引言

伺服系統(tǒng)影響工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度、控制速度和穩(wěn)定性。伺服系統(tǒng)的硬件包括伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器用來(lái)控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制機(jī)械部件的位置、方位、狀態(tài)等。

伺服驅(qū)動(dòng)器的的核心元件IGBT模塊的技術(shù)壁壘在于加工與生產(chǎn)一致性、伺服電機(jī)的核心元件編碼器的技術(shù)壁壘在于插補(bǔ)算法的精度，此外，編碼器小型化技術(shù)也有待于突破。伺服系統(tǒng)的破局點(diǎn)在于縮小控制柜的體積以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的小型化。未來(lái)，國(guó)內(nèi)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化和高端進(jìn)口替代。

一、伺服系統(tǒng)的基本作用

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（包括伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器）是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，對(duì)機(jī)器人的速度、精度、穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都具有直接的影響。

（一）伺服電機(jī)是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中控制機(jī)械元器件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以精確控制速度、位置，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

（二）伺服驅(qū)動(dòng)器用來(lái)控制伺服電機(jī)，一般通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓、氣動(dòng)到電氣的過(guò)程，其中電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)類型分為直流和交流伺服系統(tǒng)。由于集成電路、交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展，永磁交流伺服系統(tǒng)是主流的伺服系統(tǒng)。

二、伺服系統(tǒng)組成和制約因素

（一）伺服系統(tǒng)組成

伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)伺服電機(jī)中的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器再對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正。整個(gè)工作過(guò)程通過(guò)閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出變量。

圖：協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人

伺服系統(tǒng)的硬件包括伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器用來(lái)控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制機(jī)械部件的位置、方位、狀態(tài)等。伺服驅(qū)動(dòng)器的的核心元件是IGBT模塊、伺服電機(jī)的核心元件是編碼器。

伺服電機(jī)編碼器是安裝在伺服電機(jī)末端用來(lái)測(cè)量伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速的一種傳感器，通常內(nèi)置在伺服電機(jī)未端。目前自控系統(tǒng)領(lǐng)域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。

光電式編碼器進(jìn)度主要由碼盤刻度線精度決定，其技術(shù)難點(diǎn)就在于碼盤的加工生產(chǎn)。

圖：光電編碼器工作原理

磁電式編碼器使用磁場(chǎng)感應(yīng)元器件代替碼盤，因此可以在提高精度的同時(shí)保證體積相對(duì)較小。但是磁電編碼器價(jià)格比較昂貴，目前僅在精度要求、工況要求相對(duì)較高的領(lǐng)域適用，隨著未來(lái)磁場(chǎng)感應(yīng)元器件價(jià)格的下降，磁電式編碼器將會(huì)有代替光電式編碼器的趨勢(shì)。

（二）IGBT模塊國(guó)內(nèi)起步較晚，生產(chǎn)一致性的技術(shù)壁壘制約伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)展??

IGBT模塊是由多個(gè)IGBT芯片與FWD芯片通過(guò)特定的電路封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。從功能上來(lái)說(shuō)，IGBT模塊就是一個(gè)電路開關(guān)，優(yōu)點(diǎn)就是用電壓控制，飽和壓降小，耐壓高，俗稱電力電子裝置的“CPU”。

圖：IGBT模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖來(lái)源：《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》

其中，IGBT芯片是一種復(fù)合電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。在制造IGBT芯片時(shí)主要有以下難點(diǎn)：1.設(shè)計(jì)難。IGBT進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)時(shí)的具體參數(shù)十分復(fù)雜，對(duì)技術(shù)水平有很高的要求。2.工藝難。IGBT對(duì)背面工藝和減薄工藝要求很高，但國(guó)內(nèi)工藝仍較落后。3.下游認(rèn)證周期長(zhǎng)。IGBT芯片屬于門檻很高的電力電子核心器件，因此下游廠商會(huì)經(jīng)過(guò)多重測(cè)試環(huán)節(jié)才敢大批量投入。

將多個(gè)IGBT芯片和FDW芯片集成封裝在一起形成IGBT模塊是一大技術(shù)難點(diǎn)。這其中還包括有焊接技術(shù)、鍵合技術(shù)、罐封技術(shù)以及質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。

在伺服驅(qū)動(dòng)器方面，由于國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較國(guó)外晚，缺乏有研發(fā)實(shí)力的工業(yè)機(jī)器人專用伺服驅(qū)動(dòng)器廠商。與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)的伺服系統(tǒng)在性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、功能先進(jìn)性方面都還有一定差距。

IGBT的技術(shù)壁壘主要在它的生產(chǎn)一致性上，一般情況下需要3-5年的時(shí)間去驗(yàn)證IGBT模塊在參數(shù)、性能上等指標(biāo)上是否達(dá)標(biāo)、是否符合一致性。中國(guó)企業(yè)比亞迪于2009年推出首款車規(guī)級(jí)IGBT 1.0技術(shù)，打破了國(guó)際廠商壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在IGBT芯片技術(shù)上零的突破。2018年以來(lái)，像瑞能半導(dǎo)體、廣東芯聚能半導(dǎo)體等國(guó)產(chǎn)企業(yè)在芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈基本都已有布局。整體來(lái)看，中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈正逐步具備國(guó)產(chǎn)替代能力。

圖：中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)鏈

（三）高端編碼器依賴進(jìn)口，中低端已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代

在伺服電機(jī)方面，根據(jù)民生證券《電子行業(yè)功率器件深度報(bào)告：功率的進(jìn)擊，看能源主線下國(guó)產(chǎn)廠商崛起之路》，據(jù)MIR統(tǒng)計(jì)，全球伺服電機(jī)需求量在2020年達(dá)到3873萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)3.20%，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)市場(chǎng)仍被日本和歐美品牌占據(jù)大半，國(guó)產(chǎn)品牌的市占率僅為 20%左右，且主要以低端伺服電機(jī)為主。

圖：2021年上半年中國(guó)伺服電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)份額；數(shù)據(jù)來(lái)源：民生證券研究所

外資企業(yè)中日系品牌（安川電機(jī)、松下電機(jī)、三菱電機(jī)、三洋電機(jī)等公司）憑借良好的產(chǎn)品性能與極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格壟斷了中小型設(shè)備市場(chǎng)。

而歐系品牌，如西門子、倫茨、路斯特、倍福、博世力士樂(lè)、施耐德等公司，憑借其高可靠性（過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)器開放性好，且具有總線接口）牢牢占據(jù)高端市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)所占份額較低。

伺服電機(jī)的核心技術(shù)之一是高精度的編碼器，目前我國(guó)機(jī)器人的伺服電機(jī)所用的多圈絕對(duì)值編碼器嚴(yán)重依賴進(jìn)口。此外，編碼器的小型化和如何適用于集成芯片伺服電機(jī)本體的集成設(shè)計(jì)也是伺服電機(jī)小型化繞不過(guò)去的核心技術(shù)。??

編碼器的核心技術(shù)壁壘在于插補(bǔ)算法。機(jī)器人的位置傳感器檢測(cè)到點(diǎn)角度后在編碼器內(nèi)通過(guò)算法語(yǔ)言進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分為千級(jí)、萬(wàn)級(jí)乃至十萬(wàn)級(jí)以上的精度，而這里的細(xì)分精度正是編碼器的技術(shù)難關(guān)所在。

圖：插補(bǔ)算法示意圖

三、伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)格局

長(zhǎng)期以來(lái)，伺服系統(tǒng)市場(chǎng)主要被日本和歐美國(guó)家的企業(yè)所占據(jù)。如下圖所示，日系品牌占據(jù)了超過(guò)50%的市場(chǎng)份額，安川電機(jī)、松下電機(jī)、三菱電機(jī)、三洋電機(jī)等品牌壟斷了我國(guó)中小型OEM市場(chǎng)，而在大型伺服市場(chǎng)上，西門子、倫茨、路斯特、倍福、博世力士樂(lè)、施耐德等歐系品牌也掌握著傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

圖：2020年中國(guó)伺服系統(tǒng)主要供應(yīng)商市場(chǎng)規(guī)模；數(shù)據(jù)來(lái)源：禾川科技招股書

根據(jù)禾川科技招股書，我國(guó)的伺服系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)起步較晚， 2000年以后隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的逐步提速，國(guó)產(chǎn)伺服技術(shù)研發(fā)水平正不斷提升，同時(shí)，國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)市場(chǎng)接受度亦逐步提高，國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)進(jìn)口替代的步伐加快，國(guó)產(chǎn)品牌在伺服系統(tǒng)的崛起之勢(shì)愈發(fā)明顯。

如下圖所示，根據(jù)禾川科技招股書，2020年國(guó)產(chǎn)伺服品牌的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)49.64億元，同比增長(zhǎng)34.40%。2020年國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)24.50%，2021年上升至27.22%。

圖：2017-2025年國(guó)產(chǎn)品牌伺服市場(chǎng)規(guī)模及增速；數(shù)據(jù)來(lái)源：禾川科技招股書

四、伺服系統(tǒng)的破局點(diǎn)

通常而言，在工業(yè)機(jī)器人的伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)控制器都集中儲(chǔ)存在電機(jī)控制柜中，而由于伺服電機(jī)的體積是相對(duì)固定的，所以電機(jī)控制柜的體積大小決定了工業(yè)機(jī)器人的體積大小。

在自動(dòng)化產(chǎn)線的時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人更小的體積意味著更大的生長(zhǎng)空間，例如小體積的工業(yè)機(jī)器人可以分散部署在更多工位上，形成分布式運(yùn)作，提高效率。因此，縮小伺服系統(tǒng)電機(jī)控制柜的體積，進(jìn)而推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的小型化，是當(dāng)前伺服系統(tǒng)的破局點(diǎn)。

未來(lái)，國(guó)內(nèi)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、高端進(jìn)口替代以及算法的高端化，主要針對(duì)以往由國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)的中高端市場(chǎng)，這一方面是因?yàn)槟壳暗投耸袌?chǎng)已經(jīng)成為廠商間價(jià)格戰(zhàn)的紅海；另一方面是由于近年來(lái)國(guó)內(nèi)在伺服系統(tǒng)方面的技術(shù)已經(jīng)基本趕上國(guó)外，國(guó)內(nèi)外間的差距相比前幾年已經(jīng)顯著縮小。

專業(yè)術(shù)語(yǔ)

1、伺服電機(jī)：指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠控制速度和位置精度，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

2、伺服驅(qū)動(dòng)器：用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。

3、IGBT芯片模塊：絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOSFET（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）的高輸入阻抗和GTR（雙極型三極管）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

4、編碼器：是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。

5、自控領(lǐng)域：是指用一些自動(dòng)控制裝置,對(duì)生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，使它們?cè)谑艿酵饨绺蓴_(擾動(dòng))的影響而偏離正常狀態(tài)時(shí),能夠被自動(dòng)地調(diào)節(jié)而回到工藝所要求的數(shù)值范圍內(nèi)。

6、光電編碼器：通過(guò)光電碼盤反射光信號(hào)數(shù)量確定電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度，而磁電編碼器通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)元器件來(lái)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來(lái)的磁場(chǎng)變化來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

7、碼盤：是指測(cè)量角位移的數(shù)字編碼器。它具有分辨能力強(qiáng)、測(cè)量精度高和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)量軸轉(zhuǎn)角位置的一種最常用的位移傳感器。

8、轉(zhuǎn)矩：又稱為扭矩，指機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形。

9、轉(zhuǎn)速：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體單位時(shí)間內(nèi)沿圓周繞圓心轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)（與頻率不同）。

10、多圈絕對(duì)值編碼器：由機(jī)械位置確定編碼，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。絕對(duì)型編碼器有量程范圍，適合用在一些特殊機(jī)床上。

11、插補(bǔ)算法：插補(bǔ)計(jì)算就是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)輸入基本數(shù)據(jù)(如直線的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心坐標(biāo)等)，運(yùn)用一定的算法計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果向相應(yīng)的坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給指令。對(duì)應(yīng)著每一進(jìn)給指令，機(jī)床在相應(yīng)的坐標(biāo)方向上移動(dòng)一定的距離，從而加工出工件所需的輪廓形狀。

12、控制柜：控制柜是按電氣接線要求將開關(guān)設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、保護(hù)電器和輔助設(shè)備組裝在封閉或半封閉金屬柜中或屏幅上。借測(cè)量?jī)x表可顯示運(yùn)行中的各種參數(shù)，還可對(duì)某些電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)偏離正常工作狀態(tài)進(jìn)行提示或發(fā)出信號(hào)。

13、集成設(shè)計(jì)：它利用現(xiàn)代信息技術(shù)把傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中相對(duì)獨(dú)立的階段、活動(dòng)及信息有效的結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其過(guò)程同時(shí)交叉進(jìn)行，減少設(shè)計(jì)過(guò)程的多次反復(fù)，力求使產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計(jì)一開始就考慮到產(chǎn)品整個(gè)生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢處理的所有因素，從而最大限度地提高設(shè)計(jì)效率、降低生產(chǎn)成本的設(shè)計(jì)方法

編輯：黃飛

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