工業(yè)機器人的“心臟”——伺服電機

工業(yè)機器人是指面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多個自由度的機器裝置，在工業(yè)生產加工過程中通過自動控制來代替人類執(zhí)行某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)。這些機器人可以對三個或三個以上軸進行編程，實現固定式或移動式的自動控制和可重復編程功能，可以用于工業(yè)生產過程中的搬運、焊接、裝配、加工、涂裝、清潔生產等方面。

在《中國制造2025》中提出，機器人產業(yè)的發(fā)展要“圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人應用以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用的需求，積極研發(fā)新產品，促進機器人標準化、模塊化發(fā)展，擴大市場應用。突破機器人本體，減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統集成設計制造技術等技術瓶頸?！?/p>

圖1

據工信部裝備工業(yè)司報道，2014 年全球工業(yè)機器人銷量創(chuàng)下歷史新高，達到22.5 萬臺，同比增長27%。市場增長的動力主要來自于亞洲地區(qū)，特別是中、韓兩國。

從市場需求角度來看，中國的工業(yè)機器人市場需求主要集中在制造業(yè)，特別是汽車制造、電子產品組裝等領域。近年來，隨著產業(yè)升級和智能制造的推進，對工業(yè)機器人的需求更加多樣化，包括物流倉儲、食品加工等行業(yè)也開始廣泛應用。

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1   伺服控制單元

SERVO 語源自拉丁語，原意為“奴隸”的意思，指經由閉環(huán)控制方式達到一個機械系統的位置，扭矩，速度或加速度的控制，是自動控制系統中的執(zhí)行單元，是把上位控制器的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機主要由控制器（動作指令信號的輸出裝置）、驅動器（接收控制指令，并驅動馬達的裝置）以及伺服馬達（驅動控制對象并檢出狀態(tài)的裝置）構成。伺服馬達的種類，大致可分成以下三種：

1.同步型：采用永磁式同步馬達，停電時發(fā)電效應，因此剎車容易但因制程材料上的問題，馬達容量受限制。（回轉子：永久磁鐵；固定子：線圈）

2.感應型：感應形馬達與泛用馬達構造相似，構造堅固、高速時轉矩表現良好，但馬達較易發(fā)熱，容量(7.5KW以上) 大多為此形式。（回轉子、固定子皆為線圈）

3.直流型：直流伺服馬達，有碳刷運轉磨耗所產生粉塵的問題，于無塵要求的場所就不宜使用，以小容量為主。（回轉子：線圈：固定子：永久磁鐵；整流子：磁刷）

伺服系統的原理，透過回饋信號的控制方式，可做指令值與目標值的比較，因而大幅減少誤差狀況。向控制對象下達指令后，正確的追蹤并查明現在值，且隨時回饋控制內容的偏差值、待目標物到達目的地后，回饋位置值，如此反復動作。檢測機械本體之位置檢出，回路為封閉系統，稱之為全閉回路。相反，檢測馬達軸端之回路系統就稱為半閉回路。

據了解，新型的伺服控制系統已經開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊(IPM)。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL 信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現了伺服系統的小型化和微型化。

圖3 步進電機結構圖

2   伺服電機vs步進電機

工業(yè)機器人的控制系統和自動化產品主要涉及伺服電機、減速機、控制器和傳感器等。伺服電機是工業(yè)機器人的動力系統，一般安裝在機器人的“關節(jié)”處，是機器人運動的“心臟”。

工業(yè)機器人之所以廣泛采用伺服電機而非步進電機，主要是因為伺服電機能夠提供更為卓越的控制性能、更高的精度和更強的動態(tài)響應能力。相比之下，步進電機雖然具有成本較低和簡單控制的優(yōu)點，但在高速運行、高精度要求或需要頻繁改變運動狀態(tài)時，其性能可能會受到限制。步進電機的步進特性可能導致在低速時產生振動和噪音，且在高負載或高速運行時容易失去同步，影響工作精度和穩(wěn)定性。

圖4 伺服電機結構圖

目前，機器人的關節(jié)驅動離不開伺服系統，關節(jié)越多，機器人的柔性和精準度越高，所要使用的伺服電機的數量就越多。機器人對伺服系統的要求較高，首先伺服電機具有快速響應性。電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電機的機電時間常數的大小來說明伺服電機快速響應的性能。

其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小。最后，伺服電機要具有控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續(xù)變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。當然，為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短。還要經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受數倍過載。

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因此，為了滿足工業(yè)機器人對高精度、高速度、高可靠性和長壽命的要求，伺服電機成為了更為理想的選擇。

3   開始洗牌的伺服電機市場

過去，伺服電機市場一直被海外品牌所壟斷，排在全球前十的分別是：Yaskawa安川、Panasonic 松下、Mitsubishi三菱、INOVANCE、SIEMENS 西門子、Rexroth 力士樂、DELTA 臺達、OMRON 歐姆龍自動化、富士電機Fe以及Schneider施耐德電氣。但隨著國家對伺服電機市場的重視，國內也涌現出一批技術和產品都頗具實力的企業(yè)。

首先，匯川技術作為國內工業(yè)自動化控制領域的領軍企業(yè)，其伺服電機產品線展現了高度的專業(yè)性和創(chuàng)新性。匯川伺服電機集成了先進的矢量控制算法，能夠實現高精度、高動態(tài)響應的位置、速度和轉矩控制。這些特性使得匯川伺服電機在工業(yè)機器人應用中，特別是在需要高精度軌跡跟蹤和快速響應的場合下，表現出色。信捷電氣則以其在伺服控制領域的深厚技術積累和定制化服務著稱。信捷伺服電機采用了先進的數字信號處理器（DSP）和精密的編碼器反饋系統，實現了對電機運行狀態(tài)的精確監(jiān)控和實時調整。這種閉環(huán)控制策略使得信捷伺服電機在復雜多變的工業(yè)環(huán)境中，能夠迅速適應負載變化，保持穩(wěn)定的運行性能。

雷賽伺服電機以高可靠性、低噪音和長壽命為特點，采用了先進的電磁設計和熱管理技術，有效降低了電機運行過程中的能量損耗和熱量產生。這種設計使得雷賽伺服電機在需要長時間連續(xù)運行的工業(yè)機器人應用中，具有更高的能效比和更低的維護成本。禾川科技則注重產品的性價比和易用性設計，其伺服電機產品線覆蓋了從經濟型到高性能的多個系列，滿足了不同用戶群體的需求。

在國際市場，Yaskawa安川、Mitsubishi三菱、Panasonic松下等品牌用豐富且資深的經驗成為了工業(yè)機器人伺服電機市場的領導者。Yaskawa安川的伺服電機產品以其高精度、高響應性和高可靠性而聞名于世，廣泛應用于汽車制造、電子加工、包裝機械等多個行業(yè)。Mitsubishi三菱的伺服電機則以其強大的驅動能力和穩(wěn)定的運行性能著稱，在重型工業(yè)機器人和自動化生產線中得到了廣泛應用。Panasonic 松下的伺服電機則以其緊湊的結構、高效的能源利用和智能化的控制功能為特點，滿足了用戶對小型化、輕量化和智能化設備的需求。

此外，Siemens西門子、Rexroth 力士樂等國際品牌也以其先進的技術和豐富的產品線，在工業(yè)機器人伺服電機市場中占據了一席之地。

4   結束語

隨著工業(yè)4.0 和智能制造時代的到來，工業(yè)機器人與伺服電機作為智能生產線的核心驅動力，正以前所未有的速度推動著制造業(yè)向更高效、更靈活、更智能的方向邁進。它們不僅顯著提升了生產效率和產品質量，還通過精準控制和高效協同，降低了人力成本，增強了企業(yè)的市場競爭力。未來，隨著材料科學、電子技術、人工智能及物聯網技術的不斷融合與創(chuàng)新，工業(yè)機器人將擁有更加豐富的感知能力和自主決策能力，而伺服電機也將實現更高的精度、更低的能耗和更廣泛的適應性。

（本文來源于《EEPW》202410）