1.背景介紹

　　說起伺服系統(tǒng)，中國自動化業(yè)界既習以為常，又覺得難以定義清楚。伺服系統(tǒng)的概念其實最早進入中國市場時，與當前的概念完全不同，在早期(上世紀90年代初)，傳動伺服、液壓伺服以及變頻器伺服等都在國內(nèi)市場出現(xiàn)過， 因此導致國內(nèi)自動化界對伺服的概念早期是很廣義寬泛的，即將嚴格跟隨軌跡運動的自動化實現(xiàn)都叫做伺服系統(tǒng)。

　　進入21世紀后，中國自動化市場得到了高速的發(fā)展，特別是以日系為代表的先進自動化強國的產(chǎn)品線與方案技術(shù)在國內(nèi)的廣泛應用， 伺服系統(tǒng)的概念開始由廣義寬泛走向所謂的“狹義明確”。即伺服驅(qū)動器+伺服電機實現(xiàn)的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)是伺服系統(tǒng)。這個定義目前雖然并不能說完全被百分百的認同，但是基本是大眾化比較認可的一個定義了，也是中國自動化品牌在進行伺服系統(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行的。

　　不可否認，日系的伺服驅(qū)動器+伺服電機對中國自動化伺服系統(tǒng)的市場定義有決定性的作用，這不僅僅是日系自動化產(chǎn)品線進入中國較早的緣故，也是日系的“伺服系統(tǒng)”產(chǎn)品為中國自動化市場帶來了巨大的推進作用，從工藝、效率、加工精度等不同緯度都極大提升了中國自動化OEM市場的水準，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

　　1.1伺服系統(tǒng)的性能特點

　　伺服系統(tǒng)一般由兩大主要產(chǎn)品組成：伺服驅(qū)動器與伺服電機(臺灣地區(qū)多稱為伺服馬達)。

　　因此，分析伺服系統(tǒng)的性能特點首先是要對伺服驅(qū)動器和伺服電機的特點分別進行分析：

　　i.伺服驅(qū)動器：基于交直交硬件架構(gòu)，通過實現(xiàn)輸出電流頻率的控制達到控制伺服電機轉(zhuǎn)速目的，并通過伺服電機編碼器速度回授，實現(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，實現(xiàn)輸出的電流頻率控制，達到控速的目的。

　　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)動器與變頻器的差異很大。首先，伺服驅(qū)動器由于要快速控制伺服電機，必須要求高頻處理能力， 其處理器的頻寬都是遠遠大于變頻器;其次，伺服驅(qū)動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)動器基于輸出頻率調(diào)整高速實現(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法相比的。

　　ii.伺服電機：一般性是基于永磁同步電機(PMSM)上發(fā)展而來，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)計更為緊湊，是符合伺服系統(tǒng)整體發(fā)展趨勢的，但是IPM相對SPM，對伺服驅(qū)動器的電流控制特性更為苛刻，在相同電流特性下，IPM的噪聲相對更大，溫升也更高，因此，IPM搭配的伺服驅(qū)動器也是更高的要求，從而形成更加優(yōu)秀的伺服系統(tǒng)。

　　伺服電機除在設(shè)計上的差異外，對生產(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、公差檢測等，到后面的組裝、沖刺、動平衡等，都是考核伺服電機廠家能力的部分，往往廠家的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的差異造成了伺服電機性能的差異。

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

　　光學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)相對簡單，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時進行干擾抑制。

　　整體而言，伺服系統(tǒng)必須要求伺服驅(qū)動器與伺服電機在搭配上實現(xiàn)無縫，也就是說好的伺服驅(qū)動器搭配好的伺服電機，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)動器的廠家很難真正將伺服系統(tǒng)做好，因為伺服電機部分的研發(fā)與生產(chǎn)達不到要求。

圖 2 驅(qū)動器控制架構(gòu)圖

　　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)動器產(chǎn)品

　　1.2 國外伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　國外伺服系統(tǒng)較為活躍的主要是日系與歐系兩大類。

日系伺服系統(tǒng)強調(diào)伺服驅(qū)動器與伺服電機的固定搭配，形成無縫連接，伺服電機的電機模型在出廠設(shè)置時就內(nèi)建于搭配的驅(qū)動器軟件內(nèi)，無縫電機自學習，且能保證電機模型的高效運用，實現(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，日系伺服在OEM行業(yè)的占比一直是第一梯隊。但是缺陷是日系伺服這一搭配機制很難實現(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，更追求驅(qū)動器搭配多種電機規(guī)格，強調(diào)電機模型的自學習算法，通過優(yōu)良的自學習來讓驅(qū)動器實時掌握不同電機的數(shù)學模型，建立矢量控制，保證控制精度。這樣的優(yōu)點就是伺服系統(tǒng)的功率可以延伸很大，因為驅(qū)動器的大功率和基于專用大功率PMSM的結(jié)合是可行的，但是缺陷是無論如何基于自學習的電機模型是無法與完整的電機實際模型一致的，矢量控制的效果很難與日系相比。近10年來，歐系很多品牌也參考日系，推出了驅(qū)動器和電機匹配的伺服系統(tǒng)類型，從而彌補了這一缺陷。

　　總體來說，針對廣大OEM行業(yè)，日系伺服系統(tǒng)的理念是更為合適的，因為這些OEM行業(yè)對功率的要求往往在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，自我調(diào)整后的歐系品牌同樣具備一定的競爭力，但是在電機生產(chǎn)方面的效率和人工成本還是讓其整體性價比落后于日系伺服，目前第一梯隊還是日系占比高于歐系。

　　1.3中國伺服廠商現(xiàn)狀

　　中國伺服系統(tǒng)的發(fā)展是比較晚的，最早是在2000年前后開始萌生，主要是從變頻器品牌衍生過來。這樣的特點其實還是重驅(qū)動器而輕電機，從而在很短的時間里面，中國伺服品牌沒有像變頻器那樣對國外品牌形成較為激烈的競爭，因為畢竟解決一個驅(qū)動器是解決不了伺服系統(tǒng)的問題的，沒有成熟、穩(wěn)定且高效的伺服電機，伺服系統(tǒng)就失去了一個必要的環(huán)節(jié)。

進入2010年之后，中國自動化品牌迎來了第一波上市高峰，伴隨著資本的引入，以及對伺服系統(tǒng)的伺服電機重要性的認知，伺服電機的生產(chǎn)環(huán)節(jié)開始被中國品牌所重視，較為成規(guī)模的電機生產(chǎn)工廠大批量涌現(xiàn)，從而使得中國伺服品牌開始對國外伺服進行一定的競爭。但是這一階段，國產(chǎn)伺服電機在編碼器軸承以及膠水等細節(jié)上還是依賴國外，整體競爭力有限，無法形成真正的競爭。

　　進入2018年后，國產(chǎn)伺服在編碼器技術(shù)，國產(chǎn)化供應鏈環(huán)節(jié)上 取得長足進步，直接提升伺服系統(tǒng)的競爭力，開始形成對國外品牌的有力競爭。這其中，有例如匯川、埃斯頓等從中國伺服系統(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，實現(xiàn)快速發(fā)展的品牌?？梢哉f當前的中國伺服品牌已經(jīng)開始效仿變頻器市場的發(fā)展，在中國市場全面提升了市場占有率，并形成主導態(tài)勢。

　　2.中國伺服系統(tǒng)的突破方向

　　2025年將會是中國伺服系統(tǒng)一個至關(guān)重要的節(jié)點年份，通過未來5年的積累和發(fā)展，中國伺服系統(tǒng)要實現(xiàn)從當前市占率全面提升的階段，走向伺服技術(shù)核心環(huán)節(jié)的核心競爭力階段，從而實現(xiàn)對日系等伺服品牌的進一步優(yōu)勢競爭，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，電機數(shù)學模型動態(tài)自適應控制，主要體現(xiàn)在對電流變化的處理和把控上，結(jié)合速度回饋實時進行模型優(yōu)化處理，這是目前國產(chǎn)伺服與日系、歐系高端品牌的主要差距點。

　　ii. 更完整的自主化設(shè)計：在芯片、編碼器等核心零部件和組件環(huán)節(jié)上，需要實現(xiàn)自主化，減少對國外的依賴。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。同時編碼器必須自主化，否則競爭力將會大打折扣。

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

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

　　綜合上述4點突破方向，將是國產(chǎn)伺服品牌需要認真去投入和沉淀的部分，當前國產(chǎn)伺服品牌繁多，在上述4 點核心競爭力部分對比下，真正全面實現(xiàn)推進的品牌則太少。目前的TOP3國產(chǎn)伺服品牌公認的是：匯川 、臺達 、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，其成立時間是最短的一個，在布局伺服系統(tǒng)產(chǎn)品線的時間也是很短暫的，其中國市場占有率在2021年達到4.4%(截止2021年上半年)，成長速度可謂驚人。深入挖掘禾川的快速發(fā)展，主要是在上述4點核心競爭力上，禾川全力的突破，實現(xiàn)了核心競爭力特色，并持續(xù)完善，保持自身固有的競爭力。具體表現(xiàn)為：

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

　　ii. 自主化芯片開始試機：FPGA與SOC自主化芯片開始試機，X系列新款驅(qū)動器實現(xiàn)自主化芯片突破。

　　iii. 完善供應鏈體系：建立熱處理工藝，進一步實現(xiàn)完整的縱向產(chǎn)業(yè)鏈，基于精加工、熱處理、組裝、測試與電子元器件整合生產(chǎn)。

　　iv.LCD顯示率先批量化市場，提升整體驅(qū)動器美學設(shè)計。X2系列伺服馬達緊湊型設(shè)計，符合OEM領(lǐng)域需求。

　　除禾川股份外，中國伺服品牌正在形成集團化優(yōu)勢， 正是在上述4點的核心競爭環(huán)節(jié)，不同品牌均在進行不同程度的投入，從而形成自身的特色競爭力環(huán)節(jié)，例如匯川、 臺達 、 埃斯頓等，均是國產(chǎn)伺服的代表性品牌。

　　3.結(jié)論

　　中國伺服系統(tǒng)已經(jīng)取得了長足的進步，開始對日系為代表的國外伺服品牌形成了有力的競爭，但是在核心環(huán)節(jié)上，仍然需要堅持投入與沉淀，才能從數(shù)量優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量優(yōu)勢，從而徹底形成中國伺服品牌的崛起。

　　大勢已經(jīng)不可逆，人才建設(shè)與市場活躍度已經(jīng)達到了一個相當?shù)膶哟危虼?，中國伺服的進步仍然會在快車道，且內(nèi)部優(yōu)勝劣汰會加速，在核心環(huán)節(jié)投入持續(xù)的品牌將會逐步整合掉無特色競爭力的品牌;同時，對中國市場的適應程度較慢的國外品牌也會在與中國伺服品牌的競爭中退出，可以預見的是未來中國伺服品牌的Tier 1將是國產(chǎn)品牌為主。讓我們共同期待!