关于伺服电机的报告

关于伺服电机的报告
一伺服的有关概念及定义
伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。

人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。

在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。

由于它的“伺服”性能，因此而得名。

伺服系统：是使物体的位置、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。

伺服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、速度和位置控制的非常灵活方便。

伺服电机工作原理
伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。

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。

伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

1、交流伺服电动机
交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。

所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。

目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。

当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：
1）、起动转矩大
由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。

它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。

因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

2）、运行范围较广
3）、无自转现象
正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。

当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）
交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。

当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26 V、36V、115V等多种。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。

但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

二、应用领域
伺服产品主要用于高精度加工及控制。

主要用于数控车床、纺织工业、电路板制作、半导体封装等等。

伺服产品是驱动各种电机做各种运动的，一般有三相交流旋转电机驱动器、直线电机伺服驱动器。

精度很高，采用反馈原理，用位置、速度、电流等传感器来采集信息，对这些信息综合分析处理，控制电机运动。

三、竞争分析
随着电机产业的国际转移，中国已经成为世界电机的生产制造基地，多家国际知名电机制造商如ABB、GE、SIEMENS、GAMESA等均在中国设立了制造中心。

在国际电机企业纷纷进入国内市场的情况下，为应对全球化格局下的市场竞争，国内电机制造企业的发展方向逐步由“注重大而全”向“注重产品的设计、研发和总装，部件生产外包”转变。

电机作为基础动力设备，近年保持稳定快速
增长，根据国家统计局数据，截至2010年11月我国电动机制造营业收入为1360亿元，实现营业利润81亿元，同比分别增长35.6%和37.2%。

2002年-2009年我国中小型电机产量年均复合增长率达17.66%。

2003年以来，我国发电机装机容量均维持在10%以上的增速水平，形成了对发电机的稳定需求。

根据国家发改委对电力行业的规划，未来我国将大力开发水电、风电、核电等可再生能源，相关配套发电机的新增需求将进一步增加。

电机生产企业众多，单一生产企业市场份额普遍较低，市场集中度不高，生产企业2211家，国内中小型电机生产企业约2000家，其中具有一定生产规模的约300家，主要集中在浙江、江苏、上海、山东、广东、福建等省市。

虽然电机行业集中度不高，但近年行业正处于不断整合的过程中，行业集中度不断提高，市场份额不断向业内大型企业集中。

根据中国电器工业协会中小型电机分会对行业骨干电机企业的统计，2007年-2009年骨干电机企业合计实现收入分别为329.90亿元、367.60亿元和392.53亿元，前三名和前十名会员企业分别占据了40.32%和72.38%，行业集中度不断提高。

中小型电动机产量约占国内电动机总产量的95%。

目前我国中小型电机行业已经形成较为完整的产业体系，产品品种、规格、性能基本上满足了我国国民经济发展的需要，同时基于我国工业化和城镇化的推进、投资需求的拉动以及国外电机产业向中国转移的趋势，未来我国中小型电机行业有广阔的发展空间。

电机作为各种设备的驱动力，广泛应用于工业、农业、商业及公共设施等各个领域。

统计数据表明，我国目前已成为全球最大的电机和电机系统组件生产基地之一，仅中小型电机的年产量就超过5000万千瓦；同时，我国从制造业大国正向制造业强国发展，由于国家对制造装备及其技术改造工作的重视，随着全数字式交流永磁伺服系统的性能价格比逐步提高，交流伺服电机作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长，近5年内其应用前景将十分看好。

由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的适用领域；另外随着各行业，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、
激光加工设备、机器人、自动化生产线等，对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。

伺服电机技术发展
总体看来，伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今己有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：第一个发展阶段（20 世纪60 年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位臵控制为开环系统。

第二个发展阶段（20 世纪60-70 年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装臵采用了直流电动机，伺服系统的位臵控制也由开环系统发展成为闭环系统。

在自动化的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。

第三个发展阶段（20 世纪80 年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等各种新型电动机。

经过近几十年的快速发展，现代电力电子器件和微处理器水平的提高为永磁同步电动机闭环控制的进步提供了物质基础；而现代智能控制理论日新月异的变化则大大推动了永磁同步电动机闭环控制理论的研究。

永磁同步电动机控制方法的研究也取得了很大成绩，永磁同步电动机的闭环控制正逐渐向数字化、智能化、模块化方向发展，永磁同步电动机已广泛应用于工业领域，交流伺服系统逐渐成为主导产品。

交流伺服驱动器几乎集成了现代工业社会的各种先进科技，是多学科技术交叉的结晶。

随着现代工业的发展，在当代工业自动化技术不断提高，正在出现一种交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制得格局。

对伺服系统的性能要求也越来越高。

作为工业机器人的主要驱动部件，由交流伺服电机和伺服驱动器组成的伺服系统在驱动系统中占据了主要地位。

近年来，中国从制造业大国正向制造
业强国发展，由于国家对制造装备及其技术改造工作的重视，随着全数字式交流永磁伺服系统的性能价格比逐步提高，交流伺服电机作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长，近5年内其应用前景将十分看好。

交流永磁伺服电机逐渐成为主角
国内
埃斯顿、和利时电机等。

就当下的用户分布看，中国伺服产品的用户区域
主要分布在华东、华南和华北，其中华东市场（上海、江浙和山东）占45％，以广东为主的华南和以京津为主国内较大规模的伺服品牌有20余家，主要有
广州数控、华中数控、南京的华北各为15％左右，华中和东北大约是10％。

但是中国的伺服产业才刚刚起步，国外品牌已经纷纷进入并占居了绝大部分的
市场。

21世纪以来，交流伺服系统业已成为机械自动控制的基础元件。

可以说，几乎所有的机械制造领域都可以成为交流伺服系统的应用对象，随着目前
广泛使用的机电一体化（Mechatronic）机械设备体系的建立，我国的机械制造
业正逐步走进“伺服时代”。

2008年，我国伺服产品市场预计销售19亿元人民币。

增长率15%左右。

伺服电机行业在未来几年内上升的空间非常大。

但是，随着数控机床向高速、高精、智能、复合、环保方面发展，对伺服电机提出了“高精度、高效率、高可靠性和专门化”的新要求。

为满足超高精度的数控系统对精度和快速性的
要求，需要采用直接驱动技术，使得我国伺服电机行业面临着新的机遇和挑战。

根据机械工业研究院产业与市场研究所05 年做的市场调查，目前国内市场上覆盖面最广的10个品牌分别是：西门子、三菱、安川、兰电、松下、Fanuc、华中数控、ABB，和利时电机和AB(属于Rockwell Automation)。

其中西门子和三菱品牌覆盖率在30％以上，AB 在 3.7%，其他品牌均在10～20％之间。

调查显示国产企业比如和利时电机、华中数控、兰州电机等企业，经过多年的研发推广，在这个市场中做的有声有色，在产品覆盖面上占有一席之地，但是国产品牌的客户忠诚度和影响力明显不如进口品牌。

用户选择进口品牌和国产品牌的比例为大约4：1，国产品牌没有进入用户首选品牌的前 5 名。

虽然和利时电机和华中数控分列未来需求品牌的第 6 位和第7 位，但是面临日本和台湾产品本地化生产之后日益激烈的竞争，中小功率通用伺服产品价格持续下降，利润率
越来越低。

国产品牌不仅在产品的性能、质量与品种上都有所欠缺，在技术储备、生产能力和资本实力上的巨大差距更不是一两天可以弥补。

国产品牌要想突围，除了需要耐心和持续投入之外，还需要在竞争策略方面走差异化路线。

总之，中国品牌厂商同时面临巨大的挑战和发展机会，任重而道远。

国外
国际交流伺服市场处于恢复性增长状态，而国内市场在未来3～5 年仍将维持高速增长。

国外运动控制厂商通过购并和联盟迅速扩大自己的实力，谋求一站式解决方案提供商的地位，比如Danaher自从1995 年以来连续收购了超过40 家运动控制厂商，包括我们非常熟悉的一些品牌，如Kollmorgen, API, Pacific Scientific, Superior Electric, Dover, NEAT, Thomson, Giddings & Lewis, Warner Motion, InMotion, Bautz, Micron和Siedel 等。

Parker也按照相同的思路在扩展，最近的例子是收购了Bayside，而Schneider 收购了Berger Lahr。

许多新生的小企业具备独特的技术或其他核心能力，也会找到属于自己的生存空间，并因此得到更多投资。

国际范围内，政府和国际标准的不断发展给伺服产业带来深远影响，比如美国的能源法案EPactII 对电机系统能效的规定，美国的UL、NEC（NFPA）标准对安全的规定，欧盟的RoHS、WEEE 和CE 标准对环保和安全的规定等。

交流伺服系统的市场范围不断扩大，越来越多取代机械传动、液压和气动传动系统；交流伺服不断取代直流伺服的市场份额，导致直流伺服在整个伺服市场的占有率从目前的不到15％每年大约下降0.5%；同时交流伺服成本和尺寸不断缩小，也在蚕食高端步进电机的市场，但是步进电机本身也在不断提高自己的竞争能力，不断延伸市场空间，因此在收到冲击的同时市场也在扩大，只是速度可能不如交流伺服这么快而已。

品牌竞争状况：
目前，国外品牌占据了中国交流伺服市场85％左右的份额，主要以日本、德国和美国电机品牌为主，其中日本品牌有安川、发那科（Fanuc）、三菱电机、松下、三洋、富士等；美国有罗克维尔（Rockwell Automation）、达那赫（Danaher）、帕克（Parker）等；德国有西门子（Siemens）、博世力士乐（Bosch Rexroth）、施
奈德（Schneider）等。

其中，日本品牌以良好的性能价格比和较高的可靠性占据了超过50％的最大市场份额，在中小型OEM 市场上尤其具有垄断优势，而且本地化生产的策略进一步增加了在价格和快速交货方面的筹码；欧美品牌在高端设备和生产线上比较有竞争力，其市场策略是高性能、高价格，以全套自动化解决方案作为卖点，总的市场占有率大约在35％，最近这些高端品牌也不断寻找本地合作伙伴力图打入中低端市场，并不甘心被日本品牌积压市场空间。

最近2、3 年来自台湾的伺服厂商在国内设厂，并加大了市场推广的力度，主要是台达和东元，其技术水平和价格水平都居于进口中端产品和国产品牌之间，在竞争中主要突出性价比优势，对国产品牌带来了新的竞争压力，市场占有率从几年前的微不足道提高到大约5％。

中国国内的品牌主要有和利时电机、华中数控、广数、兰州电机等，最近出现了南京埃斯顿、上海鄂尔多斯等厂家，粗略计算，宣称推出交流伺服产品的国产厂家不下20 个。

其中和利时电机面向整个自动化产业机械市场提供步进、无刷、伺服等系列产品，在技术上和品牌上有一定优势；华中数控、广数和兰电等主要集中在数控机床行业，伴随着这几年数控行业的大发展，他们的出货量也保持了快速增长，积累了相对较强的实力；国产品牌产品功率范围多在5KW 以内，技术路线上与日系产品接近，目前总市场占有率在10％左右。

竞争格局分析
大陆交流伺服市场以外资品牌为主，市场份额的前四名都被外资品牌占据，2009年外资品牌市场份额达到80.9%；大陆品牌数量较多，但多数企业规模偏小，整体市场份额只有19.1%。

在外资品牌中，日本品牌和欧洲品牌表现突出。

而台湾品牌、大陆品牌及其它品牌虽然也各有特点，也在努力跟进和开拓市场，但差距仍然不小。

日本品牌：在大陆市场早期，日系品牌凭借较好的产品性能、较低的价格在大陆市场获得了广泛的应用，代表性品牌有安川、松下、三菱等。

日系品牌与上位机构的联系多采用脉冲方式，与早期的数控兼容性较好。

欧洲品牌：大陆交流伺服市场中欧洲品牌的企业数量较多，品牌定位于中高端市场，产品价格较高；多数欧系品牌伺服电机各功率段产品比较全。

从销售规模上讲，西门子、博世力士乐等企业的市场份额相对较高，另外施耐德凭借近两
年快速的发展，也占有一定的市场份额；其它的欧系品牌（如伦茨、路斯特等）市场份额相对较小。

台湾品牌：台湾品牌以台达与东元为代表，产品设计理念主要来自于日系品牌，在价格上更具优势。

台湾品牌主要定位于大陆中低端市场，近两年大陆对台湾品牌的认可度越来越高，台湾品牌的市场前景也相对较好。

大陆品牌：大陆品牌目前市场规模普遍偏小，只有广数凭借其在数控系统方面优势获得了较高的市场份额。

大陆品牌凭借低价格和本土化售后服务策略，在中低端市场占有较大比重，但在高端数控市场的占有率不高，高端数控市场仍然被西门子、发那科等外资品牌占领。

在技术方面，6轴、7轴联动伺服、机器人伺服等高端应用，以及通讯总线接口技术的创新与发展，与国外先进水平至少还有20-30年的差距。

其它品牌：除上述品牌外，目前大陆市场还有一些其它的品牌，如韩国品牌等，但是这些品牌的市场规模都比较小。

展望未来，随着伺服价格的不断下降、交流伺服的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；同时台湾、日本厂商也将在整个市场的扩大中获益，欧美品牌的市场占有率将逐渐下降，但仍将保持很高的毛利水平。

四、技术指标及发展趋势
速度控制：步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。

电机的运转速度(RPM)与脉冲速度(PPS，又称Hz)间的关系式如下：电机的运转速度(RPM)＝脉冲速度(PPS或 Hz) × 60 ÷步进电机分割数/圈分割数/圈说明：1.RPM为一般电机的速度单位，即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。

2.由于RPM与PPS的单位不同，所以于转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟。

3.步进电机分割数/圈，又代表要3.步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。

4.上述公式拆解后之单位表示为→ rev/min = pulse/sec ×60 ×1/分割数实例：五相半步级角0.36°时(即1000分割/圈)(1)电机的运转速度600RPM时，即相当于脉冲速度10,000PPS。

(2)脉冲速度3,000PPS，即相当于(2)脉冲速度3,000PPS，即相当于电机的运转速度180RPM。

位置控制：步进电机不需要位置传感器(SENSOR)，就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。

而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。

脉冲数(PULSE)与移动量间的关系式如下：位置移动量( °)＝步进电机分辨率( °)×输入的关系式如下：位置移动量( °)＝步进电机分辨率( °)×输入脉冲数实例：二相全步级角1.8°时＊当输入1000个脉冲数(即1000PULSE)，此时之移动量会是1800°，刚好为5圈.
编码器的线数和分辨率是一个概念
比如2500线的编码器实际是 2048线 2的11次方所以叫11位的编码器
也叫2500线的编码器。

精度是个什么呢，就是每次电机旋转位置的误差，误差小精度就高。

一圈360度2048个脉冲 11位
一圈360度65536个脉冲 16位编码器
这么看来位数高的编码器，把360度分的份数就小，用360度除以脉冲。

目前有18位编码器，20位编码器，32位编码器。

20位以上的绝对值编码器是进口限制品。

因为可以军用，所以进口不到。

位数高的编码器读数可以精确，但是精度就具体情况具体分析了。

就好像手表一样，一块只有分针，时针的手表
和一块秒针，分针，时针的手表。

读时间一个可以读到秒，一个只能读到分。

但是走一年后，也许只有分针，时针的表和标准时间比不慢也不快---------精度高而能读到秒针那个走一天慢一秒，那一年后它就比标准时间慢了365秒。

-----精度低。