交流伺服系統的發展狀況

/機械工業北京電工技術經濟研究所 鄧偉/

展望未來，隨著伺服價格的不斷下降、交流伺服的市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土廠商仍將有很大作為；同時臺灣、日本廠商也將在整個市場的擴大中獲益，歐美品牌的市場占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。

一、交流伺服系技術發展狀況

（一）國外技術發展概況

電動機、驅動、傳感和控制技術等關聯技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵心電機、直線電機、外轉子電機等；驅動器可以采用各種功率電子元件；傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術；控制技術從采用單片機開始，一直到采用高性能DSP和各種可編程模塊，以及現代控制理論的實用化等等。交流伺服系統的相關技術，一直隨著用戶的需求而不斷發展。

貝加萊（B&R）工業自動化公司推出的AcoposMulti驅動系統采用模塊化的可擴展結構，每個軸模塊可以提供1～2個伺服軸控制，并集成了一個24VDC的輔助電源模塊，為驅動器、控制器和外圍設備提供了一個到直流總線的鏈接，來獲得開路、短路和過載保護。

艾默生控制技術（Emerson Control Techniques）公司Unidrive及其他交、直流驅動器產品。Unidrive 驅動器覆蓋功率范圍從0.55～675kW，變換不同的控制軟件可以驅動異步電機、永磁同步伺服電機和無刷直流電機。

Rockwell Automation公司PowerFlex驅動技術。PowerFlex應用公共工業協議（CIP）運動應用協議，有望無縫同步在同一系統中運行的多軸伺服與變頻驅動器中。這些通訊協議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅動器集成進去。

施耐德電氣(Schneider Electric)Lexium 05型伺服控制器具有和VFD變頻器一樣外形。其智能、集成電機與控制器產品（Icla）主要有以下三個電機版本:步進電機、交流伺服電機與三相無刷直流電機。Icla（來源于“集成、閉環、執行器”的首字母縮寫）將電機、位置控制、功率電子與反饋集成在一個緊湊單元中。

包米勒（Baumuller）公司提供的帶集成行星齒輪傳動系的高性能伺服電機，擁有高達98%的效率和很低的噪音；直接驅動型高力矩伺服電機，可以在100～300rpm范圍內輸出13500Nm。

（二）國內技術發展概況

我國從20世紀70年代開始跟蹤開發交流伺服技術， 80年代之后開始進入工業領域，直到2000年國產伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態，技術水平和可靠性難以滿足工業需要。2000年之后，國內幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產品。目前國內主要的伺服品牌或廠家有華中數控、廣數、南京埃斯頓、森創（和利時電機）等，但主要集中在數控機床領域。

交流伺服系統的性能指標可以從調速范圍、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。低檔的伺服系統調速范圍在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以達到1:100000以上；定位精度一般都要達到±1個脈沖，穩速精度；尤其是低速下的穩速精度比如給定1rpm時，一般的在±0.1rpm以內，高性能的可以達到±0.01rpm以內。動態響應方面，通常衡量的指標是系統最高響應頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統輸出速度波形的相位滯后不超過90°或者幅值不小于50%。

二、交流伺服系統行業市場狀況

（一）國外行業市場概況

根據ARC 2001年的報告，當年全球伺服驅動的市場規模是20.67億美元，2001年到2006年的復合增長率在7%以上，預計全球伺服系統的市場規模在2006年會達到29億美金左右（該預測包括了交流伺服和步進電機）。現在回過頭來看，恐怕已經不止這個數據，這中間經歷了911等因素造成的2002、2003年的市場衰退和2004年之后的恢復性增長。2006年之后增長率在10%以上，未來增長率會有所提高。

目前，國外品牌來自日本、德國和美國：日本品牌有安川、發那克（Fanuc）、HYPERLINK三菱電機、松下、三洋、富士等；美國有羅克維爾（Rockwell Automation）、達那赫（Danaher）、帕克（Parker）等；德國有西門子（Siemens）、博世力士樂（Bosch Rexroth）、施耐德（Schneider）等。其中，日本品牌以良好的性能價格比和較高的可靠性占據了大量市場份額，而且本地化生產的策略進一步增加了在價格和快速交貨方面的籌碼。歐美品牌在高端設備和生產線上比較有競爭力，其市場策略是高性能、高價格，以全套自動化解決方案作為賣點。

（二）國內行業市場概況

國內交流伺服的市場規模2006年估計在20億人民幣左右，市場規模近幾年一直保持了大于25%的年復合增長率，在所有自動化產品中當屬發展最快之列。而且隨著世界制造業加速向中國轉移，國產數控裝備在國家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發展，國產交流伺服系統的性價比快速提高，交流伺服系統的市場會繼續保持快速增長的勢頭，預計年平均增長率會維持在20%以上。

交流伺服國內的品牌主要有和利時電機、華中數控、廣數、蘭州電機、南京埃斯頓等廠家。其中和利時電機面向整個自動化產業機械市場提供步進、無刷、伺服等系列產品，在技術上和品牌上有一定優勢；華中數控、廣數和蘭州電機等主要集中在數控機床行業。

中國伺服產品的用戶區域主要分布在華東、華南和華北。華東市場是伺服最大的消費市場，而且這個趨勢會持續下去。伺服驅動廠商面臨用戶和OEM廠家不斷變化的需求的挑戰，伺服驅動器的上位機可以是CNC系統、通用運動控制器和PLC，還有各種嵌入式控制器，他們必須不斷推出多樣化的產品，滿足所有運動控制領域的要求。從長遠來看，伺服廠商的關鍵成功因素應該是產品的性價比、可靠性、技術含量、以及市場份額和品牌影響力。

三、行業技術發展方向及趨勢

伺服系統在機電設備中具有重要的地位，高性能的伺服系統可以提供靈活、方便、準確、快速的驅動。隨著技術的進步和整個工業的不斷發展，伺服驅動技術也取得了極大的進步，伺服系統已進入全數字化、交流化和智能化的時代。

代表著伺服系統發展水平的主導產品——伺服電機和伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的應用要求。高性能的伺服系統發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

（1）高效率化

主要包括電機本身的高效率，比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計、驅動系統的高效率化及逆變器驅動電路的優化等。

（2）全數字控制高性能化

用先進相位控制理論，實現優化的零相位誤差跟蹤控制，完全克服伺服滯后，為單軸的高精度控制提供所必要的技術措施。

（3）智能化

現代交流伺服驅動器應具備參數記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在一起。

（4）集成化

功率智能模塊，將保護、驅動、功率開關集成到一個模塊上，實現高度集成化、多功能。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環調節系統，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環調節系統。

（5）模塊化和網絡化

最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口（如RS-232C或RS-422接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其他控制設備間的互聯能力，從而與CNC系統間的連接也由此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統，也可以通過串行接口，與可編程控制器（PLC）的數控模塊相連。

（6）通用化

通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式。適用于各種場合，可以驅動不同類型的電機，也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器。

四、行業應用及市場發展趨勢

（一）應用發展趨勢

現代交流伺服系統最早被應用到宇航和軍事領域，逐漸進入到工業領域和民用領域。工業應用主要包括高精度數控機床、機器人和其他廣義的數控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫療設備、半導體設備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設備等。其中伺服用量最大的行業依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導體、塑料、印刷和橡膠機械。

（二）市場發展趨勢

交流伺服系統的市場范圍不斷擴大，越來越多取代機械傳動、液壓和氣動傳動系統；交流伺服不斷取代直流伺服的市場份額，導致直流伺服在整個伺服市場的占有率從目前的不到15%每年大約下降0.5%；同時交流伺服成本和尺寸不斷縮小，也在蠶食高端步進電機的市場，但是步進電機本身也在不斷提高自己的競爭能力，不斷延伸市場空間，因此在受到沖擊的同時市場也在擴大，只是速度可能不如交流伺服這么快而已。

國際交流伺服市場處于恢復性增長狀態，而國內市場在未來仍將維持高速增長。國外運動控制廠商通過購并和聯盟迅速擴大自己的實力，謀求一站式解決方案提供商的地位，許多新生的小企業具備獨特的技術或其他核心能力，也會找到屬于自己的生存空間，并因此得到更多投資。國際范圍內，政府和國際標準的不斷發展給伺服產業帶來深遠影響，比如美國的能源法案EPactII對電機系統能效的規定和UL、NEC（NFPA）標準對安全的規定，歐盟的RoHS、WEEE和CE標準對環保和安全的規定等。

展望未來，隨著伺服價格的不斷下降、交流伺服的市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土廠商仍將有很大作為；同時中國臺灣地區、日本廠商也將在整個市場的擴大中獲益，歐美品牌的市場占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。市場調查，目前國內市場上覆蓋面最廣的10個品牌分別是：西門子、三菱、安川、蘭電、松下、Fanuc、華中數控、ABB、和利時電機和AB（屬于Rockwell Automation）。調查顯示國產企業比如和利時電機、華中數控、蘭州電機等企業，經過多年的研發推廣，在這個市場中做的有聲有色，在產品覆蓋面上占有一席之地，但是國產品牌的客戶忠誠度和影響力明顯不如進口品牌。國產品牌不僅在產品的性能、質量與品種上都有所欠缺，在技術儲備、生產能力和資本實力上的巨大差距更不是一兩天可以彌補。國產品牌要想突圍，除了需要耐心和持續投入之外，還需要在競爭策略方面走差異化路線。

但我們相信，在中國交流伺服市場發展的過程中，一定會出現強勢的國產品牌，國際廠商也必然從中獲益；在諸強博弈中讓廣大客戶受益，最終促進整個行業的成熟。

五、對相關政府部門的意見與建議

面對巨大的市場發展機遇和國外產品的競爭，我國交流伺服行業的發展還需要多方面力量的支持。

1）加強行業協會的作用。行業協會應該對行業企業起到協調、引導作用，通過組織和舉辦行業發展研討會等方式，統一行業企業認識，出面協調行業企業與政府、社會、上下游客戶的相互關系，積極協助政府落實有關節能降耗政策。2）加強科研經費支持力度。高性能交流伺服技術是相對高端的產品，科研經費大力投入是開展相關研究工作的前提，可保障科研工作順利且有效地進行。3）進一步加強人才培養、技術研發和新產品開發，提高技術含量。交流伺服行業是新的需要跨行業理論和技術積累的高科技行業，是結合理論、設計和工藝在一起的綜合調速節能方案的實施過程。4）大力加強國家及行業標準化工作的開展。希望盡快出臺交流伺服設備獨立可執行的標準，使該領域的生產、檢測、驗收等方面的標準得以完善。