财经新闻网消息：
博士后工作站/创新研发部
2023 年 7 月
一
伺服系统基本概念
伺服（SERVO）源自拉丁文，意思是“奴隶按照主人的指令忠实、快速地工作”。 伺服系统是指通过闭环控制方法实现机械系统的位置、扭矩、速度或加速度控制，使输出变量精确跟随或再现输入变量的系统。 伺服系统决定了执行端的精度、速度和稳定性，因此是工业自动化设备的核心。 伺服系统的发展经历了液压、气动到电动的过程。 液压伺服系统容易漏油，维护困难； 由于空气粘度和压缩性较差，气动伺服系统不能用于定位精度要求较高的场合。 总体来看，电动伺服系统是目前机器人领域应用最广泛、最成熟的方向。 本文后面提到的伺服系统都是电动伺服系统。
伺服系统主要包括伺服电机、伺服驱动器、指令机构三部分。 伺服驱动器又称“伺服控制器”、“伺服放大器”，根据控制指令的要求对功率进行放大、变换和调节，并向电机线圈提供电压和电流。 其功能与普通交流电机上的变频器类似，一般包含三个嵌入式伺服环：电流环、速度环、位置环。 这些循环相互作用来总结、分析和纠正信号，以实现精确的运动控制。 指令机构发送脉冲或速度配合驱动器正常工作。 伺服电机可将电压信号转换为扭矩和速度，根据位置、扭矩或速度指令精确控制机械系统的运动。 嵌入式编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，完成闭环控制。
二
伺服系统市场前景
国内高端制造业不断发展，各行业在制造活动中越来越多地采用伺服系统来实现高质量、高精度的产品制造。 向电子装备制造、工业机器人等新兴领域转移。 MIR数据显示，2021年，电子制造设备、电池制造设备和工业机器人是最重要的三个市场，占比分别为18%、11%和10%。 伺服系统下游应用的转型升级带动市场规模逐步扩大。 据中商产业研究院测算，2017年至2021年，中国伺服系统市场规模将从97亿元增长至224亿元，复合增长率达23.27%。 预计2022年市场规模将达到286亿元，保持较快增长速度。 2021年，中国伺服电机市场规模为169亿元，2017-2021年复合增长率为9.86%。其中，交流伺服电机和直流伺服电机的市场份额分别为65%和35%。 这是因为交流伺服电机具有最高转速高、调速平稳、振动小、不易发热、适用于粉尘、易爆环境等诸多优点，更适合工业自动化对运动的要求。控制。 目前除协作机器人外的工业机器人和数控机床大多采用交流伺服电机，但体积和重量较大在一定程度上限制了应用场景的拓展。
随着服务机器人和医疗器械的大规模应用，下游行业对电机技术的要求发生巨大变化，有望带动直流伺服电机快速增长。 特别是，仿人机器人为了具有较高的灵活性和精度，单个设备所需的电机数量约为30-40个，是多关节机器人的6-7倍。 该仿人机器人采用直流伺服电机和微型电动缸系统。 其中，颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节等大关节一般采用标准电机组合，电机功率在100-200瓦左右； 手关节空间小，要求高。 ，可选用微型电机系统和微型电动缸系统的组合，电机功率在30瓦左右。
三
机器人伺服系统技术壁垒
(一)性能要求
与通用伺服相比，机器人伺服系统属于伺服系统中的高端产品，对速度范围、可靠性、稳定性等诸多方面提出了更高的要求。 (1)快速响应：机器人运动速度快，从获得指令信号到电机完成所需工作状态的时间应尽可能短。 一般用机电时间常数来反映伺服电机的快速响应性能； (2)高负载运行：由于大型工业机器人的负载较大，要求伺服电机具有较大的启动扭矩、较小的转动惯量、足够的启动扭矩与惯量比； (3)体积小、质量小：为了保证灵活性，机器人越来越轻，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短，还必须承受恶劣的工作条件。 它可以频繁地正反转、加速和减速，并能在短时间内承受数次超载。 ; (4)良好的温度控制：机器人关节电机体积小、重量轻、输出扭矩大，不利于温度控制，需改进设计，避免永磁体不可逆退磁、绝缘损坏等问题温度过高造成的材料； (5)控制特性的连续性和线性：随着控制信号的变化，电机的转速可以连续变化，有时需要转速与控制信号成正比或近似正比； (6)运行稳定性：转矩脉动是电机中转子在旋转过程中产生的不均匀转矩，是由于安装在转子上的永磁体与定子铁芯钢齿之间的吸引力所产生的齿槽转矩。 ，会产生振动和噪声，影响电机的低速性能和精度，需要借助合理的电磁设计来消除齿槽转矩。
（二）国内外差异
虽然伺服电机的整体技术壁垒低于减速机，但由于机器人对伺服系统的要求更高，与通用伺服相比，国内外机器人用伺服系统的技术、产品质量、稳定性、类别等甚至更大。 国产伺服电机主要存在以下不足：（1）国产伺服电机大多是仿日本伺服电机设计，功率多在3kw以内，中小功率居多，中大功率伺服电机较少5.5-15kw。 (2)尺寸普遍较大，外观粗糙，难以应用于对伺服电机尺寸有严格要求的高端机器人。 (3)伺服系统的核心技术之一是高精度编码器。 编码器占电机成本的30%，其分辨率决定了控制精度。 机器人所用的多圈绝对值编码器和芯片严重依赖进口，这是国产伺服电机无法完全替代进口产品的主要原因。 （4）国产伺服电机在复杂工况下性能大幅下降，这是阻碍国产伺服电机进入高端市场的重要原因之一。 （5）基础研究不足，包括绝对编码器技术、高端电机工业化制造技术、生产技术的突破、性能指标的实际验证和考核标准的制定。 (6)伺服系统各部分的产业协调性不够，难以做好伺服电机和驱动系统的整体性能。
四
国内市场竞争格局
欧美、日系品牌仍垄断我国中高端伺服系统市场，占据大部分市场份额。 日本产品性价比高、质量可靠、体积小、重量轻，但动态响应能力弱、开放性差，在中端市场有优势。 2021年，松下、安川、三菱三大日系品牌将占据国内伺服系统市场30%左右的份额。 西门子、博世力士乐、贝加莱等欧美品牌更注重产品性能，过载能力高、动态响应好、驱动开放性强，但价格昂贵、体积庞大、笨重，牢牢占据高端市场市场。 虽然中大型大功率产品市场需求有限，但单品价值较高，公司始终保持较高的盈利水平。
我国伺服系统的自主研发起步较晚，但通过引进和学习国际先进技术等措施，伺服系统的产品质量和技术水平不断提高，具有一定的产品系列和自主配套能力已形成。 同时，受疫情造成芯片短缺、物流不畅等因素影响，日韩欧美企业交货期延长，国内企业迎来内销窗口期。代换。 中低端伺服系统已实现量产。 国内很多产品在技术上接近日本产品，以性价比优势满足中小型、经济型用户的需求，逐步打破国外品牌的垄断。 以汇川技术、合川科技、埃斯顿为首的国内企业市场份额将从2017年的27.6%提升至2021年的43.3%。凭借行业定制解决方案、高性价比、及时响应客户需求的优势，汇川技术科技在2021年首次超越国外品牌，以16%的市场份额排名第一。 同时，也应该清醒地认识到，国产品牌份额的增加源于日系品牌市场份额的下降，而欧美品牌占据的高端市场份额几乎没有变化，表明国产高端伺服系统尚未获得竞争优势，需要继续提升。 随着研发投入，中高端应用市场国产替代空间巨大。
五
未来方向
以空心杯电机、伺服电动缸、无框电机为代表的微型电机有望成为伺服系统行业发展的新趋势。 以上三类电机均具有较高的功率密度，符合绿色环保、低碳理念。 未来将逐步渗透到功耗大、使用频率高的家电、机器人等领域，满足高效、节能、小型化、智能化的要求。 。
中商情报网数据显示，我国微特电机市场规模已从2017年的1872亿元增长至2022年的2793亿元，年均复合增长率达6.9%，并有对增量空间和技术变革的巨大需求。 近年来，我国涌现了一批有竞争力的微特电机生产企业，正在逐步扩大微特电机的生产规模和市场份额。
(1) 空心杯电机
空心杯电机有直流电机、永磁电机和伺服微型电机。 普通有刷直流电机的定子是永磁体，位于电机的外环上，转子是固定在铁芯上的线圈，位于电机的内环上。 空心杯电机的定子是位于电机内圈的永磁体，转子是位于电机外侧的杯形自支撑线圈。 无铁芯结构消除了铁芯形成涡流造成的功率损耗，能量转换效率可提高至90%以上。 同时，降低了电机的重量和转动惯量，快速加减速性能突出，体积小，功率密度高。 散热效果好。 同时空心杯电机无齿槽转矩，转矩波动小，转速稳定，运行稳定性高。 能够更好地满足灵巧手重量轻、结构紧凑、抓握力强的要求，代表了电机未来的发展方向。 但由于没有坚固的铁芯支撑，线圈厚度较薄，线圈与输出轴的连接强度有限，因此体积和功率不可能很大。 一般空心杯电机的最大功率只有几百瓦。
空心杯市场长期被外资垄断，国内替代机会很多。 空心杯电机的制造和量产非常困难。 如何绕线，保证绕线杯的平整度和一致性，是制作空心杯电机最重要、最关键的技术。 目前，空心杯市场主要由德国和瑞士Maxon占据。 随着国内市场对空心杯电机认知度的不断提升，以及鸣志电机等国内厂商量产工艺水平不断突破，未来有望实现国产替代。
(2)直流无框力矩电机
直流无框力矩电机是一种去掉轴、轴承、外壳、反馈或端盖，只有一个转子和定子的伺服电机。 无框力矩电机的核心优势：（1）转子很轻，可以高速运行； (2)外形紧凑，占用空间小，单位体积扭矩大； (3)机械零件数量少，无磨损。 维修配件，减少后期维修成本。 步科全资子公司常州精纳的无框力矩电机综合性能处于国内前列，产品主要应用于协作机器人。
(3)伺服电动缸
伺服电动缸是伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品。 它将电机的旋转运动转换为高精度的直线运动。 具有低噪音、节能、高刚性、耐冲击等优点。 要求。 伺服电动缸可分为直线型（直连型）和并联型（折返型）。 直线电动缸由伺服电机、伺服驱动器、高精度滚珠丝杠或行星滚珠丝杠、直线位移传感器、缸体等组成。 伺服电机与传动螺杆安装在直线上，并通过联轴器连接。 结构紧凑，响应速度快； 并联电动缸的电机与缸体平行安装，通过同步带、同步带轮与电动缸的传动螺杆连接，具有直线的优点，而且由于整体长度体积小，更适合空间狭小的应用场景。 伺服电动缸主要应用于仿人机器人膝关节、肘关节和肩关节的连接，起到辅助驱动的作用。
五
总结和建议
在仿人机器人加速商业化的背景下，作为机器人产业链核心部件的伺服电机将有较大的市场增量。 然而，现有电机很难同时满足柔性、抗冲击、快速响应和高功率密度的要求。 电机技术的突破是未来机器人实现商业化应用的关键环节。 技术迭代空间巨大。 如果国内企业能够抓住机遇，凭借技术突破、性价比等优势，进入整车厂的供应链体系，不仅有助于国内机器人企业提高市场竞争力，对整个机器人产业的发展也具有战略意义。中国机器人产业。
现阶段国内厂商主要集中在中低端市场，通过成本优势换取销量。 但要保持稳定快速增长，还需积极拓展产品种类、高效进军新领域。 通过密切跟踪下游前沿应用领域的最新动态，瞄准高增长的下游产业，深耕细作。 积极与全球各行业优质企业合作，真正了解和解决消费者的需求，开发复杂场景下稳定运行的高附加值运控系统，积累跨学科、跨领域的知识和经验，锻炼电机定制和创新研发能力。 享有在高壁垒新兴领域实现突破的先发优势，并凭借积累的产品开发迭代经验保持议价能力、提高盈利能力。
建议重点关注国内优质伺服电机供应商：（1）鸣志拥有较强的电机定制能力，国内率先布局不成熟，但在下游市场拥有技术、资源优势和可观空间，并拥有海外市场销售渠道和客户资源。 电器; （2）步科股份，布局力矩电机； （3）国内通用交流伺服系统的领导者汇川科技、合川科技；
参考
[1]国泰君安《人口结构与下游驱动，机器人产业快速增长》，2023。
[2]开元证券《工控电机：国产替代加速，消费机器人有望带来百亿级增量》，2022年。
[3]华泰证券《运动控制——机器人供应链关键环节》，2022年。
[4]国盛证券，《人形机器人行业报告六：伺服电机再讨论》，2022年。
注：以上内容不构成任何投资或建议，仅供参考。
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