等控制信號，對應伺服電機的三種控制模式，每種控制模式都對應著環(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)。下面我們對位置模式的三閉環(huán)進行分析：

　　位置模式的三閉環(huán)控制

　　上圖中M表示伺服電機，PG代表編碼器，最外面的藍色的代表位置環(huán)，因為我們最終控制的是位置(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)作為保護環(huán)防止失速控制和過載以確保電機恒速運轉(zhuǎn)和電機電流恒定。我們重點看下位置環(huán)是如何確保電機能夠準確旋轉(zhuǎn)給定的角度。

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

　　4、如何進行伺服電機的選型

　　1)確定電機的機構部分，確定各機構零件(滾珠絲桿的長度，導程和帶輪直徑等)的細節(jié);

　　2)確定運轉(zhuǎn)模式，如加減速時間、勻速時間、停止時間、循環(huán)時間、移動距離等;

　　3)計算負載慣量和慣量比，結(jié)合各機構部計算負載慣量(請參照普通的慣量及其計算方法)，并且用所選的電機的慣量去除負載慣量，計算慣量比;

　　4)計算轉(zhuǎn)速，根據(jù)移動距離、加減速時間、勻速時間計算電機轉(zhuǎn)速;

　　5)計算扭矩，根據(jù)負載慣量和加減速時間、勻速時間計算所需的電機轉(zhuǎn)矩;

　　6)選擇電機，選擇能滿足以上幾項條件的電機。

　　二、伺服電機的生產(chǎn)流程

　　三、伺服電機的上下游產(chǎn)業(yè)鏈

　　伺服電機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，編碼器的供應商大部分為國外廠商，尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴重依賴進口。

　　四、中國伺服電機市場情況

　　1、中國伺服電機市場地位

　　2022年，日本、歐美和臺灣品牌占領了中國伺服電機市場的絕大多數(shù)份額，國產(chǎn)品牌占比只有17.8%，且有持續(xù)緩慢惡化的趨勢。

　　2、2018-2025E年中國伺服電機市場規(guī)模走勢

　　中國伺服電機市場持續(xù)增長，2023年，中國伺服電機市場將達到234億元，預計到2025年，中國伺服電機市場規(guī)模將達到281億元。

　　3、中國伺服電機運用場景

　　中國伺服電機主要運用在機床工具(占比20.4%)、電子制造設備(占比14.5%)、紡織機械(占比12.1%)、包裝機械(占比10.8%)、塑料機械(占比9.6%)、機器人(9.2%)、食品機械(占比4.2%)、橡膠機械(3.9%)和醫(yī)療設備(占比2.7%)行業(yè)中。

　　五、中國主要伺服電機企業(yè)情況

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

　　六、中國伺服電機行業(yè)展望

　　隨著時代的不斷發(fā)展，伺服電機作為重要的動力元件，在機械和電子行業(yè)中得到了廣泛的應用。根據(jù)市場需求和技術發(fā)展，伺服電機的發(fā)展趨勢也會緊跟時代的潮流，未來的發(fā)展趨勢是：

　　1、采用高效功率驅(qū)動電路

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

　　2、發(fā)展低噪聲伺服電機

　　由于伺服電機無法完全避免噪音，所以發(fā)展低噪聲伺服電機無疑是企業(yè)技術發(fā)展中的熱點。企業(yè)將努力改善結(jié)構設計，研發(fā)一系列低噪聲伺服電機，以滿足不同應用場合的需求，提高伺服電機的適應性。

　　3、發(fā)展高性能伺服電機

　　主流的伺服電機功率不斷提高，加上智能控制系統(tǒng)，伺服電機的精度、響應速度和穩(wěn)定性也得到了顯著的改善。未來進一步研究市場需求和技術發(fā)展，企業(yè)將發(fā)展更高性能的伺服電機，從而滿足市場的需求。

　　4、研發(fā)更加節(jié)能的伺服電機

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