揭秘国内外机器人伺服电机的发展现状和技术瓶颈

作为国产机器人三大核心部件之一的伺服电机，一直是机器人行业的老道长谈。

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

伺服电机的发展现状和市场展望

2015年，中国伺服电机市场规模已达到122亿元，其中工业机器人占比8.7%，市场规模约为10.6亿元。

工业机器人和数控机床的快速增长也在一定程度上刺激了伺服电机市场的发展。

目前，工业机器人用伺服电机的技术难点主要表现在以下几个方面：

1、工作制与发热

工业机器人一般运行在频繁加速、启停的情况下，由于这种特殊的运行方式’其伺服电机很大程度上受到了温度的限制，不仅仅是额定转矩点的温度特性对工业机器人伺服电机来说很重要，整个运行空间的运行温度由加减速转矩与维持转矩的工作制运行来决定。

2、转动惯量

伺服电机的转动惯量是伺服驱动中非常重要的关键点，在机械系统加速运行的时候，伺服电机不仅要提供给负载加速转矩，而且要提供给自身加速转矩，所以伺服电机的转动惯量和系统的转动惯量的配合十分重要。

3、转矩质量

工业机器人伺服电机要求转矩的平滑性，要求电机具有比较低的转矩脉动以及较平稳的转矩常数。平稳的转矩常数通常需要伺服电机有比较高的抗饱和能力，而且要细致考虑铁耗与摩擦损耗对转矩常数的影响，一般需要合理精致的伺服电机电磁与结构的设计才能满足转矩质量要求。

4、高响应能力

工业伺服电机系统追求比较高的响应能力，影响伺服系统的响应能力的因素一般有电机转动惯量、减速比、加减速转矩、电机结构、控制策略等，高响应能力还与电机的发热密切相关。

5、磁钢退磁

为了使伺服电机具有高性能，目前普遍使用钕铁硼永磁体来提供磁场，但它对温度比较敏感，在高温环境下容易发生不可逆退磁。工业机器人用伺服电机需要有高过载能力，更需要较高的电枢反应，因此转子永磁体上感应出的涡流损耗通常很大，永磁体易升温，所以对伺服电机的温度计算和永磁体保护的要求比较高。

随着工业机器人市场掀起热潮，我国伺服系统与国外名牌企业的明显差距已成为制约我国工业机器人产业的“瓶颈”。从技术上看，国产伺服电机主要有以下几个缺陷：

1、外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上，由于机器人手臂的安装空间非常狭小，对伺服电机的长度有严格要求。

2、信号接插件的可靠性需要改进，而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向设计，方便安装、调试、更换。

3、另一个核心技术就是高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口，是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是伺服电机小型化绕不过去的核心技术。

4、缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术、生产工艺的突破、性能指标的实用性验证和考核标准的制定。

5、伺服系统各部分产业协同联合不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。

中国机器人产业正处于大变革时代。据知名行业数据机构IDC预测，到2020年，中国机器人市场规模将达到594亿美元，中国市场将占全球机器人市场总量的30%以上。同时，目前中国已经取代德国，成为全球最大的数控机床市场，据政府相关报告，未来我国中高端数控机床市场仍将继续保持增长，到2020年，我国数控机床行业的资产规模将到达2700亿元。

《2015－2019年全球工业机器人伺服电机行业报告》显示，2013年开始，中国成为世界最大的工业机器人市场，2014年，中国市场上伺服电机的销量已飙升到全球伺服电机销量的55％。

按Researchand Markets的预测，90％的工业机器人使用伺服电机，同时，每个工业机器人装配的伺服电机都是平均量，那么以2014年中国所增加的231000台伺服电机数量来考量，到2019年，中国的伺服电机需求量将有望达到737000台。

面对这样一块大蛋糕，伺服电机行业内部竞争激烈。就国内情况而言，外资企业在电机市场上占据绝对优势，其中日系品牌凭借良好的产品性能与极具竞争力的价格垄断了中小型OEM（设备制造业）市场。2014年，伺服系统市场TOP15厂商中，前三名均为日系品牌，总份额达到45%。西门子、博世、施耐德等欧系品牌占据高端，整体市场份额在30%左右。国内企业整体份额低于10%左右。

国外知名代表性企业

伦茨（德国）

伦茨（lenze）是世界上著名的机电传动产品制造商，主要产品有直流调速装置、交流变频器、交流伺服、各类电动机、小型传动转置、减速箱、变速器、制动器、离合器等。该公司现役的产品MCM同步伺服电机主打机器人市场，结构紧凑、负载与电机惯量比佳、外壳平滑、简单易用，适合包装、搬运等应用场景。

博世力士乐（德国）

博世力士乐（BoschRexroth）作为德国博世集团的全资子公司．是全球工业技术市场的领先供应商，在传动和控制领域声誉卓著。该公司旗下产品种类繁多，主要集中在高质量电控、液压、气动、机电一体化元件和系统等领域。

路斯特（德国）

路斯特（lust）隶属于柯尔柏集团，专注于向机器人/机床制造业提供通用型、可编程型及多轴运动控制型伺服驱动产品及相关解决方案的生产和贸易性企业。 标准产品谱宽，涵盖通用型、可编程型、多轴运动控制型，它们被广泛的应用于各类产业机械和机床。

倍福（德国）

倍福（Beckhoff）基于PC的自动化新技术作为发展理念，所生产的工业PC、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT自动化软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。

西门子（德国）

西门子是世界上最大的电气和电子公司之一，历经150年来常盛不衰，公司的业务主要集中于6大领域：信息和通讯、自动化和控制、电力、交通、医疗系统和照明。西门子的伺服电机种类丰富、结构紧凑，可实现卓越的动态特性和运行效率，性能等级全，安装规格多样。

SIMOTICS 1FT7永磁同步电机

欧系伺服特点是过载能力高，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，包括现场总线、工业以太网甚至无线网络技术。但价格昂贵，体积重量大。（目前的高速伺服总线虽大多为开放标准，但技术都被国际化大公司所掌控。尤其是基于工业以太网技术，如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等，在提升工业机器人专用交流伺服系统的高性能方面起到了举足轻重的作用。德国公司Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛，成为大多数高性能驱动系统首选的网络标准，安川、伦茨等国外伺服厂商已将EtherCAT 总线，作为下一代产品的总线标准。）

松下（日本）

松下是一家大型跨国企业，经营产品涉及家电、数码视听电子、办公产品、航空等诸多领域。松下旗下的松下电机主营电气机电类服务，该公司推出的小型交流伺服电动机和驱动器颇受市场欢迎，其中大惯量系列适用于数控机床，中惯量系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。

安川（日本）

安川电机是世界一流的传动产品制造商，也是日本第一个做伺服电机的公司，其产品以稳定快速著称，性价比高，是全球销售量最大，使用行业最多的伺服品牌。从一般工业用机械到半导体、电子零部件制造设备，安川都能提供适合于各种用途的最匹配的伺服、控制器产品。

三菱（日本）

三菱不是一家独立的公司，而是由众多的独立公司组成的团体，该公司涉足采矿、造船、银行、保险、仓储、贸易、纸、钢铁、玻璃、电气设备、飞机、石油和房地产等诸多领域，是日本的工业巨头。三菱电机一直致力于提高产品性能，FA产品阵容涵盖在亚洲占主导地位的可编程控制器（PLC）、人机界面（HMI）、交流伺服系统、变频器、工业机器人以 及低压配电产品。

三洋（日本）

三洋是是日本松下旗下的电器公司，瞄准中端市场。2012年4月1日起，该品牌被停止营运。三洋的Denki交流伺服驱动系统是最早进入国内的伺服系统之一，以其卓越的性能高速精确灵活使用寿命长性价比高等特点闻名于世，可以实现不同控制方式的切换、全闭环控制、具有输出检测功能、自动滤波功能、实时自整定功能，广泛应用于冶金高炉印刷机械、包装机械、纺织机械、塑胶机械、医疗设备、自动化生产线等领域。

日系伺服电机价格相对低，体积小，重量轻。但缺点也很明显，就是动态响应能力相对弱，开放性较差。

ELMO（以色列）

Elmo Motion Control是一家专业开发紧凑型、高功率伺服电机的企业，25年来一直致力于为各种恶劣工业环境设计了伺服驱动器，同时提供先进的网络运动控制器和完整的运动控制解决方案。该公司号称自己打造的是全球最好的伺服电机。

SERVOTRONIX（美的）

servotronix（高创）专注于运动控制领域业务，也是一家专业开发高性能伺服驱动器系列和运动控制解决方案的企业。该公司已被美的收购，未来将成为库卡机器人伺服电机的主要供应商。

AMC（美国）

AMC（ADVANCED Motion Controls）是一家提供可靠和高性能运动控制系统的公司，创立于1987年，几十年来一直保持小体量，只有300多名员工，其中40%是工程师。该公司的目标是成为最好的伺服公司，因此只生产伺服驱动领域的产品。依靠精湛的制造水平和先进的研发能力，近7年来，该公司客户存留率高达91%。

COPLEY（美国）

和AMC一样，Copley Controls也是一家专注于伺服驱动的公司，主要为广泛的工业应用提供高性能运动控制解决方案，拥有超过25年的OEM合作经验。该公司产品的应用领域主要有半导体、生命科学、自动化装备、机器人、测试/测量以及COTS军工等。

以上这几家公司是伺服控制技术的领军者，它们的产品虽然在市场上份额不大，但代表伺服控制的技术发展导向。

国内知名代表性企业

台达（台湾）

台达是知名华人自动化品牌，在全球自动化领域占据独特地位。90年代初期，台达采取自主研发的方式，开始进军工业自动化领域。基于其在电力电子领域的积累，台达从变频器产品起步，到后来PLC、伺服、HMI、CNC数控系统，再到基于PC-Based的PAC控制器、传感器、机器视觉、工业机器人等全系列自动化产品，最后锁定驱动、运动、控制三大领域。

士林（台湾）

士林电机（shihlin）创立于1955年，主要开发重电、电装、机器、自动化领域的相关产品。该公司和日本三菱合作密切，在厦门建有合资公司，据传产品的用户体验与三菱电机不相上下。以士林SDH交流伺服系列为例，这系列电机采用台湾最好的编码器，响应速度全台第一。

台系品牌使用简单，性能接近日系，但价格比日系品牌低廉，性价比高，在中低端市场发展较快。

汇川

深圳汇川主要从事自动化、新能源相关领域产品研发，是本土企业中伺服电机市场占有率最高的品牌。汇川在智能装备、工业机器人领域推出了变频器、伺服系统、控制系统、工业视觉系统、传感器等核心部件及电气解决方案等一系列工业自动化产品，目前已成为国内最大的中低压变频器与伺服系统供应商。汇川旗下几款伺服电机都支持Ethercat以太网通讯协议。

固高

固高科技是国内技术领先的自动控制产品供应商，该公司自主研发的基于PC的开放式运动控制器、嵌入式运动控制器、网络式运动控制器、计算机可编程自动化控制器产品与系统，综合性能已达到了国际一流水平，填补了国内同行业的多项空白。固高主要为机器人运动控制提供系统。

华中数控

华中数控背靠中科大，研发能力出色，是国内最大的中高档数控系列生产企业，旗下的车床伺服电机已达到国际中端水平。该公司的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴已实现批量生产，是目前全国唯一拥有成套核心技术自主知识产权和自助配套能力的企业。

广州数控

广州数控面向数控机床行业、自动化控制领域、注塑制品行业，是全国最大的机床数控系统研发厂商，突出优势是产业链齐全、规模庞大。该公司的伺服系统主要用于机床、包装机械等方面。

英威腾

2011年，英威腾收购御能动力，并把该品牌打造成了纺织机械伺服系统的细分龙头。英威腾主要为纺织机械企业提供整体解决方案，并在业内提供系列型号最为全面的防止伺服系统，目前该公司的伺服产品在纺织机械、包装机械、数控车床、点胶机、LED分光编带机贴片机等机器上有广泛应用，性价比较高。

埃斯顿

南京埃斯顿有十几年生产和销售交流全数字化通用交流伺服驱动器和电机的历史，产品广泛应用于各类数控机床和自动化设备。公司于2012年成功完成了863计划重大专项“工业机器人交流伺服系统驱动器和电机开发”，拥有了自主品牌的机器人专用交流伺服系统。目前，公司所有机器人使用的交流伺服系统均为自产，实现了国产核心零部件的突破。公司还成功开发了机器人专用“一拖六”交流伺服系统，为研制更经济高效的国产机器人提供了基础。