交流伺服系统的发展状况

/机械工业北京电工技术经济研究所 邓伟/

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。

一、交流伺服系技术发展状况

（一）国外技术发展概况

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、无铁心电机、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。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。

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1～2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。

艾默生控制技术（Emerson Control Techniques）公司Unidrive及其他交、直流驱动器产品。Unidrive 驱动器覆盖功率范围从0.55～675kW，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。

Rockwell Automation公司PowerFlex驱动技术。PowerFlex应用公共工业协议（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。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。

施耐德电气(Schneider Electric)Lexium 05型伺服控制器具有和VFD变频器一样外形。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。

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。

（二）国内技术发展概况

我国从20世纪70年代开始跟踪开发交流伺服技术， 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，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华中数控、广数、南京埃斯顿、森创（和利时电机）等，但主要集中在数控机床领域。

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%。

二、交流伺服系统行业市场状况

（一）国外行业市场概况

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，2001年到2006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（该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2002、2003年的市场衰退和2004年之后的恢复性增长。2006年之后增长率在10%以上，未来增长率会有所提高。

目前，国外品牌来自日本、德国和美国：日本品牌有安川、发那克（Fanuc）、HYPERLINK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）、施耐德（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大量市场份额，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。

（二）国内行业市场概况

国内交流伺服的市场规模2006年估计在20亿人民币左右，市场规模近几年一直保持了大于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，预计年平均增长率会维持在20%以上。

交流伺服国内的品牌主要有和利时电机、华中数控、广数、兰州电机、南京埃斯顿等厂家。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、广数和兰州电机等主要集中在数控机床行业。

中国伺服产品的用户区域主要分布在华东、华南和华北。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。

三、行业技术发展方向及趋势

伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化、交流化和智能化的时代。

代表着伺服系统发展水平的主导产品——伺服电机和伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。高性能的伺服系统发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）高效率化

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、驱动系统的高效率化及逆变器驱动电路的优化等。

（2）全数字控制高性能化

用先进相位控制理论，实现优化的零相位误差跟踪控制，完全克服伺服滞后，为单轴的高精度控制提供所必要的技术措施。

（3）智能化

现代交流伺服驱动器应具备参数记忆、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。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。

（4）集成化

功率智能模块，将保护、驱动、功率开关集成到一个模块上，实现高度集成化、多功能。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又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的全闭环调节系统。

（5）模块化和网络化

最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232C或RS-422接口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其他控制设备间的互联能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统，也可以通过串行接口，与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。

（6）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，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。

四、行业应用及市场发展趋势

（一）应用发展趋势

现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，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。

（二）市场发展趋势

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，因此在受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。

国际交流伺服市场处于恢复性增长状态，而国内市场在未来仍将维持高速增长。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，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。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和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。

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；同时中国台湾地区、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。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）。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。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。

但我们相信，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。

五、对相关政府部门的意见与建议

面对巨大的市场发展机遇和国外产品的竞争，我国交流伺服行业的发展还需要多方面力量的支持。

1）加强行业协会的作用。行业协会应该对行业企业起到协调、引导作用，通过组织和举办行业发展研讨会等方式，统一行业企业认识，出面协调行业企业与政府、社会、上下游客户的相互关系，积极协助政府落实有关节能降耗政策。2）加强科研经费支持力度。高性能交流伺服技术是相对高端的产品，科研经费大力投入是开展相关研究工作的前提，可保障科研工作顺利且有效地进行。3）进一步加强人才培养、技术研发和新产品开发，提高技术含量。交流伺服行业是新的需要跨行业理论和技术积累的高科技行业，是结合理论、设计和工艺在一起的综合调速节能方案的实施过程。4）大力加强国家及行业标准化工作的开展。希望尽快出台交流伺服设备独立可执行的标准，使该领域的生产、检测、验收等方面的标准得以完善。