一
伺服系統的基本概念

 伺服（SERVO）源自拉丁語，原意為“奴隸按照主人的指示，忠實而快速地工作”。伺服系統指，經由閉環控制方式實現機械系統的位置、扭矩、速度或加速度控制，從而使輸出變量jingque跟隨或復現輸入變量的系統。伺服系統決定了執行端的精度、速度和穩定性，因此是工業自動化設備的核心。伺服系統的發展經歷了液壓、氣動到電動的過程。液壓伺服系統易漏油、難維護；氣動伺服系統由于空氣粘性差，具有可壓縮性，故不能在定位精度要求較高的場合使用。綜合來看，電動伺服系統是目前機器人領域應用Zui廣泛，技術Zui成熟的方向。本文后續提及的伺服系統均為電動伺服系統。伺服系統主要包括伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分。伺服驅動器，又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，按控制命令的要求對功率進行放大、變換與調控等處理，向電機線圈供應電壓、電流，其作用類似于變頻器作用于普通交流電機，一般含有電流環、速度環、位置環三個嵌入式伺服環路，環路間相互作用，對信號進行匯總、分析、修正，實現精準的運動控制。指令機構發脈沖或者給速度，用于配合驅動器正常工作。伺服電機可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速，按照位置、力矩或速度指令jingque地控制機械系統運動，內嵌的編碼器將伺服電機的運動參數反饋給伺服驅動器，完成閉環控制。

二
伺服系統市場前景
國內中高端制造業不斷發展，各行各業在生產制造活動中越來越多地使用伺服系統來實現高質量和高精度的產品制造，伺服系統下游應用行業實現了從紡織、包裝、印刷等傳統領域向電子設備制造、工業機器人等新興領域的轉移。根據MIR的數據，2021年，電子制造設備、電池制造設備和工業機器人是Zui主要的三大市場，占比分別為18%、11%、10%。伺服系統下游應用的轉型升級帶動市場規模逐步擴大。根據中商產業研究院測算， 2017-2021年，中國伺服系統市場從97億元增長至224億元，復合增長率為23.27%，2022年市場規模有望達286億元，保持較快增速。2021年中國伺服電機市場規模為169億元，2017-2021年復合增長率9.86%。其中，交流和直流伺服電機市場占比分別為65%和35%。這是因為交流伺服電機具有Zui大轉速高、速度控制平滑、振蕩小不易發熱以及適用于灰塵、易爆環境的諸多優點更加適應工業自動化對于運動控制的要求。目前，除協作機器人外的大多數工業機器人與數控機床都采用交流伺服電機，但較大的體積和重量在一定程度上限制了應用場景的拓展。
隨著服務機器人和醫療器械的大規模應用，下游行業對電機技術的要求發生了巨大變化，有望帶動直流伺服電機快速增長。特別是人形機器人為了具備高柔性和精準度，單臺設備所需電機數量約30-40個，是多關節機器人的6-7倍。人形機器人采用直流伺服電機和微型電缸系統。其中，頸關節、肩關節、肘關節、腕關節、腰關節、膝關節、踝關節等大關節一般采用標準的電機組合形式，電機功率約100-200瓦；手部關節空間狹小、要求較高，可選用微型電機系統和微型電缸系統相組合的形式，電機功率約30瓦。

三
機器人用伺服系統技術壁壘
（一）性能要求

相較于通用伺服，機器人伺服系統是伺服系統中的高端產品，對調速范圍、可靠性、穩定性等諸多方面均提出更高的要求。（1）快速響應性：機器人動作轉換快，電機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應盡量短，一般以機電時間常數大小來反應伺服電機快速響應性能；（2）高負載運作：由于大型工業機器人負載十分大，因此要求伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小，有足夠的起動轉矩慣量比；（3）體積質量?。簽楸ＷC靈活性，機器人正變得越來越輕，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短，并且還要經受得起苛刻的工況，可頻繁地正反向和加減速運行，并能在短時間內承受數倍過載；（4）良好的溫度控制：機器人關節電機小體積、輕量化、高力矩輸出的特點不利于溫度控制，需要改良設計以避免溫度過高導致永磁體不可逆退磁、絕緣材料損壞等問題；（5）控制特性的連續性和直線性：隨著控制信號的變化，電機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比；（6）運行的穩定性：轉矩脈動是電機中轉子在旋轉過程中產生的不均勻轉矩，源于安裝在轉子上的永磁體和定子疊片的鋼齒之間的吸引力導致的齒槽轉矩，會產生振動和嗓音，影響電機的低速性能和精度，需要借助合理的電磁設計消除齒槽轉矩。

（二）國內外差距

雖然伺服電機的整體技術壁壘低于減速器，但由于機器人對伺服系統的要求更高，相較于通用伺服，國內外機器人用伺服系統的技術、產品質量、穩定性、品類差距更大。國產伺服電機主要有以下幾個方面的不足：（1）國產伺服電機大多是仿制日系伺服電機設計，功率多在3kw以內，以中小功率為多，而5.5-15kw的中大功率伺服電機較少。（2）體積普遍較大，外觀粗糙，很難應用在對伺服電機的尺寸有嚴格要求高檔機器人中。（3）伺服系統核心技術之一就是高精度的編碼器，編碼器占電機成本的30%，其分辨率決定了控制精度。機器人上用的多圈juedui值編碼器和芯片嚴重依賴進口，是導致國產伺服電機不能完全替代進口產品的主要原因。（4）國產伺服電機在復雜工況環境時的性能大打折扣，是阻礙國產伺服電機進軍高端市場的重要原因之一。（5）基礎性研究不足，包括juedui值編碼器技術、高端電機的產業化制造技術、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。（6）伺服系統各部分產業協同度不夠，導致伺服電機和驅動系統整體性能難以做好。