交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

/機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 鄧偉/

展望未來(lái)，隨著伺服價(jià)格的不斷下降、交流伺服的市場(chǎng)接受度不斷上升，中低端市場(chǎng)有非常大的增長(zhǎng)空間，因此本土廠(chǎng)商仍將有很大作為；同時(shí)臺(tái)灣、日本廠(chǎng)商也將在整個(gè)市場(chǎng)的擴(kuò)大中獲益，歐美品牌的市場(chǎng)占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。

一、交流伺服系技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

（一）國(guó)外技術(shù)發(fā)展概況

電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)、傳感和控制技術(shù)等關(guān)聯(lián)技術(shù)的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動(dòng)機(jī)而言，可以采用盤(pán)式電機(jī)、無(wú)鐵心電機(jī)、直線(xiàn)電機(jī)、外轉(zhuǎn)子電機(jī)等；驅(qū)動(dòng)器可以采用各種功率電子元件；傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無(wú)傳感器技術(shù)；控制技術(shù)從采用單片機(jī)開(kāi)始，一直到采用高性能DSP和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實(shí)用化等等。交流伺服系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，一直隨著用戶(hù)的需求而不斷發(fā)展。

貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化公司推出的AcoposMulti驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸模塊可以提供1～2個(gè)伺服軸控制，并集成了一個(gè)24VDC的輔助電源模塊，為驅(qū)動(dòng)器、控制器和外圍設(shè)備提供了一個(gè)到直流總線(xiàn)的鏈接，來(lái)獲得開(kāi)路、短路和過(guò)載保護(hù)。

艾默生控制技術(shù)（Emerson Control Techniques）公司Unidrive及其他交、直流驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。Unidrive 驅(qū)動(dòng)器覆蓋功率范圍從0.55～675kW，變換不同的控制軟件可以驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)、永磁同步伺服電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。

Rockwell Automation公司PowerFlex驅(qū)動(dòng)技術(shù)。PowerFlex應(yīng)用公共工業(yè)協(xié)議（CIP）運(yùn)動(dòng)應(yīng)用協(xié)議，有望無(wú)縫同步在同一系統(tǒng)中運(yùn)行的多軸伺服與變頻驅(qū)動(dòng)器中。這些通訊協(xié)議都為多軸實(shí)時(shí)同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動(dòng)器集成進(jìn)去。

施耐德電氣(Schneider Electric)Lexium 05型伺服控制器具有和VFD變頻器一樣外形。其智能、集成電機(jī)與控制器產(chǎn)品（Icla）主要有以下三個(gè)電機(jī)版本:步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)與三相無(wú)刷直流電機(jī)。Icla（來(lái)源于“集成、閉環(huán)、執(zhí)行器”的首字母縮寫(xiě)）將電機(jī)、位置控制、功率電子與反饋集成在一個(gè)緊湊單元中。

包米勒（Baumuller）公司提供的帶集成行星齒輪傳動(dòng)系的高性能伺服電機(jī)，擁有高達(dá)98%的效率和很低的噪音；直接驅(qū)動(dòng)型高力矩伺服電機(jī)，可以在100～300rpm范圍內(nèi)輸出13500Nm。

（二）國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展概況

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始跟蹤開(kāi)發(fā)交流伺服技術(shù)， 80年代之后開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年國(guó)產(chǎn)伺服停留在小批量、高價(jià)格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，技術(shù)水平和可靠性難以滿(mǎn)足工業(yè)需要。2000年之后，國(guó)內(nèi)幾家單位開(kāi)始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)主要的伺服品牌或廠(chǎng)家有華中數(shù)控、廣數(shù)、南京埃斯頓、森創(chuàng)（和利時(shí)電機(jī)）等，但主要集中在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。

交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來(lái)衡量。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以達(dá)到1:100000以上；定位精度一般都要達(dá)到±1個(gè)脈沖，穩(wěn)速精度；尤其是低速下的穩(wěn)速精度比如給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以?xún)?nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01rpm以?xún)?nèi)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過(guò)90°或者幅值不小于50%。

二、交流伺服系統(tǒng)行業(yè)市場(chǎng)狀況

（一）國(guó)外行業(yè)市場(chǎng)概況

根據(jù)ARC 2001年的報(bào)告，當(dāng)年全球伺服驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)規(guī)模是20.67億美元，2001年到2006年的復(fù)合增長(zhǎng)率在7%以上，預(yù)計(jì)全球伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模在2006年會(huì)達(dá)到29億美金左右（該預(yù)測(cè)包括了交流伺服和步進(jìn)電機(jī)）?，F(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，恐怕已經(jīng)不止這個(gè)數(shù)據(jù)，這中間經(jīng)歷了911等因素造成的2002、2003年的市場(chǎng)衰退和2004年之后的恢復(fù)性增長(zhǎng)。2006年之后增長(zhǎng)率在10%以上，未來(lái)增長(zhǎng)率會(huì)有所提高。

目前，國(guó)外品牌來(lái)自日本、德國(guó)和美國(guó)：日本品牌有安川、發(fā)那克（Fanuc）、HYPERLINK三菱電機(jī)、松下、三洋、富士等；美國(guó)有羅克維爾（Rockwell Automation）、達(dá)那赫（Danaher）、帕克（Parker）等；德國(guó)有西門(mén)子（Siemens）、博世力士樂(lè)（Bosch Rexroth）、施耐德（Schneider）等。其中，日本品牌以良好的性能價(jià)格比和較高的可靠性占據(jù)了大量市場(chǎng)份額，而且本地化生產(chǎn)的策略進(jìn)一步增加了在價(jià)格和快速交貨方面的籌碼。歐美品牌在高端設(shè)備和生產(chǎn)線(xiàn)上比較有競(jìng)爭(zhēng)力，其市場(chǎng)策略是高性能、高價(jià)格，以全套自動(dòng)化解決方案作為賣(mài)點(diǎn)。

（二）國(guó)內(nèi)行業(yè)市場(chǎng)概況

國(guó)內(nèi)交流伺服的市場(chǎng)規(guī)模2006年估計(jì)在20億人民幣左右，市場(chǎng)規(guī)模近幾年一直保持了大于25%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，在所有自動(dòng)化產(chǎn)品中當(dāng)屬發(fā)展最快之列。而且隨著世界制造業(yè)加速向中國(guó)轉(zhuǎn)移，國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備在國(guó)家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發(fā)展，國(guó)產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比快速提高，交流伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，預(yù)計(jì)年平均增長(zhǎng)率會(huì)維持在20%以上。

交流伺服國(guó)內(nèi)的品牌主要有和利時(shí)電機(jī)、華中數(shù)控、廣數(shù)、蘭州電機(jī)、南京埃斯頓等廠(chǎng)家。其中和利時(shí)電機(jī)面向整個(gè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)機(jī)械市場(chǎng)提供步進(jìn)、無(wú)刷、伺服等系列產(chǎn)品，在技術(shù)上和品牌上有一定優(yōu)勢(shì)；華中數(shù)控、廣數(shù)和蘭州電機(jī)等主要集中在數(shù)控機(jī)床行業(yè)。

中國(guó)伺服產(chǎn)品的用戶(hù)區(qū)域主要分布在華東、華南和華北。華東市場(chǎng)是伺服最大的消費(fèi)市場(chǎng)，而且這個(gè)趨勢(shì)會(huì)持續(xù)下去。伺服驅(qū)動(dòng)廠(chǎng)商面臨用戶(hù)和OEM廠(chǎng)家不斷變化的需求的挑戰(zhàn)，伺服驅(qū)動(dòng)器的上位機(jī)可以是CNC系統(tǒng)、通用運(yùn)動(dòng)控制器和PLC，還有各種嵌入式控制器，他們必須不斷推出多樣化的產(chǎn)品，滿(mǎn)足所有運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的要求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，伺服廠(chǎng)商的關(guān)鍵成功因素應(yīng)該是產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比、可靠性、技術(shù)含量、以及市場(chǎng)份額和品牌影響力。

三、行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及趨勢(shì)

伺服系統(tǒng)在機(jī)電設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也取得了極大的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)已進(jìn)入全數(shù)字化、交流化和智能化的時(shí)代。

代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品——伺服電機(jī)和伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動(dòng)控制，以滿(mǎn)足用戶(hù)較高的應(yīng)用要求。高性能的伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）高效率化

主要包括電機(jī)本身的高效率，比如永磁材料性能的改進(jìn)和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率化及逆變器驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化等。

（2）全數(shù)字控制高性能化

用先進(jìn)相位控制理論，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的零相位誤差跟蹤控制，完全克服伺服滯后，為單軸的高精度控制提供所必要的技術(shù)措施。

（3）智能化

現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器都具備負(fù)載慣量測(cè)定和自動(dòng)增益調(diào)整功能。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等控制功能和驅(qū)動(dòng)結(jié)合在一起。

（4）集成化

功率智能模塊，將保護(hù)、驅(qū)動(dòng)、功率開(kāi)關(guān)集成到一個(gè)模塊上，實(shí)現(xiàn)高度集成化、多功能。同一個(gè)控制單元，只要通過(guò)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

（5）模塊化和網(wǎng)絡(luò)化

最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232C或RS-422接口等）和專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其他控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也由此變得十分簡(jiǎn)單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺(tái)，甚至數(shù)十臺(tái)伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接成為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，也可以通過(guò)串行接口，與可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊相連。

（6）通用化

通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶(hù)在不改變硬件配置的條件下，方便地設(shè)置成V/F控制、無(wú)速度傳感器開(kāi)環(huán)矢量控制、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無(wú)刷交流伺服電動(dòng)機(jī)控制及再生單元等五種工作方式。適用于各種場(chǎng)合，可以驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的電機(jī)，也可以適應(yīng)不同的傳感器類(lèi)型甚至無(wú)位置傳感器。

四、行業(yè)應(yīng)用及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

（一）應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械，比如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機(jī)械、冶金機(jī)械、自動(dòng)化流水線(xiàn)、各種專(zhuān)用設(shè)備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械。

（二）市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

交流伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)范圍不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多取代機(jī)械傳動(dòng)、液壓和氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；交流伺服不斷取代直流伺服的市場(chǎng)份額，導(dǎo)致直流伺服在整個(gè)伺服市場(chǎng)的占有率從目前的不到15%每年大約下降0.5%；同時(shí)交流伺服成本和尺寸不斷縮小，也在蠶食高端步進(jìn)電機(jī)的市場(chǎng)，但是步進(jìn)電機(jī)本身也在不斷提高自己的競(jìng)爭(zhēng)能力，不斷延伸市場(chǎng)空間，因此在受到?jīng)_擊的同時(shí)市場(chǎng)也在擴(kuò)大，只是速度可能不如交流伺服這么快而已。

國(guó)際交流伺服市場(chǎng)處于恢復(fù)性增長(zhǎng)狀態(tài)，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在未來(lái)仍將維持高速增長(zhǎng)。國(guó)外運(yùn)動(dòng)控制廠(chǎng)商通過(guò)購(gòu)并和聯(lián)盟迅速擴(kuò)大自己的實(shí)力，謀求一站式解決方案提供商的地位，許多新生的小企業(yè)具備獨(dú)特的技術(shù)或其他核心能力，也會(huì)找到屬于自己的生存空間，并因此得到更多投資。國(guó)際范圍內(nèi)，政府和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展給伺服產(chǎn)業(yè)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響，比如美國(guó)的能源法案EPactII對(duì)電機(jī)系統(tǒng)能效的規(guī)定和UL、NEC（NFPA）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全的規(guī)定，歐盟的RoHS、WEEE和CE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)保和安全的規(guī)定等。

展望未來(lái)，隨著伺服價(jià)格的不斷下降、交流伺服的市場(chǎng)接受度不斷上升，中低端市場(chǎng)有非常大的增長(zhǎng)空間，因此本土廠(chǎng)商仍將有很大作為；同時(shí)中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、日本廠(chǎng)商也將在整個(gè)市場(chǎng)的擴(kuò)大中獲益，歐美品牌的市場(chǎng)占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。市場(chǎng)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上覆蓋面最廣的10個(gè)品牌分別是：西門(mén)子、三菱、安川、蘭電、松下、Fanuc、華中數(shù)控、ABB、和利時(shí)電機(jī)和AB（屬于Rockwell Automation）。調(diào)查顯示國(guó)產(chǎn)企業(yè)比如和利時(shí)電機(jī)、華中數(shù)控、蘭州電機(jī)等企業(yè)，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)推廣，在這個(gè)市場(chǎng)中做的有聲有色，在產(chǎn)品覆蓋面上占有一席之地，但是國(guó)產(chǎn)品牌的客戶(hù)忠誠(chéng)度和影響力明顯不如進(jìn)口品牌。國(guó)產(chǎn)品牌不僅在產(chǎn)品的性能、質(zhì)量與品種上都有所欠缺，在技術(shù)儲(chǔ)備、生產(chǎn)能力和資本實(shí)力上的巨大差距更不是一兩天可以彌補(bǔ)。國(guó)產(chǎn)品牌要想突圍，除了需要耐心和持續(xù)投入之外，還需要在競(jìng)爭(zhēng)策略方面走差異化路線(xiàn)。

但我們相信，在中國(guó)交流伺服市場(chǎng)發(fā)展的過(guò)程中，一定會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)的國(guó)產(chǎn)品牌，國(guó)際廠(chǎng)商也必然從中獲益；在諸強(qiáng)博弈中讓廣大客戶(hù)受益，最終促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的成熟。

五、對(duì)相關(guān)政府部門(mén)的意見(jiàn)與建議

面對(duì)巨大的市場(chǎng)發(fā)展機(jī)遇和國(guó)外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)交流伺服行業(yè)的發(fā)展還需要多方面力量的支持。

1）加強(qiáng)行業(yè)協(xié)會(huì)的作用。行業(yè)協(xié)會(huì)應(yīng)該對(duì)行業(yè)企業(yè)起到協(xié)調(diào)、引導(dǎo)作用，通過(guò)組織和舉辦行業(yè)發(fā)展研討會(huì)等方式，統(tǒng)一行業(yè)企業(yè)認(rèn)識(shí)，出面協(xié)調(diào)行業(yè)企業(yè)與政府、社會(huì)、上下游客戶(hù)的相互關(guān)系，積極協(xié)助政府落實(shí)有關(guān)節(jié)能降耗政策。2）加強(qiáng)科研經(jīng)費(fèi)支持力度。高性能交流伺服技術(shù)是相對(duì)高端的產(chǎn)品，科研經(jīng)費(fèi)大力投入是開(kāi)展相關(guān)研究工作的前提，可保障科研工作順利且有效地進(jìn)行。3）進(jìn)一步加強(qiáng)人才培養(yǎng)、技術(shù)研發(fā)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，提高技術(shù)含量。交流伺服行業(yè)是新的需要跨行業(yè)理論和技術(shù)積累的高科技行業(yè)，是結(jié)合理論、設(shè)計(jì)和工藝在一起的綜合調(diào)速節(jié)能方案的實(shí)施過(guò)程。4）大力加強(qiáng)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作的開(kāi)展。希望盡快出臺(tái)交流伺服設(shè)備獨(dú)立可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，使該領(lǐng)域的生產(chǎn)、檢測(cè)、驗(yàn)收等方面的標(biāo)準(zhǔn)得以完善。