伺服系统介绍

一、相关概念

伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。

在机器人中，伺服驱动器控制电机的运转。驱动器采用速度环，位置环，电流环三环闭环电路，内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器，控制连接器，编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或控制器通信。控制连接器用于跟伺服控制器联接，驱动器所需的输入信号、输出信号、控制信号和一些方式选择信号都通过该控制连接器传输，它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接，用于接收编码器闭环反馈信号，即速度反馈和换向信号。

伺服电机主要用于驱动机器人的关节。关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的伺服电机的数量就越多。机器人对伺服电机的要求非常高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻，还必须经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件，做到高可靠性和稳定性。伺服电机分为直流、交流和步进，工业机器人用的较多的是交流。

机器人用伺服电机

二、伺服系统的技术现状

2.1视觉伺服系统

随着机器人技术的迅猛发展,机器人承担的任务更加复杂多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服控制利用视觉信息作为反馈，对环境进行非接触式的测量,具有更大的信息量，提高了机器人系统的灵活性和精确性,在机器人控制中具有不可替代的作用。

视觉系统由图像获取和视觉处理两部分组成,图像的获取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用获取的图像信息得到视觉反馈的过程。基本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反馈主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。

其中,基于位置的方法将视觉系统动态隐含在了目标识别和定位中，从而简化了控制器的设计，但是一般需要已知目标物体的模型，且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反馈构造方法，其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛，研究较为成熟，但是容易受到图像噪声和物体遮挡的影响，并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好，在实际应用中存在较大的问题。因此，学者们提出了基于全局图像特征的视觉反馈方法，利用更多的图像信息对任务进行描述，从而增强视觉系统的鲁棒性，但是模型较为复杂，控制器的设计较为困难，且可能陷入局部极小点。目前针对这一类系统的控制器设计的研究还比较少,一般利用局部线性化模型进行控制,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系，间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法，多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接，简化了控制器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。

2.2伺服系统控制技术

现代的机器人伺服系统多采用交流伺服驱动系统，而且正在逐渐向数字化方向转变。数字控制技术已经五孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器，把功能更加强大的控制器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服系统中，可以实现更好的控制性能。

最近几十年，由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势下面简单介绍几种：

1）矢量控制矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的

幅值和相位进行控制，可以获得像直流电机一样优越、甚至更好的动态控制性能。

2）直接转矩控制德国专家提出“直接自控制”的高性能交流电动机控制策略，此种控制策略不需要像矢量控制那样对电动机定子矢量电流进行大量而复杂的解耦变换，再通过控制解耦获得的交流电流分量来间接的控制电动机电磁转矩，它采用定子磁场定向的控制方式，对交流电机的电磁转矩进行直接控制。此方式只受电动机定子绕组阻值的影响，对其他参数的变动稳态性好，解决了矢量控制受电动机本体参数影响大的缺点。开始有部分专家学者通过深入研究把直接转矩控制理论引入到交流同步电动机当中，完成了直接转矩控制技术在交流同步电动机伺服驱动领域的最大突破。

3）智能控制智能控制理论是最近几十年的新兴学科，它的迅速发展为交流永磁伺服控制技术的进步注入了新鲜的血液。智能控制技术由于其自身的理论特点，在非线性控制领域中比经典控制理论更具优势

三、伺服系统市场现状

3.1行业规模

由于我国在伺服系统相关技术发展较晚难以与国外品牌竞争，直到2000年，中国加入WTO，中国企业在吸取国外先进技术经验的前提下，开始自主研发伺服系统。至此，中国的伺服系统的市场份额有所提高。到了2011年市场容量60多亿元，比上年增长22.0%。2012年，由于国际经济的影响以及国内供求问题导致伺服市场下滑14.9%。直到2013年下半年，伺服市场才开始逐步回暖，上升幅度在5%左右。现在中国的伺服系统市场仍由国外企业占据大半壁江山。

2011年我国伺服电机市场容量23多亿元，比上年增长10.2%，伺服市场增长恢复稳定，这得益于国家相关的经济政策。2012年伺服电机市场受国际经济疲软和国内需求不足、产能过剩影响，市场下滑5.56%，近6年来首次出现下滑，且下滑幅度较大。2013年中国伺服电机市场上半年仍缓慢下滑，下半年触底回温，全年涨幅约8%。分析当前国内用户的购买因素，占前三位的是稳定可靠性、价格和服务。这也说明目前国内伺服电机市场还处在较低级的阶段，对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看，伺服厂商的关键成功因素应该是产品的性价比、可靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。一批国内企业也在激烈的市场竞争中逐渐成长起来。

伺服电机市场竞争激烈，品牌众多，日资和欧美品牌市场份额约75%。其中安川、三菱、松下等日系品牌性能低于欧系，但可靠性和稳定性强，性价比高，最适合国内客户需求，约占50%的份额；西门子、伦茨、博世力士乐等欧系品牌过载能力、动态响应、驱动器开放性好，但价格昂贵，约有30%的份额；台系品牌使用简单，性能接近日系，在中低端发展较快。

国产伺服电机技术落后，集中在低端。国产伺服电机起步较晚，2000 年以后开始研发，在功能、性能和工艺方面和国外产品仍有较大的差距，尤其是没有完全掌握自适应机械共振抑制技术、自适应低频震动技术和惯量动态前馈技术等关键技术。国产伺服电机以小功率的低端产品为主，以性价比的优势满足中小型和经济型用户的需求，高精度伺服电机还在技术攻关阶段。

分析当前国内用户的购买因素，占前三位的是稳定可靠性、价格和服务。这也说明目前国内伺服电机市场还处在较低级的阶段，对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看，伺服厂商的关键成功因素应该是产品的性价比、可靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。展望未来，随着伺服价格的不断下降、伺服市场接受度不断上升，中低端市场有非常大的增长空间，因此本土厂商仍将有很大作为。

随着需求的扩大和价格下行，性价比和满足定制化需求越来越重要，高端品牌的市场份额逐渐下降，中低端市场快速增长，国产伺服电机面临比较好的发展机遇。国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，且具备了一点的生产能力，但其动态性能、开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。国产品牌包括华中数控、兰州电机、和时利电机、广州数控、南京苏强电机、深圳雷赛电机等。汇川技术、埃斯顿等国内运动控制厂商尚处于小批量试用阶段。但伺服电机需要在高动态的环境中经过长期大量的验证，稳定性没有经过验证的国产伺服电机难以获得客户认可。

3.2国内伺服系统标杆企业北超伺服简介

北超伺服专注于制造电机与驱动、驱动与控制结合的机电一体化伺服系统，是国内最大的主轴电机生产商之一。公司主要产品包括伺服电机和控制器等，2014 年收入占比26%和60%。客户主要集中在高端装备制造和新能源汽车领域，2014 年收入占比分别为65%和20%，此外，工业机器人也是公司未来发展的重点领域。

2014 年公司收入为1.31 亿元，同比增长39.8%，净利润2752.95 万元，同比增长144.1%，

毛利率和净利率维持在30%以上，且有向好的趋势，得益于行业较高的技术水平。

北超伺服分产品收入北超伺服近年分产品毛利率

北超伺服近年毛利率和净利率

3.3伺服系统行业壁垒分析：技术、客户认可和资金

伺服行业属于技术密集型行业。伺服系统整合了多项关键技术，包括自动化控制技术、微电子技术、机电一体化技术和电机控制技术等，而且随着下游行业的发展，需求者对伺服系统的要求也越来越高，伺服企业必须具备一定的技术优势才能在该行业生存下去。

客户特别看重产品稳定性和售后服务。伺服系统直接影响整个工业设备的正常运转，因此对其稳定性的要求非常高，客户通常会对伺服生产厂家进行长期考察，才会确定合作关系。然

而，对于新进入者而言，获得客户认可的难度很高。除了产品稳定性之外，售后服务也是客户非常看重的一点，所以良好的售后服务也是伺服行业内的企业必须去关注的。

伺服系统的生产需要大规模的资金。在生产伺服系统的前期，企业需要投入大量资金，而且设备和生产工艺的磨合耗时较长，通常需要好几年才能形成生产能力，再加上赢得客户认可也需要耗费一定的时间，企业必须要有足够的资金来支撑项目的运转。

四、伺服系统未来发展趋势

数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

1）集成化目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以外接外部传感器如位置、速度、力矩传感器等，构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化显著地缩小了整个控制系统的体积。

2) 智能化目前伺服内部控制核心大都采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP），从而实现完全数字化的伺服系统。伺服系统数字化是其实现智能化的前提条件。伺服系统的智能化表现在以下几个方面：系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置；其次它们都具有故障自诊断与分析功能；以及参数自整定的功能等。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

3) 网络化伺服系统网络化是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。现场总线现已被广泛应用在伺服系统之间、伺服系统和其它外围设备如人机界面HMI、可编程控制器PLC等信息交互传输。现场总线有如下几个类型FF；ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN等。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去，从而使伺服系统达到了分布、开放、互联以及高可靠性。

4）简易化这里所说的“简”不是简单而是精简，是根据用户情况，将用户使用的伺服功能予以强化，使之专而精，而将不使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统成本，为客户创造更多的收益，且通过精简一些元器件，减少了资源的浪费从而利于环保。这里所说的“易”是指，伺服系统的软件编程及操作是从用户角度出发开发设计，力求简单易行，使用户调试时只需简单。

五、机器人伺服系统未来发展动力

未来几年，中国工业机器人市场将大幅度增长，而服务型机器人在世界各地各掀起热浪，扫地机器人，擦玻璃机器市场如火如荼，预测服务机器人市场将超工业机器人。面对巨大的机器人市场，机器人伺服电机的需求量也将水涨船高。

国务院《中国制造2025》中指出，为了推进信息化与工业化深度融合，应加快发展智能制造装备和产品。组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线，突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置，推进工程化和产业化。报告中提出的大力推动的重点发展领域，其中包括机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。