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伺服控制编辑部 中国自动化网伺服培训(内部)资料 第一章 绪论1.1 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、低噪音振动、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？1.2 伺服概念引入、基本性能和控制方法1.2.1 伺服概念伺服(Servo)来自希腊词Servus(servant)，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、加速度和力矩。伺服控制系统(servo control system)是所有机电一体化设备的核心，它的基本设计要求是输出量能迅速而准确地响应输入指令的变化，如机械手控制系统的目标是使机械手能够按照指定的轨迹进行运动。象这种输出量以一定准确度随时跟踪输入量（指定目标）变化的控制系统称为伺服控制系统，因此，伺服系统也称为随动系统或自动跟踪系统。它是以机械量如位移、速度、加速度、力、力矩等作为被控量的一种自动控制系统。1.2.2 伺服系统的发展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1：50001：10000，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MRJ3系列的响应频率高达900Hz，而国内主流产品的频率在200500Hz。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。1.2.3 控制策略在控制策略上，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。1.3 伺服系统的组成与分类1.3.1 伺服系统的组成由于伺服系统服务对象很多，如计算机光盘驱动控制、雷达跟踪系统、进给跟踪系统等，因而对伺服系统的要求也有所差别。工程上对伺服系统的技术要求很具体，可以归纳为以下几个方面： 对系统稳态性能的要求； 对伺服系统动态性能的要求； 对系统工作环境条件的要求； 对系统制造成本、运行的经济性、标准化程度、能源条件等方面的要求。虽然伺服系统因服务对象的运动部件、检测部件以及机械结构等的不同而对伺服系统的要求也有差异，但所有伺服系统的共同点是带动控制对象按照指定规律做机械运动。从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。伺服系统组成原理框图如图1.1所示。图1.1 伺服系统组成原理图l 比较环节比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。l 控制器控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。l 被控对象被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体。被控对象一般包括传动系统、执行装置和负载。l 检测环节检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。在实际的伺服控制系统中，上述每个环节在硬件特征上并不成立，可能几个环节在一个硬件中，如测速直流电机既是执行元件又是检测元件。1.3.2 伺服系统的分类伺服系统目前主要有三种控制：简单位置控制、伺服复杂控制、直接驱动控制。l 简单控制a) 气动控制b) 凸轮控制c) 离合器/刹车系统图1.2 简单控制系统简单控制系统的系统构建比较简单，成本比较低，运转速度快。不足是系统无反馈，控制精度低，反应特性差。l 伺服复杂控制1) 按不同的控制原理分按不同的控制原理，伺服系统可分为开环、闭环和半闭环等伺服系统。(1) 开环伺服系统(open loop)若控制系统没有检测反馈装置则称为开环伺服系统。它主要由驱动电路、执行元件和被控对象三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常以步进电机作为执行元件的开环系统是步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。开环伺服系统结构简单，但精度不是很高。目前，大多数经济型数控机床采用这种没有检测反馈的开环控制结构。近年来，老式机床在数控化改造时，工作台的进给系统更是广泛采用开环控制，这种控制的结构简图如图1.3所示。图1.3 开环伺服系统结构简图数控装置发出脉冲指令，经过脉冲分配和功率放大后，驱动步进电机和传动件的累积误差。因此，开环伺服系统的精度低，一般可达到0.01mm左右，且速度也有一定的限制。虽然开环控制在精度方面有不足，但其结构简单、成本低、调整和维修都比较方便，另外，由于被控量不以任何形式反馈到输入端，所以其工作稳定、可靠，因此，在一些精度、速度要求不很高的场合，如线切割机、办公自动化设备中还是获得了广泛应用。(2) 半闭环伺服系统(Semi-closed loop)通常把安装在电机轴端的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统，由于电机轴端和被控对象之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。如图1.4所示是一个半闭环伺服系统的结构简图。图1.4 半闭环伺服系统简图工作台的位置通过电机上的传感器或是安装在丝杆轴端的编码器间接获得，它与全闭环伺服系统的区别在于其检测元件位于系统传动链的中间，故称为半闭环伺服系统。显然，由于有部分传动链在系统闭环之外，故其定位精度比全闭环的稍差。但由于测量角位移比测量线位移容易，并可在传动链的任何转动部位进行角位移的测量和反馈，故结构比较简单，调整、维护也比较方便。由于将惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，这种系统调试较容易、稳定性好，具有较高的性价比，被广泛应用于各种机电一体化设备。(3) 全闭环伺服系统(Full-closed loop)全闭环伺服系统主要由执行元件、检测元件、比较环节、驱动电路和被控对象五部分组成。在闭环系统中，检测元件将被控对象移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码器等。如图1.5是一个全闭环伺服系统，安装在工作台上的位置检测器可以是直线感应同步器或长光栅，它可将工作台的直线位移转换成电信号，并在比较环节与指令脉冲相比较，所得到的偏差值经过放大，由伺服电机驱动工作台向偏差减小的方向移动。若数控装置中的脉冲指令不断地产生，工作台就随之移动，直到偏差等于零为止。图1.5 全闭环系统结构简图全闭环伺服系统将位置检测器件直接安装在工作台上，从而可获得工作台实际位置的精确信息，定位精度可以达到亚微米量级，从理论上讲，其精度主要取决于检测反馈部件的误差，而与放大器、传动装置没有直接的联系，是实现高精度位置控制的一种理想的控制方案。但实现起来难度很大，机械传动链的惯量、间隙、摩擦、刚性等非线性因素都会给伺服系统造成影响，从而使系统的控制和调试变得异常复杂，制造成本亦会急速攀升。因此，全闭环伺服系统主要用于高精密和大型的机电一体化设备。l 直线驱动系统直线进给伺服驱动是采用直线交流伺服电动机实现。直线交流伺服电动机可视为将旋转电动机定子沿径向剖开，并将圆周展开成直线作初级，用一导电金属平板代替转子作次级，就构成了直线电动机。在初级中嵌入三相绕组制成动子，与机床移动工作台相连，次级作为定子固定在机床导轨上，两者之间保持约1mm的气隙。目前已开始应用于数控机床上的直线电动机主要有感应式直线交流伺服电动机和永磁式直线交流伺服电动机。a) 直线电机b) 直接驱动图1.6 直接驱动控制系统(1) 感应式直线交流伺服电动机 感应式直线交流伺服电动机通常由SPWM变频供电，采用次级磁场定向的矢量变换控制技术，对其运动位置、速度、推力等参量进行快速而又准确的控制。由于感应式直线伺服电动机的初级铁心长度有限，纵向两端开断，在两个纵向边缘形成“端部效应”(end effect)，使得三相绕组之间互感不相等，引起电动机的运行不对称。消除这种不对称的方法有三种： 同时使用三台相同的电动机，将其绕组交叉串联，这样可获得对称的三相电流； 对于不能同时使用三台电动机的场合，可采用增加极数的办法来减小各相之间的差别； 在铁心端部外面安装补偿线圈。 (2) 永磁式直线伺服电动机 永磁式直线伺服电动机的次级是采用高能永磁体，电动机采用矩形波或正弦波电流控制，由IGBT组成的电压源逆变器供电，PWM调制。当向动子绕组中通入三相对称正弦电流后，直线电动机产生沿直线方向平移并呈正弦分布的行波磁场，与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力，推动动子沿行波磁场运动的相反方向作直线运动。其控制系统的基本结构是PID组成的速度?电流双闭环控制，直接受控的是电流，通常采用id=0的控制策略，使电磁推力与id具有线性关系。 直线进给伺服驱动技术最大的优点是具有比旋转电动机大得多的加、减速度(可达1030倍)，能够在很高的进给速度下实现瞬时达到设定的高速状态和在高速下瞬时准确停止运动。加减速过程的缩短，可改善加工表面质量，提高刀具使用寿命和生产效率；减少了中间环节，使传动刚度提高，有效地提高了传动精度和可靠性，而且进给行程几乎不受限制。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SPS/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24V48VDC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0.55675 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0.2511 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0.55400 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200607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100300rpm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0.55 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。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22.5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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。其他动向发热抑制、静音化、清洁技术等。市场状况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100W2000W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30006000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1020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。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。 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30000rpm100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为1m时达到100m/min，甚至200m/min以上, 在分辨率为0.1s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，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。 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。国内外市场发展趋势 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35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。中国伺服市场情况中国伺服驱动发展之迅速、市场潜力之巨大、应用之广泛越来越毋庸置疑的了。国内不断有新的企业进入到这一行业来，那些具有步进、变频、运动控制器（或控制卡）方面的厂家要进入伺服控制市场，将会非常迅速，也将会非常有竞争力。市场的占有量以日本品牌为主，约4050以上，占据了国内市场的半壁江山。其次是欧美伺服产品，再者就是中国自产的伺服产品。这些厂家的伺服产品各有特色：日本伺服进入中国市场较早，产品性能、质量较好，价位较高；而欧美的伺服产品性能和功能最好，价格最高；国产伺服产品在性能和功能方面暂时逊色很多，只能跟在欧美日的后面走，但是具有明显的价格优势。本文调查市场上国内各个品牌的伺服产品之应用以及分析其性能。因为调查的范围限制，以及目前接触的市场面不是非常广泛，因此本文调查的产品不是非常全面。但是，在这个行业中一些比较有影响的伺服品牌基本上都有一定的体现。l 国内广泛采用的通用伺服品牌有：日系：三菱、安川、松下、山洋、富士、欧姆龙、日立、日机、多摩川、LG等；欧美系：Lenze、AMK、Rexroth、KEB、CT、ABB、Danaher、Baldor、Parker、Rockwell（AB） 等等；数控和高端运控伺服品牌：Siemens、Fanuc、三菱、Rexroth等等；数控伺服情况与数控系统状况相当，Siemens和Fanuc为主，三菱次之。l 国外目前在中国设有代表处、公司的品牌有(47家)：西门子(德国)、施耐德(德国)、Danaher、罗克韦尔自动化、Fanuc(美国-日本)、松下、ELMO(以色列)、安川(日本)、富士(日本)、欧姆龙(德国)、Lenze(德国)、KB(德国)、LUST(德国)、三菱(日本)、B&R、艾默生、CT、OMRON、瑞诺(瑞士)、迈克斯(德国)、Trio(英国)、Bosch Rexroth(德国)、maxon、麦特斯(韩国)、SEW、baldor、OEMAX、斯德博(德国)、Beckhoff(德国)、美国贝赛德、NORD、SHINKO(日本)、SSD、PPD(瑞典)、西班牙玛威诺、阿尔法、华纳(美国)、MOOG、台湾大内、Aurotek、DASATECH、PARKER(美国)、士林、罗兰(美国)、SEEK、PITTMAN、贺尔碧格(德国)、STOEBERl 国产通用伺服主要有(23家)：台达、埃斯顿、珠海运控、星辰伺服、深圳步进科技、时光、和利时、浙江卧龙、兰州电机、雷赛机电、宁波甬科、固高科技、大连普传、武汉登奇、贝能科技、鄂尔多斯、海蓝机电、北京宝伦、南京晨光、北京首科凯奇、西安微电机、南京高士达、中国电子集团21所等；l 国产数控伺服主要有(13家)：华中数控、广州数控、大森数控、北京航天数控、凯奇数控、开通数控、众为兴数控、苏强数控、绵阳圣维数控、北京凯恩帝数控、南京华兴数控、南京新方达数控、高金数控等；l 国产伺服电机主要有(16家)：东元、华大、登奇、强磁（苏强）、中源、海顿(直线电机)、大族(直线电机)、先川电机、硕阳电机、南京思展、上海蒂凯艾姆、上海赢双、北京贝赛德、博山华兴(直流伺服)、博山微电机(直流伺服)、亚博微电机(直流伺服)、上海三意电机等。但是由于技术上和现有市场上的格局，国内一些厂家，尤其是新进入这一行业的厂家，通常是在技术上、产品的性能和质量上都很