第一節(jié) 產(chǎn)品概述

一、相關(guān)定義與分類

1、定義

交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。

2、分類

交流伺服系統(tǒng)包括基于異步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)和基于同步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點(diǎn)外，具有一系列優(yōu)點(diǎn)。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)

伺服來自英文單詞Servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進(jìn)行人們所期望的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素包括位置、速度和力矩。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動(dòng)到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、反饋裝置和控制器。在20世紀(jì)60年代，最早是直流電機(jī)作為主要執(zhí)行部件，在70年代以后，交流伺服電機(jī)的性價(jià)比不斷提高，逐漸取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機(jī)?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年代的所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。進(jìn)入21世紀(jì)，交流伺服系統(tǒng)越來越成熟，市場呈現(xiàn)快速多元化發(fā)展，國內(nèi)外眾多品牌進(jìn)入市場競爭。目前交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化的支撐性技術(shù)之一。

在交流伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的類型有永磁同步交流伺服電機(jī)(PMSM)和感應(yīng)異步交流伺服電機(jī)(IM)，其中，永磁同步電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動(dòng)態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。而異步伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、制造簡單、價(jià)格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。

交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范圍、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來衡量。低檔的伺服系統(tǒng)調(diào)速范圍在1:1000以上，一般的在1:5000～1:10000，高性能的可以達(dá)到1:100000以上；定位精度一般都要達(dá)到±1個(gè)脈沖，穩(wěn)速精度，尤其是低速下的穩(wěn)速精度比如給定1rpm時(shí)，一般的在±0.1rpm以內(nèi)，高性能的可以達(dá)到±0.01rpm以內(nèi)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)最高響應(yīng)頻率，即給定最高頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)輸出速度波形的相位滯后不超過90°或者幅值不小于50％。進(jìn)口三菱伺服電機(jī)MR－J3系列的響應(yīng)頻率高達(dá)900Hz，而國內(nèi)主流產(chǎn)品的頻率在200～500Hz。運(yùn)行穩(wěn)定性方面，主要是指系統(tǒng)在電壓波動(dòng)、負(fù)載波動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化、上位控制器輸出特性變化、電磁干擾、以及其他特殊運(yùn)行條件下，維持穩(wěn)定運(yùn)行并保證一定的性能指標(biāo)的能力。

三、產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械，比如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機(jī)械、冶金機(jī)械、自動(dòng)化流水線、各種專用設(shè)備等。其中伺服用量最大的 行業(yè) 依次是：機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械，合計(jì)超過75％。

在數(shù)控機(jī)床中使用永磁無刷伺服電機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)做進(jìn)給已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，部分高端產(chǎn)品開始采用永磁交流直線伺服系統(tǒng)。在主軸傳動(dòng)中采用高速永磁交流伺服取代異步變頻驅(qū)動(dòng)來提高效率和速度也成為熱點(diǎn)。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，高速電主軸單元轉(zhuǎn)數(shù)在30000rpm～100000rpm，工作臺(tái)的進(jìn)給速度在分辨率為1μm時(shí)達(dá)到100m/min，甚至200m/min以上，在分辨率為0.1μs時(shí)，在24m/min以上。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床突出高速、高精、高動(dòng)態(tài)、高剛性的特點(diǎn)，對(duì)位置系統(tǒng)的要求包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求的滿足主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。我們已經(jīng)看到國產(chǎn)伺服系統(tǒng)比如廣數(shù)的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上的廣泛應(yīng)用，但是在中高檔數(shù)控機(jī)床上采用國產(chǎn)伺服系統(tǒng)仍然面臨困難，性能是一個(gè)重要方面，還有就是穩(wěn)定性和可靠性，或許品牌效應(yīng)也是難以短時(shí)間逾越的障礙。

在機(jī)器人領(lǐng)域，無刷永磁伺服系統(tǒng)得到大量應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人擁有多個(gè)自由度，每臺(tái)工業(yè)機(jī)器人需要的電機(jī)數(shù)量在10臺(tái)以上。目前世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人擁有量超過100萬臺(tái)，機(jī)器人的需求量年增長在30％以上。國際上工業(yè)機(jī)器人采用的伺服系統(tǒng)屬專用系統(tǒng)，多軸合一，模塊化，特殊的散熱結(jié)構(gòu)，特殊的控制方式，對(duì)可靠性要求極高。國際機(jī)器人巨頭都有自己的專屬伺服系統(tǒng)配套，比如安川、松下和ABB，這方面國內(nèi)差距明顯。國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠家仍然在采用標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)口交流伺服系統(tǒng)，國產(chǎn)伺服系統(tǒng)想進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人配套領(lǐng)域，就更加遙遠(yuǎn)。不過，我們也看到在一些特殊機(jī)器人領(lǐng)域，比如反恐防爆機(jī)器人、礦井救災(zāi)機(jī)器人等輕便移動(dòng)機(jī)器人，采用了國產(chǎn)基于低壓直流供電的微型無刷伺服系統(tǒng)，比如和利時(shí)電機(jī)的蜂鳥系列就獲得了成功。當(dāng)然，在更廣泛的機(jī)器人領(lǐng)域，需要的不僅僅是交流伺服電機(jī)，還包括各種其他微特電機(jī)，如直流伺服電機(jī)、直線電機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、力矩電機(jī)等。

紡織 行業(yè) 當(dāng)前應(yīng)用伺服的比例很低，但卻是未來交流伺服大批量應(yīng)用的重要 行業(yè) 之一。從90年代初期至今已經(jīng)15年，紡織 行業(yè) 技術(shù)進(jìn)步主要是依靠變頻化、PLC化。只有少量紡織機(jī)械采用了高檔伺服技術(shù)，用于提高精度和效率，目前已有高檔梳棉機(jī)、帶自調(diào)勻整的并條機(jī)、新型粗紗機(jī)、數(shù)控細(xì)紗機(jī)、分條整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)、園網(wǎng)印花機(jī)等設(shè)備應(yīng)用了交流伺服。無梭織機(jī)上已經(jīng)開始采用帶交流伺服的電子送經(jīng)和電子卷取，印染設(shè)備上也要用到伺服系統(tǒng)。這些設(shè)備每年的伺服用量在2、3萬套左右，且?guī)缀跞渴沁M(jìn)口產(chǎn)品，如Lenze、Danaher、Siemens和Baumuller，還有三菱和松下等。價(jià)格是制約交流伺服大面積普及的主要因素，國產(chǎn)產(chǎn)品雖然在價(jià)格上有一定競爭優(yōu)勢，但是性能指標(biāo)、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等方面存在欠缺，還需要在品牌塑造、服務(wù)、交貨期等方面不斷改進(jìn)。在如下兩個(gè)方面，我們可以看到國產(chǎn)伺服廠家的成功案例，一個(gè)是在工業(yè)縫紉機(jī)上，近幾年國產(chǎn)伺服控制器逐漸取代臺(tái)灣和其他進(jìn)口品牌變成市場主流，憑借低成本的電機(jī)、簡單的低線數(shù)編碼器，以及集成控制和驅(qū)動(dòng)，在解決了批量穩(wěn)定性之后，如上海鮑麥克斯這樣的國內(nèi)品牌獲得了成功。每年數(shù)十萬臺(tái)的產(chǎn)量，這可能是未來幾年里，低檔伺服最大的市場了。另外一個(gè)緊密結(jié)合用戶需求進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)的案例，可以舉和利時(shí)電機(jī)開發(fā)的絡(luò)絲機(jī)控制系統(tǒng)。“絡(luò)絲機(jī)”是屬于織造前工序的精密工藝設(shè)備，將各種天然絲絡(luò)成各種規(guī)格的柱狀、寶塔形、雙錐形筒子，供用于染色、整經(jīng)、針織等后道工序。該公司充分利用自己在步進(jìn)、無刷、伺服、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等方面的綜合技術(shù)，通過和國內(nèi)最大紡機(jī)集團(tuán)的密切合作，開發(fā)成功了精密絡(luò)絲機(jī)控制系統(tǒng)，其核心是利用高動(dòng)態(tài)的伺服橫動(dòng)電機(jī)以及數(shù)字卷繞技術(shù)，取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)而實(shí)現(xiàn)單錠化和數(shù)字化，每錠之間依靠CAN總線聯(lián)系，是無軸技術(shù)應(yīng)用的典范。該產(chǎn)品的研發(fā)成功充分體現(xiàn)了國內(nèi)廠商的競爭能力，為國產(chǎn)伺服廠商開辟了參與市場競爭的新路。

無軸(電子軸)傳動(dòng)技術(shù)在印刷機(jī)上應(yīng)用，也是目前全球印刷企業(yè)和機(jī)械制造商的焦點(diǎn)。無軸傳動(dòng)就是用多個(gè)單獨(dú)的伺服電機(jī)取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈，伺服驅(qū)動(dòng)器之間依靠高速現(xiàn)場總線進(jìn)行聯(lián)系，通過軟件保證各伺服軸對(duì)內(nèi)部的虛擬數(shù)字電子軸保持嚴(yán)格同步。采用無軸傳動(dòng)技術(shù)為印刷機(jī)的生產(chǎn)制造、為印刷業(yè)服務(wù)革命帶來了最佳解決方案，目前歐洲50％的凹印機(jī)采用了無軸技術(shù)，日本也有30％以上采用。其他采用無軸傳動(dòng)的機(jī)械包括卷筒紙印刷機(jī)、柔印機(jī)、上光機(jī)、燙金機(jī)、模切機(jī)等各類印刷設(shè)備。這一領(lǐng)域最頂級(jí)的伺服控制解決方案提供商是來自德國的博世力士樂、倫茨、日本的住友和奧地利的貝加萊。國內(nèi)目前僅有北人和松德等個(gè)別廠家進(jìn)行無軸傳動(dòng)印刷機(jī)的開發(fā)，部分規(guī)格的性能指標(biāo)接近國際水平，但是其采用的電子軸傳動(dòng)伺服系統(tǒng)和套準(zhǔn)控制系統(tǒng)均來自日本和歐洲，國內(nèi)相關(guān)伺服廠家還鮮有涉足。國產(chǎn)伺服和控制系統(tǒng)要達(dá)到這個(gè)領(lǐng)域的要求，需要頂級(jí)的技術(shù)水平和對(duì)這個(gè) 行業(yè) 的透徹理解，看來還有漫長的路要走。

包裝設(shè)備上，采用伺服控制可以提高單位時(shí)間的產(chǎn)量、提高資源利用率、增加品種適應(yīng)性和提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此交流伺服在包裝機(jī)械上的廣泛使用只是時(shí)間問題。采用數(shù)字伺服技術(shù)的電子齒輪和電子凸輪將代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械部件，隨著價(jià)格的下降，成本也逐漸接近純機(jī)械的方案。歐洲有個(gè)Elau公司專門針對(duì)包裝機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字伺服和運(yùn)動(dòng)控制解決方案，在大型連續(xù)包裝設(shè)備方面居于領(lǐng)先地位，而我國尚沒有出現(xiàn)如此專業(yè)的解決方案提供商。

這幾年出現(xiàn)的新型電梯曳引機(jī)，采用永磁同步伺服電機(jī)做無齒輪直接驅(qū)動(dòng)，取代變頻異步驅(qū)動(dòng)，具有更高的控制精度、動(dòng)態(tài)特性、高效率、低噪聲，已經(jīng)成為國際和國內(nèi)主要電梯廠的熱點(diǎn)產(chǎn)品，促進(jìn)了電梯產(chǎn)業(yè)的革命。國內(nèi)已有寧波申菱、沈陽博林特等電梯廠家研制出了自己的曳引機(jī)電機(jī)產(chǎn)品，配進(jìn)口矢量控制變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器。

第二節(jié) 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 市場發(fā)展 特征

一、中國交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 行業(yè) 的生命周期 分析

隨著我國宏觀經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長，冶金工業(yè)、石化工業(yè)、裝備制造、數(shù)控工業(yè)、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域快速發(fā)展，為交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展注入了新的活力，機(jī)械制造業(yè)在“十一五”期間快速發(fā)展，生產(chǎn)能力及技術(shù)裝備水平不斷提高，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均創(chuàng)歷史最高水平。

交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品所處 行業(yè) 生命周期曲線圖

二、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度

交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品 行業(yè) 產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

目前，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 行業(yè) 的上游 行業(yè) 主要是鋼鐵、銅、鋁、電子元件等原材料部件。關(guān)聯(lián)性主要表現(xiàn)在：上游 行業(yè) 的產(chǎn)品價(jià)格變動(dòng)將直接影響到交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品成本，進(jìn)而影響到產(chǎn)品的價(jià)格。 行業(yè) 的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展創(chuàng)新也影響交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的采購材料質(zhì)量與配套設(shè)備的選擇。

下游 行業(yè) 主要是工業(yè)自動(dòng)化、汽車、航空、導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)天線、精密數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等領(lǐng)域。下游 行業(yè) 的基本建設(shè)、發(fā)展?fàn)顩r以及國家政策將直接影響到交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的市場需求量，進(jìn)而影響本 行業(yè) 的發(fā)展態(tài)勢。



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