1.背景介紹

　　說(shuō)起伺服系統(tǒng)，中國(guó)自動(dòng)化業(yè)界既習(xí)以為常，又覺(jué)得難以定義清楚。伺服系統(tǒng)的概念其實(shí)最早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)時(shí)，與當(dāng)前的概念完全不同，在早期(上世紀(jì)90年代初)，傳動(dòng)伺服、液壓伺服以及變頻器伺服等都在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出現(xiàn)過(guò)，因此導(dǎo)致國(guó)內(nèi)自動(dòng)化界對(duì)伺服的概念早期是很廣義寬泛的，即將嚴(yán)格跟隨軌跡運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)都叫做伺服系統(tǒng)。

　　進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)自動(dòng)化市場(chǎng)得到了高速的發(fā)展，特別是以日系為代表的先進(jìn)自動(dòng)化強(qiáng)國(guó)的產(chǎn)品線與方案技術(shù)在國(guó)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，伺服系統(tǒng)的概念開(kāi)始由廣義寬泛走向所謂的“狹義明確”。即伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)。這個(gè)定義目前雖然并不能說(shuō)完全被百分百的認(rèn)同，但是基本是大眾化比較認(rèn)可的一個(gè)定義了，也是中國(guó)自動(dòng)化品牌在進(jìn)行伺服系統(tǒng)研發(fā)與推廣的主要模式。本文所討論的伺服系統(tǒng)也是基于這一定義模式進(jìn)行的。

　　不可否認(rèn)，日系的伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)對(duì)中國(guó)自動(dòng)化伺服系統(tǒng)的市場(chǎng)定義有決定性的作用，這不僅僅是日系自動(dòng)化產(chǎn)品線進(jìn)入中國(guó)較早的緣故，也是日系的“伺服系統(tǒng)”產(chǎn)品為中國(guó)自動(dòng)化市場(chǎng)帶來(lái)了巨大的推進(jìn)作用，從工藝、效率、加工精度等不同緯度都極大提升了中國(guó)自動(dòng)化OEM市場(chǎng)的水準(zhǔn)，從而使得這一伺服系統(tǒng)的概念深入人心。

圖 1 交直交 (AC-DC-AC) 硬件架構(gòu)圖

圖 2 驅(qū)動(dòng)器控制架構(gòu)圖

　　1.1伺服系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

　　伺服系統(tǒng)一般由兩大主要產(chǎn)品組成：伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)(臺(tái)灣地區(qū)多稱為伺服馬達(dá))。

　　因此，分析伺服系統(tǒng)的性能特點(diǎn)首先是要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)的特點(diǎn)分別進(jìn)行分析：

　　i.伺服驅(qū)動(dòng)器：基于交直交硬件架構(gòu)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)輸出電流頻率的控制達(dá)到控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速目的，并通過(guò)伺服電機(jī)編碼器速度回授，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制模式。

　　如果從硬件架構(gòu)上去分析，伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器的硬件架構(gòu)是一致的，都是基于交-直(整流)以及直再到交(逆變)的原理，其中整流部分是不可控或半控，而逆變則是全控模式，實(shí)現(xiàn)輸出的電流頻率控制，達(dá)到控速的目的。

　　但是這僅僅是粗線的主電路的架構(gòu)，如果從控制電路的架構(gòu)，伺服驅(qū)動(dòng)器與變頻器的差異很大。首先，伺服驅(qū)動(dòng)器由于要快速控制伺服電機(jī)，必須要求高頻處理能力，其處理器的頻寬都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻器;其次，伺服驅(qū)動(dòng)器必須基于矢量控制，因此編碼器回授是必須，而不是變頻器的可選;再有，伺服驅(qū)動(dòng)器基于輸出頻率調(diào)整高速實(shí)現(xiàn)位置-速度-轉(zhuǎn)速控制模式與切換，而變頻器目前多為速度控制，位置控制的精度和性能都是無(wú)法相比的。

　　ii.伺服電機(jī)：一般性是基于永磁同步電機(jī)(PMSM)上發(fā)展而來(lái)，目前主要是SPM和IPM兩種類型。相比之下，IPM型的效率更高，且體積設(shè)計(jì)更為緊湊，是符合伺服系統(tǒng)整體發(fā)展趨勢(shì)的，但是IPM相對(duì)SPM，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的電流控制特性更為苛刻，在相同電流特性下，IPM的噪聲相對(duì)更大，溫升也更高，因此，IPM搭配的伺服驅(qū)動(dòng)器也是更高的要求，從而形成更加優(yōu)秀的伺服系統(tǒng)。

　　伺服電機(jī)除在設(shè)計(jì)上的差異外，對(duì)生產(chǎn)工藝的環(huán)節(jié)也是造成差異的主要環(huán)節(jié)，伺服電機(jī)的生產(chǎn)要求是比較高的，從原始的精加工、熱處理、公差檢測(cè)等，到后面的組裝、沖刺、動(dòng)平衡等，都是考核伺服電機(jī)廠家能力的部分，往往廠家的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的差異造成了伺服電機(jī)性能的差異。

　　iii.編碼器：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是伺服電機(jī)的組成部分，但是重要性與伺服電機(jī)幾乎相等。編碼器的研發(fā)難度是較高的，在自動(dòng)化領(lǐng)域的集中電路和分辨率精度是較為嚴(yán)格的要求，伺服領(lǐng)域主要是光學(xué)和磁性兩種編碼器。

　　光學(xué)編碼器主要基于光電原理，抗干擾性好，但是生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)要求高，投入大，且易損壞。

　　磁性編碼器是基于磁性原理，生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，也不易損壞，但是太容易被干擾，需要很完善的算法植入才能實(shí)時(shí)進(jìn)行干擾抑制。

圖 3 禾川伺服系統(tǒng)縱向產(chǎn)業(yè)鏈完整

圖 4 禾川股份驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品

　　整體而言，伺服系統(tǒng)必須要求伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)在搭配上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫，也就是說(shuō)好的伺服驅(qū)動(dòng)器搭配好的伺服電機(jī)，才能整體提升伺服系統(tǒng)的性能。也正是伺服系統(tǒng)這一特性，往往專注于驅(qū)動(dòng)器的廠家很難真正將伺服系統(tǒng)做好，因?yàn)樗欧姍C(jī)部分的研發(fā)與生產(chǎn)達(dá)不到要求。

　　1.2 國(guó)外伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　國(guó)外伺服系統(tǒng)較為活躍的主要是日系與歐系兩大類。

　　日系伺服系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的固定搭配，形成無(wú)縫連接，伺服電機(jī)的電機(jī)模型在出廠設(shè)置時(shí)就內(nèi)建于搭配的驅(qū)動(dòng)器軟件內(nèi)，無(wú)縫電機(jī)自學(xué)習(xí)，且能保證電機(jī)模型的高效運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)良好的矢量控制性能，這也符合高速、高精的OEM行業(yè)領(lǐng)域。正是基于這一點(diǎn)，日系伺服在OEM行業(yè)的占比一直是第一梯隊(duì)。但是缺陷是日系伺服這一搭配機(jī)制很難實(shí)現(xiàn)大功率伺服系統(tǒng)。

　　歐系伺服系統(tǒng)與日系截然相反，其從最早的液壓伺服、變頻伺服的概念發(fā)展而來(lái)，更追求驅(qū)動(dòng)器搭配多種電機(jī)規(guī)格，強(qiáng)調(diào)電機(jī)模型的自學(xué)習(xí)算法，通過(guò)優(yōu)良的自學(xué)習(xí)來(lái)讓驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)掌握不同電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，建立矢量控制，保證控制精度。這樣的優(yōu)點(diǎn)就是伺服系統(tǒng)的功率可以延伸很大，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的大功率和基于專用大功率PMSM的結(jié)合是可行的，但是缺陷是無(wú)論如何基于自學(xué)習(xí)的電機(jī)模型是無(wú)法與完整的電機(jī)實(shí)際模型一致的，矢量控制的效果很難與日系相比。近10年來(lái)，歐系很多品牌也參考日系，推出了驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)匹配的伺服系統(tǒng)類型，從而彌補(bǔ)了這一缺陷。

　　總體來(lái)說(shuō)，針對(duì)廣大OEM行業(yè)，日系伺服系統(tǒng)的理念是更為合適的，因?yàn)檫@些OEM行業(yè)對(duì)功率的要求往往在22kw以下，日系伺服的功率缺陷完美的規(guī)避掉了，且控制性能的穩(wěn)定和優(yōu)良更為贏得客戶的青睞。但是歐系伺服在控制算法上與日系是同一水準(zhǔn)，自我調(diào)整后的歐系品牌同樣具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力，但是在電機(jī)生產(chǎn)方面的效率和人工成本還是讓其整體性價(jià)比落后于日系伺服，目前第一梯隊(duì)還是日系占比高于歐系。

　　1.3中國(guó)伺服廠商現(xiàn)狀

　　中國(guó)伺服系統(tǒng)的發(fā)展是比較晚的，最早是在2000年前后開(kāi)始萌生，主要是從變頻器品牌衍生過(guò)來(lái)。這樣的特點(diǎn)其實(shí)還是重驅(qū)動(dòng)器而輕電機(jī)，從而在很短的時(shí)間里面，中國(guó)伺服品牌沒(méi)有像變頻器那樣對(duì)國(guó)外品牌形成較為激烈的競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)楫吘菇鉀Q一個(gè)驅(qū)動(dòng)器是解決不了伺服系統(tǒng)的問(wèn)題的，沒(méi)有成熟、穩(wěn)定且高效的伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)就失去了一個(gè)必要的環(huán)節(jié)。

　　進(jìn)入2010年之后，中國(guó)自動(dòng)化品牌迎來(lái)了第一波上市高峰，伴隨著資本的引入，以及對(duì)伺服系統(tǒng)的伺服電機(jī)重要性的認(rèn)知，伺服電機(jī)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)開(kāi)始被中國(guó)品牌所重視，較為成規(guī)模的電機(jī)生產(chǎn)工廠大批量涌現(xiàn)，從而使得中國(guó)伺服品牌開(kāi)始對(duì)國(guó)外伺服進(jìn)行一定的競(jìng)爭(zhēng)。但是這一階段，國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)在編碼器軸承以及膠水等細(xì)節(jié)上還是依賴國(guó)外，整體競(jìng)爭(zhēng)力有限，無(wú)法形成真正的競(jìng)爭(zhēng)。

　　進(jìn)入2018年后，國(guó)產(chǎn)伺服在編碼器技術(shù)，國(guó)產(chǎn)化供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)上 取得長(zhǎng)足進(jìn)步，直接提升伺服系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)始形成對(duì)國(guó)外品牌的有力競(jìng)爭(zhēng)。這其中，有例如匯川、埃斯頓等從中國(guó)伺服系統(tǒng)初期就穩(wěn)步投入發(fā)展的品牌，也有禾川這樣在核心技術(shù)環(huán)節(jié)上集中突破，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展的品牌?？梢哉f(shuō)當(dāng)前的中國(guó)伺服品牌已經(jīng)開(kāi)始效仿變頻器市場(chǎng)的發(fā)展，在中國(guó)市場(chǎng)全面提升了市場(chǎng)占有率，并形成主導(dǎo)態(tài)勢(shì)。

　　2.中國(guó)伺服系統(tǒng)的突破方向

　　2025年將會(huì)是中國(guó)伺服系統(tǒng)一個(gè)至關(guān)重要的節(jié)點(diǎn)年份，通過(guò)未來(lái)5年的積累和發(fā)展，中國(guó)伺服系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前市占率全面提升的階段，走向伺服技術(shù)核心環(huán)節(jié)的核心競(jìng)爭(zhēng)力階段，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)日系等伺服品牌的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)，其主要的方向可歸納為：

　　i.更為高階的算法：主要是位置環(huán)處理單元，例如濾波器設(shè)計(jì)，電機(jī)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制，主要體現(xiàn)在對(duì)電流變化的處理和把控上，結(jié)合速度回饋實(shí)時(shí)進(jìn)行模型優(yōu)化處理，這是目前國(guó)產(chǎn)伺服與日系、歐系高端品牌的主要差距點(diǎn)。

　　ii.更完整的自主化設(shè)計(jì)：在芯片、編碼器等核心零部件和組件環(huán)節(jié)上，需要實(shí)現(xiàn)自主化，減少對(duì)國(guó)外的依賴。芯片環(huán)節(jié)尤為重要，2021年芯片短缺造成的供貨緊張已經(jīng)是刻骨銘心了。FPGA、SOC芯片需要率先自主化，乃至后續(xù)的主控芯片要贏得突破。同時(shí)編碼器必須自主化，否則競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)大打折扣。

　　iii.更完善的供應(yīng)鏈體系：伺服系統(tǒng)的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)對(duì)5S管理要求更高，從采購(gòu)環(huán)節(jié)、生產(chǎn)與品質(zhì)各部分都需要嚴(yán)格把控，降低品質(zhì)問(wèn)題，保證穩(wěn)定的品牌形象。

　　iv.工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)：與高精 、高速為象征的伺服系統(tǒng)符合的外形設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。

　　綜合上述4點(diǎn)突破方向，將是國(guó)產(chǎn)伺服品牌需要認(rèn)真去投入和沉淀的部分，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)伺服品牌繁多，在上述4點(diǎn)核心競(jìng)爭(zhēng)力部分對(duì)比下，真正全面實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的品牌則太少。目前的TOP3國(guó)產(chǎn)伺服品牌公認(rèn)的是：匯川 、臺(tái)達(dá) 、禾川。

　　以禾川為例，2011年成立，2013年才完成工廠布局的禾川股份，其成立時(shí)間是最短的一個(gè)，在布局伺服系統(tǒng)產(chǎn)品線的時(shí)間也是很短暫的，其中國(guó)市場(chǎng)占有率在2021年達(dá)到4.4%(截止2021年上半年)，成長(zhǎng)速度可謂驚人。深入挖掘禾川的快速發(fā)展，主要是在上述4點(diǎn)核心競(jìng)爭(zhēng)力上，禾川全力的突破，實(shí)現(xiàn)了核心競(jìng)爭(zhēng)力特色，并持續(xù)完善，保持自身固有的競(jìng)爭(zhēng)力。具體表現(xiàn)為：

　　i.推出Y7系列新款伺服驅(qū)動(dòng)器：Y7優(yōu)化X系列濾波與矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的電流曲線特性與位置特性，提升控制性能。

　　ii.自主化芯片開(kāi)始試機(jī)：FPGA與SOC自主化芯片開(kāi)始試機(jī)，X系列新款驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)自主化芯片突破。

　　iii.完善供應(yīng)鏈體系：建立熱處理工藝，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)完整的縱向產(chǎn)業(yè)鏈，基于精加工、熱處理、組裝、測(cè)試與電子元器件整合生產(chǎn)。

　　iv.LCD顯示率先批量化市場(chǎng)，提升整體驅(qū)動(dòng)器美學(xué)設(shè)計(jì)。X2系列伺服馬達(dá)緊湊型設(shè)計(jì)，符合OEM領(lǐng)域需求。除禾川股份外，中國(guó)伺服品牌正在形成集團(tuán)化優(yōu)勢(shì)，正是在上述4點(diǎn)的核心競(jìng)爭(zhēng)環(huán)節(jié)，不同品牌均在進(jìn)行不同程度的投入，從而形成自身的特色競(jìng)爭(zhēng)力環(huán)節(jié)，例如匯川、 臺(tái)達(dá) 、 埃斯頓等，均是國(guó)產(chǎn)伺服的代表性品牌。

　　3.結(jié)論

　　中國(guó)伺服系統(tǒng)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，開(kāi)始對(duì)日系為代表的國(guó)外伺服品牌形成了有力的競(jìng)爭(zhēng)，但是在核心環(huán)節(jié)上，仍然需要堅(jiān)持投入與沉淀，才能從數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，從而徹底形成中國(guó)伺服品牌的崛起。

　　大勢(shì)已經(jīng)不可逆，人才建設(shè)與市場(chǎng)活躍度已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)?shù)膶哟?，因此，中?guó)伺服的進(jìn)步仍然會(huì)在快車道，且內(nèi)部?jī)?yōu)勝劣汰會(huì)加速，在核心環(huán)節(jié)投入持續(xù)的品牌將會(huì)逐步整合掉無(wú)特色競(jìng)爭(zhēng)力的品牌;同時(shí)，對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的適應(yīng)程度較慢的國(guó)外品牌也會(huì)在與中國(guó)伺服品牌的競(jìng)爭(zhēng)中退出，可以預(yù)見(jiàn)的是未來(lái)中國(guó)伺服品牌的Tier 1將是國(guó)產(chǎn)品牌為主。讓我們共同期待!