隨著工業自動化的發展，越來越多的領域開始使用工業機器人代替人力。對於機器人制造商和機器人消費者而言，選擇合適的伺服電機始終是一項艱難的任務。機器人的關節驅動離不開伺服系統，關節越多，機器人的柔性和精準度越高，所需要使用的伺服電機數量就越多。伺服電機影響著機器人的手臂控制，如位置、角度和線性運動，它的性能差異將直接影響機器人的能力水平。

什麼是伺服電機？

在談及國產工業機器人時，一個常見的論調是“國產機器人三大核心部件——減速器、伺服電機、控制器——仍高度依賴進口產品，限制了本土機器人的發展”。什麼是減速器，機器人網此前已做過相關梳理，本文將重點介紹伺服電機及其市場概況，希望能給各位讀者帶來收穫。如內容出現錯誤，歡迎留言指出，幫助小編繼續學習。

電機主要用於驅動機器人的關節，它被視為機器人的執行單元，是影響機器人工作性能的主要因素。在當前市場上，機器人常用的電機有微振動電機、伺服電機、直線電機、步進電機和直流減速電機，由於需要被安裝在各關節上控制關節運動，判斷電機好壞的標準是是否有最大功率質量比和扭矩慣量比、是否有高啟動轉矩及是否有低慣量和較寬廣且平滑的調速範圍。其中，伺服電機因為有較高的可靠性和較大的短時過載能力，能夠配合機器人末端執行器一起工作，因此在工業機器人上應用廣泛。

“百度百科”對伺服電機的定義是這樣的：

伺服電機（servo motor）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。

伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，並能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

伺服電機是一種常見的自動化機械元件，適用於有動力源、有一定精度要求的加工場景，如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人及自動化生產線。因為最初是應軍事機械的要求而生，它的突出優點是高精度和高可靠性。

伺服電機分類

無刷直流電動機（BLDCM）因其控制簡單、成本低廉、檢測裝置簡單、系統實現相對容易，被廣泛應用在各個領域。同步型交流伺服電動機中的三相永磁同步電動機（PM·SM）運行平穩、具有低速伺服性能，因此是高性能高精度的數控機床、工業機器人使用的主要類型。

如今一般伺服電機都追求高精度、高可靠性、高熱容量、高剛度、輕量化和高響應性等性能。國際上主要伺服電機廠家的電機手冊也一般會收錄機械時間常數、電器時間常數、發熱時間常數、轉動慣量和過載運動能力等參數，這些都是伺服電機的主要參考指標。

工業機器人用伺服電機的技術難點

一般來說，工業機器人對伺服電機的性能要求主要有以下幾個方面：

1. 電機轉動的慣量要小，具有低的機械時間常數和電磁時間常數以及高的品質因數，即單位時間內可給出更大的瞬時功率。
2. 足夠寬的調速範圍，在零速度附近可控。低速運轉平穩，力矩波動小。
3. 高的功率/體積比和高的功率/重量比。因為這些伺服控制電機通常裝在機器人運動的關節上，為機器人的負載，所以要求重量輕、體積小。
4. 伺服狀態特性好。為機器人能穩定地進行操作，在伺服定位、電機堵轉時仍能輸出最大的力矩。
5. 外形扁薄小巧美觀。它是機器人外觀的決定性因素之一，不僅要適應與機器人給定的小尺寸，而且伺服電機的外形越複雜，機器人外觀結構設計越困難，同時外形的複雜也使粉塵易於堆積。
6. 全封閉式的構造。伺服電機做成封閉結構主要是為了適應多粉塵、還有腐蝕性物質的生產現場。
7. 環境適應性強，而且輸出的電線、電纜要柔軟。
8. 易於維護，電機要有一定的容錯性和相關保護設備。

隨著電力電子技術的不斷髮展，如今電力半導體技術已經由過去的整流二極管、晶閘管、GTO、GTR、P-MOSFET發展到現在的IGBT、IPM等，再加上控制策略的不斷進步，現在工業機器人用伺服電機已經不侷限於低頻率和低極數，而是隨著應用的場合可以靈活地改變，以獲取更好的性能和更低的價格。

工作制與發熱

工業機器人一般運行在頻繁加速、啟停的情況下，由於這種特殊的運行方式’其伺服電機很大程度上受到了溫度的限制，不僅僅是額定轉矩點的溫度特性對工業機器人伺服電機來說很重要，整個運行空間的運行溫度由加減速轉矩與維持轉矩的工作制運行來決定。

轉動慣量

伺服電機的轉動慣量是伺服驅動中非常重要的關鍵點，在機械系統加速運行的時候，伺服電機不僅要提供給負載加速轉矩，而且要提供給自身加速轉矩，所以伺服電機的轉動慣量和系統的轉動慣量的配合十分重要。

轉矩質量

工業機器人伺服電機要求轉矩的平滑性，要求電機具有比較低的轉矩脈動以及較平穩的轉矩常數。平穩的轉矩常數通常需要伺服電機有比較高的抗飽和能力，而且要細緻考慮鐵耗與摩擦損耗對轉矩常數的影響，一般需要合理精緻的伺服電機電磁與結構的設計才能滿足轉矩質量要求。

高響應能力

工業伺服電機系統追求比較高的響應能力，影響伺服系統的響應能力的因素一般有電機轉動慣量、減速比、加減速轉矩、電機結構、控制策略等，高響應能力還與電機的發熱密切相關。

磁鋼退磁

為了使伺服電機具有高性能，目前普遍使用釹鐵硼永磁體來提供磁場，但它對溫度比較敏感，在高溫環境下容易發生不可逆退磁。工業機器人用伺服電機需要有高過載能力，更需要較高的電樞反應，因此轉子永磁體上感應出的渦流損耗通常很大，永磁體易升溫，所以對伺服電機的溫度計算和永磁體保護的要求比較高。

伺服電機的市場前景

伺服系統下游應用廣泛，隨著工業機器人市場不斷升溫，近年來，伺服電機市場中工業機器人的比例水漲船高。2015年，中國伺服電機市場規模已達到122億元，其中工業機器人佔比8.7%，市場規模約為10.6億元。

工業機器人和數控機床的快速增長也在一定程度上刺激了伺服電機市場的發展。

中國機器人產業正處於大變革時代。據知名行業數據機構IDC預測，到2020年，中國機器人市場規模將達到594億美元，中國市場將佔全球機器人市場總量的30%以上。同時，目前中國已經取代德國，成為全球最大的數控機床市場，據政府相關報告，未來我國中高端數控機床市場仍將繼續保持增長，到2020年，我國數控機床行業的資產規模將到達2700億元。

《2015－2019年全球工業機器人伺服電機行業報告》顯示，2013年開始，中國成為世界最大的工業機器人市場，2014年，中國市場上伺服電機的銷量已飆升到全球伺服電機銷量的55％。

按Researchand Markets的預測，90％的工業機器人使用伺服電機，同時，每個工業機器人裝配的伺服電機都是平均量，那麼以2014年中國所增加的231000臺伺服電機數量來考量，到2019年，中國的伺服電機需求量將有望達到737000臺。

面對這樣一塊大蛋糕，伺服電機行業內部競爭激烈。就國內情況而言，外資企業在電機市場上佔據絕對優勢，其中日系品牌憑藉良好的產品性能與極具競爭力的價格壟斷了中小型OEM（設備製造業）市場。2014年，伺服系統市場TOP15廠商中，前三名均為日系品牌，總份額達到45%。西門子、博世、施耐德等歐系品牌佔據高端，整體市場份額在30%左右。國內企業整體份額低於10%左右。

國外知名伺服電機/系統製造商

倫茨（德國）

倫茨（lenze）是世界上著名的機電傳動產品製造商，主要產品有直流調速裝置、交流變頻器、交流伺服、各類電動機、小型傳動轉置、減速箱、變速器、制動器、離合器等。該公司現役的產品MCM同步伺服電機主打機器人市場，結構緊湊、負載與電機慣量比佳、外殼平滑、簡單易用，適合包裝、搬運等應用場景。

博世力士樂（德國）

博世力士樂（BoschRexroth）作為德國博世集團的全資子公司．是全球工業技術市場的領先供應商，在傳動和控制領域聲譽卓著。該公司旗下產品種類繁多，主要集中在高質量電控、液壓、氣動、機電一體化元件和系統等領域。

路斯特（德國）

路斯特（lust）隸屬於柯爾柏集團，專注於向機器人/機床製造業提供通用型、可編程型及多軸運動控制型伺服驅動產品及相關解決方案的生產和貿易性企業。 標準產品譜寬，涵蓋通用型、可編程型、多軸運動控制型，它們被廣泛的應用於各類產業機械和機床。

倍福（德國）

倍福（Beckhoff）基於PC的自動化新技術作為發展理念，所生產的工業PC、現場總線模塊、驅動產品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。

西門子是世界上最大的電氣和電子公司之一，歷經150年來常盛不衰，公司的業務主要集中於6大領域：信息和通訊、自動化和控制、電力、交通、醫療系統和照明。西門子的伺服電機種類豐富、結構緊湊，可實現卓越的動態特性和運行效率，性能等級全，安裝規格多樣。

SIMOTICS 1FT7永磁同步電機

歐系伺服特點是過載能力高，動態響應好，驅動器開放性強，且具有總線接口，包括現場總線、工業以太網甚至無線網絡技術。但價格昂貴，體積重量大。（目前的高速伺服總線雖大多為開放標準，但技術都被國際化大公司所掌控。尤其是基於工業以太網技術，如EtherCAT、 Profinet、 EtherNet/IP、SERCOS III等，在提升工業機器人專用交流伺服系統的高性能方面起到了舉足輕重的作用。德國公司Beckhoff推出的EtherCAT近年來發展勢頭迅猛，成為大多數高性能驅動系統首選的網絡標準，安川、倫茨等國外伺服廠商已將EtherCAT 總線，作為下一代產品的總線標準。）

松下（日本）

松下是一家大型跨國企業，經營產品涉及家電、數碼視聽電子、辦公產品、航空等諸多領域。松下旗下的松下電機主營電氣機電類服務，該公司推出的小型交流伺服電動機和驅動器頗受市場歡迎，其中大慣量系列適用於數控機床，中慣量系列適用於機器人（最高轉速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。

安川（日本）

安川電機是世界一流的傳動產品製造商，也是日本第一個做伺服電機的公司，其產品以穩定快速著稱，性價比高，是全球銷售量最大，使用行業最多的伺服品牌。從一般工業用機械到半導體、電子零部件製造設備，安川都能提供適合於各種用途的最匹配的伺服、控制器產品。

三菱（日本）

三菱不是一家獨立的公司，而是由眾多的獨立公司組成的團體，該公司涉足採礦、造船、銀行、保險、倉儲、貿易、紙、鋼鐵、玻璃、電氣設備、飛機、石油和房地產等諸多領域，是日本的工業巨頭。三菱電機一直致力於提高產品性能，FA產品陣容涵蓋在亞洲占主導地位的可編程控制器（PLC）、人機界面（HMI）、交流伺服系統、變頻器、工業機器人以 及低壓配電產品。

三洋（日本）

三洋是是日本松下旗下的電器公司，瞄準中端市場。2012年4月1日起，該品牌被停止營運。三洋的Denki交流伺服驅動系統是最早進入國內的伺服系統之一，以其卓越的性能高速精確靈活使用壽命長性價比高等特點聞名於世，可以實現不同控制方式的切換、全閉環控制、具有輸出檢測功能、自動濾波功能、實時自整定功能，廣泛應用於冶金高爐印刷機械、包裝機械、紡織機械、塑膠機械、醫療設備、自動化生產線等領域。

日系伺服電機價格相對低，體積小，重量輕。但缺點也很明顯，就是動態響應能力相對弱，開放性較差。

ELMO（以色列）

Elmo Motion Control是一家專業開發緊湊型、高功率伺服電機的企業，25年來一直致力於為各種惡劣工業環境設計了伺服驅動器，同時提供先進的網絡運動控制器和完整的運動控制解決方案。該公司號稱自己打造的是全球最好的伺服電機。

SERVOTRONIX（美的）

servotronix（高創）專注於運動控制領域業務，也是一家專業開發高性能伺服驅動器系列和運動控制解決方案的企業。該公司已被美的收購，未來將成為庫卡機器人伺服電機的主要供應商。

AMC（美國）

AMC（ADVANCED Motion Controls）是一家提供可靠和高性能運動控制系統的公司，創立於1987年，幾十年來一直保持小體量，只有300多名員工，其中40%是工程師。該公司的目標是成為最好的伺服公司，因此只生產伺服驅動領域的產品。依靠精湛的製造水平和先進的研發能力，近7年來，該公司客戶存留率高達91%。

COPLEY（美國）

和AMC一樣，Copley Controls也是一家專注於伺服驅動的公司，主要為廣泛的工業應用提供高性能運動控制解決方案，擁有超過25年的OEM合作經驗。該公司產品的應用領域主要有半導體、生命科學、自動化裝備、機器人、測試/測量以及COTS軍工等。

以上這幾家公司是伺服控制技術的領軍者，它們的產品雖然在市場上份額不大，但代表伺服控制的技術發展導向。

國內知名伺服電機/系統製造商

伴隨這幾年數控化的普及，國內伺服產品的銷量保持了快速增長，伺服系統的自主研發、製造生產及應用已基本成熟，形成了一定的產品系列和自主配套能力，但產品在高性能、高可靠性方面，與國外名牌企業仍存在明顯差距，如國產品牌產品功率範圍多在3KW以內，中小功率居多，技術路線上與日系產品接近。

隨著工業機器人市場掀起熱潮，我國伺服系統與國外名牌企業的明顯差距已成為制約我國工業機器人產業的“瓶頸”。從技術上看，國產伺服電機主要有以下幾個缺陷：

一是外形普遍較長，外觀粗糙，很難應用在一些高檔機器人上面。尤其是在輕載6kg左右的桌面型機器人上，由於機器人手臂的安裝空間非常狹小，對伺服電機的長度有嚴格要求。

二是信號接插件的可靠性需要改進，而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機本體的集成設計的方向設計，方便安裝、調試、更換。

三是另一個核心技術就是高精度的編碼器，尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴重依賴進口，是制約我國高檔機器人發展的很大瓶頸。編碼器的小型化也是伺服電機小型化繞不過去的核心技術。

四是缺失基礎性研究，包括絕對值編碼器技術、高端電機的產業化製造技術、生產工藝的突破、性能指標的實用性驗證和考核標準的制定。

五是伺服系統各部分產業協同聯合不夠，導致伺服電機和驅動系統整體性能難以做好。

值得一提的是，除了以上五點工藝硬傷，許多國內伺服電機廠商還在繼續採用購買過時技術、硬件打造“國產”電機的做法，這樣生產出來的電機質量、穩定性參差不齊，不僅擾亂市場，還打擊了企業內部自主研發的熱情，不利於長期的可持續發展。

目前我國國內較大規模的伺服品牌有20餘家，這些製造商的部分產品質量、性能較為突出，可圈可點，顯示出了一定的獨立性和創新性。機器人網僅列出幾家作為參考，希望國產電機能早日更上一層樓。

臺達（臺灣）

臺達是知名華人自動化品牌，在全球自動化領域佔據獨特地位。90年代初期，臺達採取自主研發的方式，開始進軍工業自動化領域。基於其在電力電子領域的積累，臺達從變頻器產品起步，到後來PLC、伺服、HMI、CNC數控系統，再到基於PC-Based的PAC控制器、傳感器、機器視覺、工業機器人等全系列自動化產品，最後鎖定驅動、運動、控制三大領域。

士林（臺灣）

士林電機（shihlin）創立於1955年，主要開發重電、電裝、機器、自動化領域的相關產品。該公司和日本三菱合作密切，在廈門建有合資公司，據傳產品的用戶體驗與三菱電機不相上下。以士林SDH交流伺服系列為例，這系列電機採用臺灣最好的編碼器，響應速度全臺第一。

臺系品牌使用簡單，性能接近日系，但價格比日系品牌低廉，性價比高，在中低端市場發展較快。

匯川

深圳匯川主要從事自動化、新能源相關領域產品研發，是本土企業中伺服電機市場佔有率最高的品牌。匯川在智能裝備、工業機器人領域推出了變頻器、伺服系統、控制系統、工業視覺系統、傳感器等核心部件及電氣解決方案等一系列工業自動化產品，目前已成為國內最大的中低壓變頻器與伺服系統供應商。匯川旗下幾款伺服電機都支持Ethercat以太網通訊協議。

固高

固高科技是國內技術領先的自動控制產品供應商，該公司自主研發的基於PC的開放式運動控制器、嵌入式運動控制器、網絡式運動控制器、計算機可編程自動化控制器產品與系統，綜合性能已達到了國際一流水平，填補了國內同行業的多項空白。固高主要為機器人運動控制提供系統。

華中數控

華中數控背靠中科大，研發能力出色，是國內最大的中高檔數控系列生產企業，旗下的車床伺服電機已達到國際中端水平。該公司的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服電機和GM7系列交流伺服主軸已實現批量生產，是目前全國唯一擁有成套核心技術自主知識產權和自助配套能力的企業。

廣州數控

廣州數控面向數控機床行業、自動化控制領域、注塑製品行業，是全國最大的機床數控系統研發廠商，突出優勢是產業鏈齊全、規模龐大。該公司的伺服系統主要用於機床、包裝機械等方面。

英威騰

2011年，英威騰收購御能動力，並把該品牌打造成了紡織機械伺服系統的細分龍頭。英威騰主要為紡織機械企業提供整體解決方案，並在業內提供系列型號最為全面的防止伺服系統，目前該公司的伺服產品在紡織機械、包裝機械、數控車床、點膠機、LED分光編帶機貼片機等機器上有廣泛應用，性價比較高。

埃斯頓

南京埃斯頓有十幾年生產和銷售交流全數字化通用交流伺服驅動器和電機的歷史，產品廣泛應用於各類數控機床和自動化設備。公司於2012年成功完成了863計劃重大專項“工業機器人交流伺服系統驅動器和電機開發”，擁有了自主品牌的機器人專用交流伺服系統。目前，公司所有機器人使用的交流伺服系統均為自產，實現了國產核心零部件的突破。公司還成功開發了機器人專用“一拖六”交流伺服系統，為研製更經濟高效的國產機器人提供了基礎。

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