交流伺服系统的发展方向

2025-04-05 22:27:02

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回答1：

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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。
· 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。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，日该品牌有安川、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，日该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，并不甘心被日该品牌挤压市场空间。
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。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。
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。
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。
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。

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