交流伺服驱动系统产品发展概述

第一节 产品概述

一、相关定义与分类

1、定义

交流伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。

2、分类

交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，具有一系列优点。

二、产品特点

伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。

交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以达到1:100000以上；定位精度一般都要达到±1个脉冲，稳速精度，尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时，一般的在±0.1rpm以内，高性能的可以达到±0.01rpm以内；动态响应方面，通常衡量的指标是系统最高响应频率，即给定最高频率的正弦速度指令，系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50％。进口三菱伺服电机MR－J3系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的频率在200～500Hz。运行稳定性方面，主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下，维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。

三、产品应用领域

现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75％。

在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数在30000rpm～100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为1μm时达到100m/min，甚至200m/min以上，在分辨率为0.1μs时，在24m/min以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。我们已经看到国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性，或许品牌效应也是难以短时间逾越的障碍。

在机器人领域，无刷永磁伺服系统得到大量应用。工业机器人拥有多个自由度，每台工业机器人需要的电机数量在10台以上。目前世界范围内工业机器人拥有量超过100万台，机器人的需求量年增长在30％以上。国际上工业机器人采用的伺服系统属专用系统，多轴合一，模块化，特殊的散热结构，特殊的控制方式，对可靠性要求极高。国际机器人巨头都有自己的专属伺服系统配套，比如安川、松下和ABB，这方面国内差距明显。国产工业机器人厂家仍然在采用标准的进口交流伺服系统，国产伺服系统想进入工业机器人配套领域，就更加遥远。不过，我们也看到在一些特殊机器人领域，比如反恐防爆机器人、矿井救灾机器人等轻便移动机器人，采用了国产基于低压直流供电的微型无刷伺服系统，比如和利时电机的蜂鸟系列就获得了成功。当然，在更广泛的机器人领域，需要的不仅仅是交流伺服电机，还包括各种其他微特电机，如直流伺服电机、直线电机、测速发电机、旋转变压器、力矩电机等。

纺织行业当前应用伺服的比例很低，但却是未来交流伺服大批量应用的重要行业之一。从90年代初期至今已经15年，纺织行业技术进步主要是依靠变频化、PLC化。只有少量纺织机械采用了高档伺服技术，用于提高精度和效率，目前已有高档梳棉机、带自调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、园网印花机等设备应用了交流伺服。无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子卷取，印染设备上也要用到伺服系统。这些设备每年的伺服用量在2、3万套左右，且几乎全部是进口产品，如Lenze、Danaher、Siemens和Baumuller，还有三菱和松下等。价格是制约交流伺服大面积普及的主要因素，国产产品虽然在价格上有一定竞争优势，但是性能指标、可靠性和环境适应性等方面存在欠缺，还需要在品牌塑造、服务、交货期等方面不断改进。在如下两个方面，我们可以看到国产伺服厂家的成功案例，一个是在工业缝纫机上，近几年国产伺服控制器逐渐取代台湾和其他进口品牌变成市场主流，凭借低成本的电机、简单的低线数编码器，以及集成控制和驱动，在解决了批量稳定性之后，如上海鲍麦克斯这样的国内品牌获得了成功。每年数十万台的产量，这可能是未来几年里，低档伺服最大的市场了。另外一个紧密结合用户需求进行创新开发的案例，可以举和利时电机开发的络丝机控制系统。“络丝机”是属于织造前工序的精密工艺设备，将各种天然丝络成各种规格的柱状、宝塔形、双锥形筒子，供用于染色、整经、针织等后道工序。该公司充分利用自己在步进、无刷、伺服、运动控制、网络通讯等方面的综合技术，通过和国内最大纺机集团的密切合作，开发成功了精密络丝机控制系统，其核心是利用高动态的伺服横动电机以及数字卷绕技术，取代传统的机械传动而实现单锭化和数字化，每锭之间依靠CAN总线联系，是无轴技术应用的典范。该产品的研发成功充分体现了国内厂商的竞争能力，为国产伺服厂商开辟了参与市场竞争的新路。

无轴(电子轴)传动技术在印刷机上应用，也是目前全球印刷企业和机械制造商的焦点。无轴传动就是用多个单独的伺服电机取代传统的机械传动链，伺服驱动器之间依靠高速现场总线进行联系，通过软件保证各伺服轴对内部的虚拟数字电子轴保持严格同步。采用无轴传动技术为印刷机的生产制造、为印刷业服务革命带来了最佳解决方案，目前欧洲50％的凹印机采用了无轴技术，日本也有30％以上采用。其他采用无轴传动的机械包括卷筒纸印刷机、柔印机、上光机、烫金机、模切机等各类印刷设备。这一领域最顶级的伺服控制解决方案提供商是来自德国的博世力士乐、伦茨、日本的住友和奥地利的贝加莱。国内目前仅有北人和松德等个别厂家进行无轴传动印刷机的开发，部分规格的性能指标接近国际水平，但是其采用的电子轴传动伺服系统和套准控制系统均来自日本和欧洲，国内相关伺服厂家还鲜有涉足。国产伺服和控制系统要达到这个领域的要求，需要顶级的技术水平和对这个行业的透彻理解，看来还有漫长的路要走。

包装设备上，采用伺服控制可以提高单位时间的产量、提高资源利用率、增加品种适应性和提高产品质量，因此交流伺服在包装机械上的广泛使用只是时间问题。采用数字伺服技术的电子齿轮和电子凸轮将代替传统机械部件，随着价格的下降，成本也逐渐接近纯机械的方案。欧洲有个Elau公司专门针对包装机械设计开发数字伺服和运动控制解决方案，在大型连续包装设备方面居于领先地位，而我国尚没有出现如此专业的解决方案提供商。

这几年出现的新型电梯曳引机，采用永磁同步伺服电机做无齿轮直接驱动，取代变频异步驱动，具有更高的控制精度、动态特性、高效率、低噪声，已经成为国际和国内主要电梯厂的热点产品，促进了电梯产业的革命。国内已有宁波申菱、沈阳博林特等电梯厂家研制出了自己的曳引机电机产品，配进口矢量控制变频器或伺服驱动器。

第二节 交流伺服驱动系统市场发展特征

一、中国交流伺服驱动系统行业的生命周期分析

随着我国宏观经济的稳定增长，冶金工业、石化工业、装备制造、数控工业、城市基础设施建设等领域快速发展，为交流伺服驱动系统制造业的蓬勃发展注入了新的活力，机械制造业在“十一五”期间快速发展，生产能力及技术装备水平不断提高，主要经济指标均创历史最高水平。

交流伺服驱动系统产品所处行业生命周期曲线图

二、产业关联度

交流伺服驱动系统产品行业产业链示意图

目前，交流伺服驱动系统行业的上游行业主要是钢铁、铜、铝、电子元件等原材料部件。关联性主要表现在：上游行业的产品价格变动将直接影响到交流伺服驱动系统的产品成本，进而影响到产品的价格。行业的技术进步与发展创新也影响交流伺服驱动系统的采购材料质量与配套设备的选择。

下游行业主要是工业自动化、汽车、航空、导航系统、雷达天线、精密数控机床、加工中心、机器人等领域。下游行业的基本建设、发展状况以及国家政策将直接影响到交流伺服驱动系统产品的市场需求量，进而影响本行业的发展态势。



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