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现代交流伺服系统技术和市场发展综述

2011-11-21

现代交流伺服系统技术和市场发展综述
(来源于网络 作者:王健)
摘要:
本文首先从历史的角度介绍了现代交流伺服系统从电机控制的大家族中脱颖而出的过程,并 从技术和市场两个方面展示了当今交流伺服系统的发展状况,重点放在国内外市场、技术、 产品和厂商竞争策略的对比上,希望给关心中国交流伺服产业成长的人们一个全景式扫描。
概述
1. 历史的角度看电机发展
1800 年伏特发明电池,是电气出现的开端,电动机的诞生和发展在这之后可以分成几 个阶段。从1820 年一直到整个19 世纪末叶,发现了电磁现象以及相关的各种法则,诞 生了交流电机的原型,并确立了电机的工业运用。从20 世纪开始一直到1970 年代,是 电动机的成长和成熟期,有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种 电机相继诞生,半导体驱动技术和电子控制概念引入,带来变频驱动的实用化。从1970 年代到20 世纪末期,计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会,随着设计、 评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进 步,电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振、高可靠、 低成本等一系列变革,相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21 世纪,在以多媒体和互联网为特征的信息时代,电动机和驱动装置继续发挥支撑作用,向节约 资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。 永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor)就是随着永磁材料技术、半导体技术和控制 技术的发展而出现的一种新型电机。无刷直流电机诞生于20 世纪50 年代,并在60 年 代开始用于宇航事业和军事装备,80 年代以后,出现了价格较低的钕铁硼永磁,研发 重点逐步推广到工业、民用设备和消费电子产业。本质上,无刷直流电机是根据转子位 置反馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步电机,与有刷直流电机相比具有一系列优势,近年得到了迅速发展,在许多领域的竞争中不断取代直流电机和异步电动机。进入90 年代之后,永磁电机向大功率、高功能和微型化发展,出现了单机容量超过1000KW,最高转速超过300000rpm,最低转速低于0.01rpm,最小体积只有0.8x1.2mm 的品种。 实际上,永磁无刷直流电机和本文重点论述的永磁交流伺服电机都属于交流永磁同步电 机。按照反电动势波形和驱动电流的波形,可以将永磁同步电机分为方波驱动和正弦波 驱动型,前者就是我们常说的无刷直流电机,后者又称为永磁同步交流伺服电机,主要 用于伺服控制的场合。那么,伺服是什么含义呢?伺服控制的基本性能如何衡量呢?
2. 交流伺服概念引入、基本性能和控制方法
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。本文讨论的重点将放在永磁同步交流伺服系统上。 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 度或者幅值不小 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。这方面国产产品、包括部分台湾产品和世界先进水平 相比差距较大。 在控制策略上,基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都 难以达到良好的伺服特性,目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控 制方法,这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定 性,提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论,还有不依赖数学模 型的模糊控制和神经元网络控制方法,但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制 方法。还有,高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈,人们一直希望取消这个 环节,发展了无位置传感器技术(Sensorless Control)。至今,在商品化的产品中,采用 无位置传感器技术只能达到大约1:100 的调速比,可以用在一些低档的对位置和速度 精度要求不高的伺服控制场合中,比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制,这个技术的高性能化还有很长的路要走。
3. 交流伺服在我国的发展历史
我国从1970 年代开始跟踪开发交流伺服技术,主要研究力量集中在高等院校和科研单位,以军工、宇航卫星为主要应用方向,不考虑成本因素。主要研究机构是北京机床所、 西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80 年代之后开始进入工业领域,直到2000 年,国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态,技术水平和可靠性难以满足 工业需要。2000 年之后,随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供 了越来越大的市场空间,国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国内主 要的伺服品牌或厂家有森创(和利时电机)、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机 厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。 技术状况
1. 当前国内外交流伺服产品的水平
交流伺服系统的相关技术,一直随着用户的需求而不断发展。电动机、驱动、传感和控 制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言,可以采用盘式 电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等,驱动器可以采用各种功率电子元件,传 感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件甚至是无传感器技术, 控制技术从采用单片机开始,一直到采用高性能DSP 和各种可编程模块,以及现代控 制理论的实用化等等。我们从2005 年11 月在德国纽伦堡举办的PS/IPC/Drives 展览上 可以看到世界范围内电气驱动、运动控制和相关软件的最新情况,其中交流伺服产品的 亮点很多,代表了当前的国际水平。这里仅仅摘录几条,相对应的,国内厂商的研发动 向也对比进行说明。 􀂋 贝加莱(B&R)工业自动化公司推出的AcoposMulti 驱动系统采用模块化的可扩展 结构,每个轴模块可以提供1 到2 个伺服轴控制,并集成了一个24VDC 的辅助电 源模块,为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接,来获得开路、 短路和过载保护。其他特性包括通过空气,油或水进行冷却的模块化设计,通过一 个能量再生系统确保环境的安全性。在国内,我们还没有看到有厂商进行类似的模 块式设计,并在产品中融入机器安全概念。 􀂋 艾尔默(Elmo)公司展出了一系列伺服驱动器与控制器,包括最新的微型数字伺 服驱动器Whistle。这些火柴盒大小的驱动器尺寸虽仅为:5 x 4.6 x 1.5cm,但却 能提供0.5 kW 的连续功率(或1kW 的峰值功率)。为当今市场上最高功率密度 与智能的伺服驱动器。相对应的,国内只有和利时电机公司推出了类似的智能数字 伺服控制器——蜂鸟系列,该驱动器接受24V~48VDC 输入,可以提供250W 的 连续功率和500W 的峰值功率,尺寸为10x8x2cm,功率密度和Whistle 相比有差 距。但是集成了高性能32 位RISC 芯片,提供RS232、485 串行通讯控制功能和 32 条运动指令,包括高级的圆弧插补指令,采用14 位绝对值磁性编码器。07 年 预计推出带16 位绝对编码器的无刷伺服电机和带CAN 通讯的驱动模块。 􀂋 艾默生控制技术(Emerson Control Techniques)公司展出了Unidrive 及其他交、 直流驱动器产品。Unidrive 驱动器覆盖功率范围从0.55~675 kW,变换不同的控 制软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机和无刷直流电机。额定输出功率为 0.25~11 kW 的Varmeca 型集成可变速度电机与可变速度驱动器 (VSD),具有闭 环矢量与分布式 (Proxdrive) 两个版本。值得注意的是适合在潜在爆燃性气体中工 作的VSD 系统 (ATEX)。而额定输出功率为 0.55~400 kW 的FLSD 驱动器,则据
称能在IIB 类或IIC 区1 类2 分类气体中工作。相对应的,国内伺服驱动器厂商的 产品功率范围多在10KW 以下,而且没有特殊防护等级的商品化产品面世,这方
面国内外的差距很大,也是未来国内伺服厂商差异化竞争的方向。 􀂋 Rockwell Automation 公司展出了PowerFlex 驱动技术。PowerFlex 的发展路线图
显示,将于2006~07 年出现的“公共工业协议 (CIP) 运动应用协议”,有望无缝同 步在同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器中。在适合运动控制的工业协议方
面,我们还看到Beckhoff 的EtherCAT,B&R 的PowerLink, Danaher 下面的MEI 开发的SynqNet,Siemens 的ProfiNet,还有久负盛名的Sercos 已经发展到
SercosIII。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性,也被一些高端伺服 驱动器集成进去。在国内,甚至CAN 这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的
标准配置,采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为 我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准,另一方面也是因为市场还没有发育到
这个程度。可喜的是,我们已经看到一些单位进行了有益的研发实践,一方面消化 国外的先进技术,一方面尝试推出自己的总线标准。和利时电机预计在自己的下一
代伺服产品中集成多种可选的通讯模块,其中包括CAN、USB、Fireware 和Sercos, 还有和利时电机和北航联合开发的CANsmc(用于多轴同步运动控制的总线),
基于蓝牙无线通讯的模块也在研发中。中科院沈阳高档数控研发中心等个别单位也 研发了自己的运动控制总线协议。
􀂋 施奈德电气(Schneider Electric)这次展出的Lexium 05 型伺服控制器具有和VFD 变频器一样外形,目标是低成本应用。实际上,利用变频器的批量生产能力推出低
端伺服,已经成为一些厂商的竞争手段。该公司旗下的Berger Lahr 品牌在其展台 上随处可见。其智能、集成电机与控制器产品 (Icla) 主要有以下三个电机版本:
步进电机、交流伺服电机与三相无刷直流电机。Icla(来源于“集成、闭环、执行器” 的首字母缩写)将电机、位置控制、功率电子与反馈集成在一个紧凑单元中。这种
一体化设计的思路在美国的Animatics 等公司身上也体现得很明显,来自德国的 AMK 公司也有类似的产品。这是真正的机电一体化产品,为设计者带来了一系列
的工程挑战,包括电磁兼容、热控制、元器件小型化、特殊的结构设计等。在国内, 没有见到有厂商推出自主知识产权的产品。
􀂋 包米勒(Baumuller)公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机,拥有 高达98%的效率和很低的噪音;直接驱动型高力矩伺服电机,可以在100~300rpm
范围内输出13500Nm。在国内,我们看到和利时电机公司在其海豚系列低压无刷 伺服电机系列中提供了类似的带集成行星齿轮减速器的产品,深圳步进也宣称可以
提供带减速器的步进化伺服电机。在直接驱动力矩电机市场,成都精密电机厂可以 提供定制化的电机组件,但是需要客户另外加装反馈装置和第三方驱动器。
􀂋 安川电机欧洲公司(Yaskawa Electric Europe,YEE)展出了其广受欢迎的通用 Sigma II 型伺服电机。YEE 的其他进展包括正在开发中的额定功率0.5~5 kW 防爆
及遵循ATEX 标准的交流伺服电机。安川公司的另一项开发成果是输出功率高达 500 kW 的高功率伺服电机。该项目的商品化预计将于2007 年完成。从中我们可
以看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。
2. 技术发展方向
现代交流伺服系统,经历了从模拟到数字化的转变,数字控制环已经无处不在,比如换 相、电流、速度和位置控制;采用新型功率半导体器件、高性能DSP 加FPGA、以及
伺服专用模块(比如IR 推出的伺服控制专用引擎)也不足为奇。国际厂商伺服产品每 5 年就会换代,新的功率器件或模块每2~2.5 年就会更新一次,新的软件算法则日新月 异,总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线,结合市 场需求的变化,可以看到以下一些最新发展趋势。
i. 高效率化
尽管这方面的工作早就在进行,但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率 比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计,也包括驱动系统的高效率
化,包括逆变器驱动电路的优化,加减速运动的优化,再生制动和能量反馈以及更 好的冷却方式等。
ii. 直接驱动
直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱动,由于 消除了中间传递误差,从而实现了高速化和高定位精度。直线电机容易改变形状的
特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化。
iii. 高速、高精、高性能化
采用更高精度的编码器(每转百万脉冲级),更高采样精度和数据位数、速度更快 的DSP,无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机,以及应用自适应、人工智能
等各种现代控制策略,不断将伺服系统的指标提高。
iv. 一体化和集成化
电动机、反馈、控制、驱动、通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发 展方向。有时我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机(Smart Motor),
有时我们把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控 制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。但是这种方式面
临更大的技术挑战(如可靠性)和工程师使用习惯的挑战,因此很难成为主流,在 整个伺服市场中是一个很小的有特色的部分。
v. 通用化
通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能,便于用户在不改变硬件配置的 条件下,方便地设置成V/F 控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、
永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式,适用于各种场合,可以 驱动不同类型的电机,比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机,
也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构 成半闭环控制系统,也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度
全闭环控制系统。
vi. 智能化
现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能,绝大多数进口驱动 器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能,有的可以自动辨识电机的参数,自动
测定编码器零位,有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、 插补运动等控制功能和驱动结合在一起,对于伺服用户来说,则提供了更好的体验。
vii. 网络化和模块化
将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中,已经成 为欧洲和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞
争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。 随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升,高档数控系统的开发成功,网络化
数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生 制动模块、通讯模块之间的组合方式,而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化
和可重用。
viii. 从故障诊断到预测性维护
随着机器安全标准的不断发展,传统的故障诊断和保护技术(问题发生的时候判断 原因并采取措施避免故障扩大化)已经落伍,最新的产品嵌入了预测性维护技术,
使得人们可以通过Internet 及时了解重要技术参数的动态趋势,并采取预防性措施。 比如:关注电流的升高,负载变化时评估尖峰电流,外壳或铁芯温度升高时监视温
度传感器,以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕。
ix. 专用化和多样化
虽然市场上存在通用化的伺服产品系列,但是为某种特定应用场合专门设计制造的 伺服系统比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形状、不同表面粘接结构(SPM)
和嵌入式永磁(IPM)转子结构的电机出现,分割式铁芯结构工艺在日本的使用使 永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率、大批量和自动化,并引起国内厂家的研究。
x. 小型化和大型化
无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展,比如20,28, 35mm 外径;同时也在发展更大功率和尺寸的机种,已经看到500KW 永磁伺服电
机的出现。体现了向两极化发展的倾向。
xi. 其他动向
发热抑制、静音化、清洁技术等。
市场状况
1. 欧美和国内市场规模以及基本走势 根据ARC 2001 年的报告,当年全球伺服驱动的市场规模是20.67 亿美元,01 年到06 年的复合增长率在7%以上,预计全球伺服系统的市场规模在2006 年会达到29 亿美金 左右(这个预测包括了交流伺服和步进电机)。现在回过头来看,恐怕已经不止这个数 据,这中间经历了911 等因素造成的02、03 年的市场衰退和04 年之后的恢复性增长。 预计未来几年增长率会有所提高。 国内交流伺服的市场规模2006 年估计在20 亿人民币左右,市场规模近3 年一直保持了
大于25%的年复合增长率,在所有自动化产品中当属发展最快之列。而且随着世界制 造业加速向中国转移,国产数控装备在国家政策的扶持下快速向高性能、高附加值发展, 国产交流伺服系统的性价比快速提高,交流伺服系统的市场会继续保持快速增长的势 头,预计从2007 到2010 年,年平均增长率会维持在20%以上。但是平均单价也将随 着竞争加剧不断下降,每年大约下降10%。 中国伺服产品的用户区域主要分布在华东、华南和华北,其中华东市场(上海、江浙和 山东)占45%,以广东为主的华南和以京津为主的华北各为15%左右。华中和东北大 约是10%。华东市场是伺服最大的消费市场,而且这个趋势会持续下去。 伺服驱动厂商面临用户和OEM 厂家不断变化的需求的挑战,伺服驱动器的上位机可以 是CNC 系统、通用运动控制器和PLC,还有各种嵌入式控制器,他们必须不断推出多 样化的产品,满足所有运动控制领域的要求。从功率范围上,当前100W~2000W 是主 流,大约占整个伺服市场的70%,而10KW 以下的品种占到90%。在转速范围上,大 约50%的用户需要3000rpm 以内的电机,另外40%需要3000~6000 转,不到10%的
人需要10000rpm 或以上转速的电机。 分析当前国内用户的购买因素,占前三位的是稳定可靠性、价格和服务。这也说明目前 国内交流伺服市场还处在较低级的阶段,对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。
从长远来看,伺服厂商的关键成功因素应该是产品的性价比、可靠性、技术含量、以及 市场份额和品牌影响力。 2. 国内市场品牌竞争状况: 国内交流伺服市场当前品牌竞争情况和10 多年前的变频器市场非常类似。当时进 口(主要是日本富士和三肯)产品占据了90%以上的市场份额,经过10 年的奋斗, 国产变频器已经占据了中低端市场,在整个市场份额上与进口产品二分天下,并涌 现了利德华福、森兰等一批有实力、也有技术的厂商,其中利德华福在大功率变频 器细分市场上取得绝对的领先优势。
目前,国外品牌占据了中国交流伺服市场85%左右的份额,他们来自日本、德国 和美国,日本品牌有安川、发那克(Fanuc)、三菱电机、松下、三洋、富士等;美 国有罗克维尔(Rockwell Automation)、达那赫(Danaher)、帕克(Parker)等;德 国有西门子(Siemens)、博世力士乐(Bosch Rexroth)、施奈德(Schneider)等。 其中,日本品牌以良好的性能价格比和较高的可靠性占据了超过50%的最大市场 份额,在中小型OEM 市场上尤其具有垄断优势,而且本地化生产的策略进一步增 加了在价格和快速交货方面的筹码;欧美品牌在高端设备和生产线上比较有竞争 力,其市场策略是高性能、高价格,以全套自动化解决方案作为卖点,总的市场占 有率大约在35%,最近这些高端品牌也不断寻找本地合作伙伴力图打入中低端市 场,并不甘心被日本品牌积压市场空间。 最近2、3 年来自台湾的伺服厂商在国内设厂,并加大了市场推广的力度,主要是 台达和东元,其技术水平和价格水平都居于进口中端产品和国产品牌之间,在竞争 中主要突出性价比优势,对国产品牌带来了新的竞争压力,市场占有率从几年前的 微不足道提高到大约5%。 中国国内的品牌主要有和利时电机、华中数控、广数、兰州电机等,最近出现了南 京埃斯顿、上海鄂尔多斯等厂家,粗略计算,宣称推出交流伺服产品的国产厂家不下20 个。其中和利时电机面向整个自动化产业机械市场提供步进、无刷、伺服等 系列产品,在技术上和品牌上有一定优势;华中数控、广数和兰电等主要集中在数 控机床行业,伴随着这几年数控行业的大发展,他们的出货量也保持了快速增长, 积累了相对较强的实力;国产品牌产品功率范围多在5KW 以内,技术路线上与日 系产品接近,目前总市场占有率在10%左右。 展望未来,随着伺服价格的不断下降、交流伺服的市场接受度不断上升,中低端市 场有非常大的增长空间,因此本土厂商仍将有很大作为;同时台湾、日本厂商也将 在整个市场的扩大中获益,欧美品牌的市场占有率将逐渐下降,但仍将保持很高的 毛利水平。 根据机械工业研究院产业与市场研究所05 年做的市场调查,目前国内市场上覆盖 面最广的10 个品牌分别是:西门子、三菱、安川、兰电、松下、Fanuc、华中数控、 ABB,和利时电机和AB(属于Rockwell Automation)。其中西门子和三菱品牌覆盖 率在30%以上,AB 在3.7%,其他品牌均在10~20%之间。调查显示国产企业比 如和利时电机、华中数控、兰州电机等企业,经过多年的研发推广,在这个市场中 做的有声有色,在产品覆盖面上占有一席之地,但是国产品牌的客户忠诚度和影响 力明显不如进口品牌。用户选择进口品牌和国产品牌的比例为大约4:1,国产品 牌没有进入用户首选品牌的前5 名。虽然和利时电机和华中数控分列未来需求品牌 的第6 位和第7 位,但是面临日本和台湾产品本地化生产之后日益激烈的竞争,中 小功率通用伺服产品价格持续下降,利润率越来越低。国产品牌不仅在产品的性能、 质量与品种上都有所欠缺,在技术储备、生产能力和资本实力上的巨大差距更不是 一两天可以弥补。国产品牌要想突围,除了需要耐心和持续投入之外,还需要在竞 争策略方面走差异化路线。总之,中国品牌厂商同时面临巨大的挑战和发展机会, 任重而道远。
3. 交流伺服的行业应用
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%。

i. 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。

ii. 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。
iii. 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,象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。
iv. 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。
v. 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。
vi. 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。
4. 国内外市场发展趋势
i. 国际交流伺服市场处于恢复性增长状态,而国内市场在未来 3~5 年仍将维持 高速增长。
ii. 国外运动控制厂商通过购并和联盟迅速扩大自己的实力,谋求一站式解决方案 提供商的地位,比如Danaher 自从1995 年以来连续收购了超过40 家运动控制 厂商,包括我们非常熟悉的一些品牌,如Kollmorgen, API, Pacific Scientific, Superior Electric, Dover, NEAT, Thomson, Giddings & Lewis, Warner Motion, InMotion, Bautz, Micron 和Siedel 等。Parker 也按照相同的思路在扩展,最近 的例子是收购了Bayside,而Schneider 收购了Berger Lahr。许多新生的小企 业具备独特的技术或其他核心能力,也会找到属于自己的生存空间,并因此得 到更多投资。
iii. 国际范围内,政府和国际标准的不断发展给伺服产业带来深远影响,比如美国 的能源法案EPactII 对电机系统能效的规定,美国的UL、NEC(NFPA)标准对安全的规定,欧盟的RoHS、WEEE 和CE 标准对环保和安全的规定等。
iv. 交流伺服系统的市场范围不断扩大,越来越多取代机械传动、液压和气动传动 系统;交流伺服不断取代直流伺服的市场份额,导致直流伺服在整个伺服市场 的占有率从目前的不到15%每年大约下降0.5%;同时交流伺服成本和尺寸不 断缩小,也在蚕食高端步进电机的市场,但是步进电机本身也在不断提高自己 的竞争能力,不断延伸市场空间,因此在收到冲击的同时市场也在扩大,只是 速度可能不如交流伺服这么快而已。我们相信,在中国交流伺服市场发展的过程中,一定会出现强势的国产品牌,国际 厂商也必然从中获益;在诸强博弈中让广大客户受益,最终促进整个行业的成熟。