机器人伺服电机国内外企业的发展

　　随着工业自动化的发展，越来越多的领域开始使用工业机器人代替人力。对于机器人制造商和机器人消费者而言，选择合适的伺服电机始终是一项艰难的任务。机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的伺服电机数量就越多。伺服电机影响着机器人的手臂控制，如位置、角度和线性运动，它的性能差异将直接影响机器人的能力水平。

　　什么是伺服电机？

　　在谈及国产工业机器人时，一个常见的论调是“国产机器人三大核心部件——减速器、伺服电机、控制器——仍高度依赖进口产品，限制了本土机器人的发展”。什么是减速器，机器人网（jqr.com）此前已做过相关梳理，本文将重点介绍伺服电机及其市场概况，希望能给各位读者带来收获。如内容出现错误，欢迎留言指出，帮助小编继续学习。

　　电机主要用于驱动机器人的关节，它被视为机器人的执行单元，是影响机器人工作性能的主要因素。在当前市场上，机器人常用的电机有微振动电机、伺服电机、直线电机、步进电机和直流减速电机，由于需要被安装在各关节上控制关节运动，判断电机好坏的标准是是否有最大功率质量比和扭矩惯量比、是否有高启动转矩及是否有低惯量和较宽广且平滑的调速范围。其中，伺服电机因为有较高的可靠性和较大的短时过载能力，能够配合机器人末端执行器（EOAT）一起工作，因此在工业机器人上应用广泛。

　　“百度百科”对伺服电机的定义是这样的：

　　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。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。

　　伺服电机是一种常见的自动化机械元件，适用于有动力源、有一定精度要求的加工场景，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人及自动化生产线。因为最初是应军事机械的要求而生，它的突出优点是高精度和高可靠性。

　　伺服电机分类

　　无刷直流电动机（BLDCM）因其控制简单、成本低廉、检测装置简单、系统实现相对容易，被广泛应用在各个领域。同步型交流伺服电动机中的三相永磁同步电动机（PM·SM）运行平稳、具有低速伺服性能，因此是高性能高精度的数控机床、工业机器人使用的主要类型。

　　不同类型的伺服电机性能比较

　　机种永磁同步型AC伺服电动机异步型AC伺服电动机

　　电机构造比较简单简单

　　最大扭矩约束永磁体去磁磁路饱和

　　发热情况发热量低发热量高

　　功率变化率高低

　　响应速度快比较快

　　转动惯量小大

　　高速化比较容易容易

　　制动容易复杂

　　可靠性好好

　　环境适应性好好

　　来源：《浅谈工业用伺服机器人系统的关键技术及发展前景》

　　如今一般伺服电机都追求高精度、高可靠性、高热容量、高刚度、轻量化和高响应性等性能。国际上主要伺服电机厂家的电机手册也一般会收录机械时间常数、电器时间常数、发热时间常数、转动惯量和过载运动能力等参数，这些都是伺服电机的主要参考指标。

　　不同伺服电机的性能参数

　　品牌FanucSanyoLust

　　功率（kW）2.52.72.5

　　额定转速（rpm）300015003000

　　机械时间常数（ms）20.89/

　　电气时间常数（ms）/1916.1

　　发热时间常数（min）25/50

　　转动惯量（kg·m2）0.002280.003410.00086

　　尺寸（mm）130×247180×204142×192

　　功率变化率2.8e48.6e47.4e4

　　来源：《浅谈工业用伺服机器人系统的关键技术及发展前景》

　　工业机器人用伺服电机的技术难点

　　一般来说，工业机器人对伺服电机的性能要求主要有以下几个方面：

　　电机转动的惯量要小，具有低的机械时间常数和电磁时间常数以及高的品质因数，即单位时间内可给出更大的瞬时功率。

　　足够宽的调速范围，在零速度附近可控。低速运转平稳，力矩波动小。

　　高的功率/体积比和高的功率/重量比。因为这些伺服控制电机通常装在机器人运动的关节上，为机器人的负载，所以要求重量轻、体积小。

　　伺服状态特性好。为机器人能稳定地进行操作，在伺服定位、电机堵转时仍能输出最大的力矩。

　　外形扁薄小巧美观。它是机器人外观的决定性因素之一，不仅要适应与机器人给定的小尺寸，而且伺服电机的外形越复杂，机器人外观结构设计越困难，同时外形的复杂也使粉尘易于堆积。

　　全封闭式的构造。伺服电机做成封闭结构主要是为了适应多粉尘、还有腐蚀性物质的生产现场。

　　环境适应性强，而且输出的电线、电缆要柔软。

　　易于维护，电机要有一定的容错性和相关保护设备。

　　随着电力电子技术的不断发展，如今电力半导体技术已经由过去的整流二极管、晶闸管、GTO、GTR、P-MOSFET发展到现在的IGBT、IPM等，再加上控制策略的不断进步，现在工业机器人用伺服电机已经不局限于低频率和低极数，而是随着应用的场合可以灵活地改变，以获取更好的性能和更低的价格。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　伺服电机的市场前景

　　伺服系统下游应用广泛，随着工业机器人市场不断升温，近年来，伺服电机市场中工业机器人的比例水涨船高。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。

　　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％。