伺服系统，智能制造的关键核心

导读：伺服系统是工业自动化的重要组成部分，是自动化行业中实现精确定位、精准运动必要途径。伺服系统关键技术的突破，将极大地提升中国智能制造的技术水平和市场竞争力。

中国伺服市场规模

2015年整体的经济形势不景气，一些传统的制造业对伺服的需求有所放缓。然而，国家对机器人行业以及“工业4.0”的积极推动，刺激了伺服的市场需求增长，特别是网络型伺服、总线型伺服系统得到了快速发展。整体来看，2015年伺服市场仍保持着较高的增速。

2015年中国伺服市场规模为110亿元，预计未来随着工业机器人行业的深化、工业自动化的进一步突进和智能制造的深入推进，伺服市场将会出现新一轮爆发式增长，到2020年，中国伺服市场规模将达到254亿元。

2015-2020年中国伺服市场规模

伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。

伺服系统工作方式

目前应用最为广泛的电气伺服系统，通常伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机，以及伺服反馈装置（编码器）。伺服驱动器属于自动化控制系统中的驱动层，伺服电机属于执行层。伺服驱动器和伺服电机如今已经成为智能制造的必备品。

伺服系统的工作过程可以简单理解为上位机（PLC、控制卡）发出脉冲信号驱动伺服电机，由上位机来控制整个伺服运动，编码器是一个反馈单元，用来检查伺服电机执行了多少脉冲信号并反馈给驱动器，从而进行精确闭环控制。

伺服电机编码器是安装在伺服电机末端用来测量伺服电机转角及转速的一种传感器，通常内置在伺服电机末端。伺服电机编码器，目前自控领域常用的是光电编码器和磁电编码器。光电编码器通过光电码盘反射光信号数量确定电机转子转动角度，而磁电编码器通过磁场感应元器件来感应电机转子转动所带来的磁场变化来确定电机转子位置。光电式编码器进度主要由码盘刻度线精度决定，精度越高，刻度线越多，码盘体积越大，其技术难点就在于码盘的加工生产；磁电式编码器使用磁场感应元器件代替码盘，因此可以在提高精度的同时保证体积相对较小，所以在高精度但对编码器体积有要求的前提下使用磁电编码器，同时磁电式编码器采用的磁场感应工作原理，相对于光反射过程相对简单，过程更为可靠。但是磁电编码器价格比较昂贵，目前仅在精度要求、工况要求相对较高的领域适用，随着未来磁场感应元器件价格的下降，磁电式编码器将会有替代光电式编码器的趋势。

编码器作为伺服系统的信号反馈装置，很大程度上决定了伺服系统的精度。伺服驱动器驱动电机运转，电机带着编码器旋转，编码器的反馈型号输送到控制器，控制器就能知道电机的运转情况，从而得出电机的转速，移动位置和移动距离等。控制器根据编码器反馈的信号经过计算得出偏差结果，再次控制电机运动，纠正偏差，从而精确控制电机的转速、位置、距离和力矩等系统变量。

伺服编码器内部结构

编码器技术作为伺服系统的核心技术之一，高精度编码器研发难度非常大，目前国内和国外的伺服系统大部分厂商都是匹配第三方编码器。目前世界上编码器龙头企业是德国Heidenhain公司，其产品选型范围广，品种齐全；比较著名的公司还有日本的尼康和佳能，他们凭借在光学仪器生产中常年积累的经验，生产的光电式编码器具有性能稳定，精度高，使用寿命长等优点。

随着国内研发投入的不断提高，目前部内企业已经掌握编码器技术，比如汇川技术已经能够生产出达到国际领先水平的23位编码器，从而降低了整个伺服系统的制造成本，在行业竞争中取得优势。

伺服系统未来发展趋势

数字化、智能化、简易化、网络化和高效化是伺服系统的未来发展趋势。随着电子技术水平的不断提高，伺服系统的发展也在不断升级。现代伺服系统多采用交流伺服驱动系统，随着工业4.0、工业物联网等理论的提出，现代伺服系统正逐渐向数字信号控制、网络模块控制方向转变。数字控制技术、总线控制技术等现代化技术已经逐渐被高端伺服厂商采用。随着智能制造的逐步发展，五大发展趋势将逐步显现。

1． 数字化

数字控制技术取代模拟控制电路在伺服系统中是一种必然趋势。以模拟电子器件为主的伺服控制单元将会被采用全数字处理器的伺服控制单元全面取代。在伺服控制方面将逐步转变为软件控制，以便在伺服系统中应用现代先进的控制方法。数字化控制相比传统控制方法，在响应数度和运动精度等方面得到了全面提升。

2． 智能化

智能化主要是指伺服驱动器智能化。目前伺服内部控制核心大都采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP），，伺服系统数字化是其实现智能化的前提条件。智能化趋势是运行参数都可以通过人机对话的方式来设置；故障自诊断与分析；参数自动修正的功能等。

3． 简易化

简易化不是简单而是精简，是根据用户情况，将用户使用的伺服功能予以强化，使之专而精，而将不使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统成本，为客户创造更多的收益，尝试从客户的实际需要出发，形成简易模块化编程操作，使客户使用简便快捷。

4． 网络化

即构建网络型、总线型伺服系统。现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术，构建总线型伺服是实现工业物联网的必要途径之一。

5． 高效化

伺服系统将会采用更精度的编码器，提高系统的采样精度，同时提高伺服驱动器的产品性能，不断优化逆变器驱动电路，提供更快数据处理速度和伺服系统的加减速性能。

伺服系统国产化步伐加快。

我国伺服系统的发展历程大致可以分为三个阶段，第一阶段是70年度时期，伺服系统首先被应用于国防科技、军工等高端制造行业。第二阶段是80年代以后，伺服系统开始在一些高端民用制造中得到尝试；2000年以后，随着制造强国等战略的提高，我国制造业水平提到很大提升，伺服系统在我国高端制造业中得到大范围应用，但使用的几乎都是国外的伺服系统。

目前，国外伺服企业在中国的市场占有率达75%，其中日本品牌占比为50%，占据了我国伺服系统市场一半的份额。其著名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士等，产品特点是技术和性能水平比较符合中国用户的需求；欧美品牌占比25%，美国以罗克韦尔、丹纳赫、帕光等闻名，而德国则拥有西门子、伦茨、博世力士乐、施耐德等品牌。国产品牌占据了20%的市场，其中内地品牌和***品牌分别占据10%的市场，中国***以东元和台达为代表，其技术水准和价格水平居于进口中端产品和内地品牌之间；中国内地的品牌主要有华中数控、广州数控、埃斯顿、汇川技术、英威腾等。伴随着国产伺服技术研发水平的不断提升，国产伺服系统进口替代的步伐将会加快。

武汉华中数控股份有限公司创立于1994年，是首批国家级“创新型企业”。已获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖4项，有9项产品被评为国家级重点新产品。

华中数控的伺服驱动产品有：HSV-180AS全数字交流伺服主轴驱动单元、HSV-180AD全数字交流伺服进给驱动单元、HSV-160B系列伺服驱动单元、HSV-160U系列交流伺服驱动单元、HSV-180U系列交流伺服驱动单元、HSV-180D数字交流伺服进给驱动装置、HSV-162A全数字交流双轴伺服驱动单元、HSV-160B全数字交流伺服驱动单元，产品丰富。

深圳市汇川技术股份有限公司是国家高新技术企业，掌握了高性能矢量变频技术、PLC技术、伺服技术和永磁同步电机等核心平台技术。经过十几年的发展，公司已成为国内工业自动化控制领域的领军企业，在销售收入、盈利水平、技术创新等方面均处于国内行业领先水平。

英威腾是国家火炬计划重点高新技术企业，目前拥有16家控股子公司，依托于电力电子、电气传动、自动控制、信息技术等关键技术的掌握，主要产品涵括高、中、低压变频器、电梯智能控制系统、伺服系统、PLC、HMI、电机和电主轴、SVG、UPS、光伏逆变器、节能减排在线管理系统、轨道交通牵引系统、新能源汽车电控系统等。

DA200高性能通用交流伺服系统是英威腾投入大量资源，倾力打造的明星升级产品，超群的速度响应、出色的定位精度、领先的抑振技术只为激发驱动控制无限潜能，实现伺服与人、机械和环境的完美和谐。

随着产生升级和制造业变革加速，电子设备制造行业（包括传统电子设备、半导体、液晶、LED）及机器人行业受政策利好及市场需求量快速增加等因素影响，行业自身及对伺服需求量快速增长。伺服系统众多下游行业符合国家产业政策所鼓励的发展方向，随着中国装备制造业整体性的产业升级，其自动化、数控化、智能化的发展方向为伺服系统产品提供了十分广阔的市场空间。