機器人伺服電機國內(nèi)外企業(yè)的發(fā)展

　　隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域開始使用工業(yè)機器人代替人力。對于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(wù)。機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動離不開伺服系統(tǒng)，關(guān)節(jié)越多，機器人的柔性和精準(zhǔn)度越高，所需要使用的伺服電機數(shù)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。

　　什么是伺服電機？

　　在談及國產(chǎn)工業(yè)機器人時，一個常見的論調(diào)是“國產(chǎn)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(chǎn)品，限制了本土機器人的發(fā)展”。什么是減速器，機器人網(wǎng)（jqr.com）此前已做過相關(guān)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獲。如內(nèi)容出現(xiàn)錯誤，歡迎留言指出，幫助小編繼續(xù)學(xué)習(xí)。

　　電機主要用于驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，它被視為機器人的執(zhí)行單元，是影響機器人工作性能的主要因素。在當(dāng)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，由于需要被安裝在各關(guān)節(jié)上控制關(guān)節(jié)運動，判斷電機好壞的標(biāo)準(zhǔn)是是否有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、是否有高啟動轉(zhuǎn)矩及是否有低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。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(zhí)行器（EOAT）一起工作，因此在工業(yè)機器人上應(yīng)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(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)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(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)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，適用于有動力源、有一定精度要求的加工場景，如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人及自動化生產(chǎn)線。因為最初是應(yīng)軍事機械的要求而生，它的突出優(yōu)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(tǒng)實現(xiàn)相對容易，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)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(wěn)、具有低速伺服性能，因此是高性能高精度的數(shù)控機床、工業(yè)機器人使用的主要類型。

　　不同類型的伺服電機性能比較

　　機種永磁同步型AC伺服電動機異步型AC伺服電動機

　　電機構(gòu)造比較簡單簡單

　　最大扭矩約束永磁體去磁磁路飽和

　　發(fā)熱情況發(fā)熱量低發(fā)熱量高

　　功率變化率高低

　　響應(yīng)速度快比較快

　　轉(zhuǎn)動慣量小大

　　高速化比較容易容易

　　制動容易復(fù)雜

　　可靠性好好

　　環(huán)境適應(yīng)性好好

　　來源：《淺談工業(yè)用伺服機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景》

　　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(yīng)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(shù)、電器時間常數(shù)、發(fā)熱時間常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量和過載運動能力等參數(shù)，這些都是伺服電機的主要參考指標(biāo)。

　　不同伺服電機的性能參數(shù)

　　品牌FanucSanyoLust

　　功率（kW）2.52.72.5

　　額定轉(zhuǎn)速（rpm）300015003000

　　機械時間常數(shù)（ms）20.89/

　　電氣時間常數(shù)（ms）/1916.1

　　發(fā)熱時間常數(shù)（min）25/50

　　轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）0.002280.003410.00086

　　尺寸（mm）130×247180×204142×192

　　功率變化率2.8e48.6e47.4e4

　　來源：《淺談工業(yè)用伺服機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景》

　　工業(yè)機器人用伺服電機的技術(shù)難點

　　一般來說，工業(yè)機器人對伺服電機的性能要求主要有以下幾個方面：

　　電機轉(zhuǎn)動的慣量要小，具有低的機械時間常數(shù)和電磁時間常數(shù)以及高的品質(zhì)因數(shù)，即單位時間內(nèi)可給出更大的瞬時功率。

　　足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，在零速度附近可控。低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，力矩波動小。

　　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(guān)節(jié)上，為機器人的負(fù)載，所以要求重量輕、體積小。

　　伺服狀態(tài)特性好。為機器人能穩(wěn)定地進行操作，在伺服定位、電機堵轉(zhuǎn)時仍能輸出最大的力矩。

　　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(yīng)與機器人給定的小尺寸，而且伺服電機的外形越復(fù)雜，機器人外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計越困難，同時外形的復(fù)雜也使粉塵易于堆積。

　　全封閉式的構(gòu)造。伺服電機做成封閉結(jié)構(gòu)主要是為了適應(yīng)多粉塵、還有腐蝕性物質(zhì)的生產(chǎn)現(xiàn)場。

　　環(huán)境適應(yīng)性強，而且輸出的電線、電纜要柔軟。

　　易于維護，電機要有一定的容錯性和相關(guān)保護設(shè)備。

　　隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，如今電力半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)由過去的整流二極管、晶閘管、GTO、GTR、P-MOSFET發(fā)展到現(xiàn)在的IGBT、IPM等，再加上控制策略的不斷進步，現(xiàn)在工業(yè)機器人用伺服電機已經(jīng)不局限于低頻率和低極數(shù)，而是隨著應(yīng)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(fā)熱

　　工業(yè)機器人一般運行在頻繁加速、啟停的情況下，由于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(zhuǎn)矩點的溫度特性對工業(yè)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(zhuǎn)矩與維持轉(zhuǎn)矩的工作制運行來決定。

　　轉(zhuǎn)動慣量

　　伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量是伺服驅(qū)動中非常重要的關(guān)鍵點，在機械系統(tǒng)加速運行的時候，伺服電機不僅要提供給負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩，而且要提供給自身加速轉(zhuǎn)矩，所以伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的配合十分重要。

　　轉(zhuǎn)矩質(zhì)量

　　工業(yè)機器人伺服電機要求轉(zhuǎn)矩的平滑性，要求電機具有比較低的轉(zhuǎn)矩脈動以及較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)通常需要伺服電機有比較高的抗飽和能力，而且要細(xì)致考慮鐵耗與摩擦損耗對轉(zhuǎn)矩常數(shù)的影響，一般需要合理精致的伺服電機電磁與結(jié)構(gòu)的設(shè)計才能滿足轉(zhuǎn)矩質(zhì)量要求。

　　高響應(yīng)能力

　　工業(yè)伺服電機系統(tǒng)追求比較高的響應(yīng)能力，影響伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力的因素一般有電機轉(zhuǎn)動慣量、減速比、加減速轉(zhuǎn)矩、電機結(jié)構(gòu)、控制策略等，高響應(yīng)能力還與電機的發(fā)熱密切相關(guān)。

　　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(huán)境下容易發(fā)生不可逆退磁。工業(yè)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(yīng)，因此轉(zhuǎn)子永磁體上感應(yīng)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(tǒng)下游應(yīng)用廣泛，隨著工業(yè)機器人市場不斷升溫，近年來，伺服電機市場中工業(yè)機器人的比例水漲船高。2015年，中國伺服電機市場規(guī)模已達(dá)到122億元，其中工業(yè)機器人占比8.7%，市場規(guī)模約為10.6億元。

　　工業(yè)機器人和數(shù)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(fā)展。

　　中國機器人產(chǎn)業(yè)正處于大變革時代。據(jù)知名行業(yè)數(shù)據(jù)機構(gòu)IDC預(yù)測，到2020年，中國機器人市場規(guī)模將達(dá)到594億美元，中國市場將占全球機器人市場總量的30%以上。同時，目前中國已經(jīng)取代德國，成為全球最大的數(shù)控機床市場，據(jù)政府相關(guān)報告，未來我國中高端數(shù)控機床市場仍將繼續(xù)保持增長，到2020年，我國數(shù)控機床行業(yè)的資產(chǎn)規(guī)模將到達(dá)2700億元。

　　《2015－2019年全球工業(yè)機器人伺服電機行業(yè)報告》顯示，2013年開始，中國成為世界最大的工業(yè)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％。