1.背景介绍
说起伺服系统,中国自动化业界既习以为常,又觉得难以定义清楚。伺服系统的概念其实最早进入中国市场时,与当前的概念完全不同,在早期(上世纪90年代初),传动伺服、液压伺服以及变频器伺服等都在国内市场出现过,因此导致国内自动化界对伺服的概念早期是很广义宽泛的,即将严格跟随轨迹运动的自动化实现都叫做伺服系统。
进入21世纪后,中国自动化市场得到了高速的发展,特别是以日系为代表的先进自动化强国的产品线与方案技术在国内的广泛应用,伺服系统的概念开始由广义宽泛走向所谓的“狭义明确”。即伺服驱动器+伺服电机实现的高精度闭环控制系统是伺服系统。这个定义目前虽然并不能说完全被百分百的认同,但是基本是大众化比较认可的一个定义了,也是中国自动化品牌在进行伺服系统研发与推广的主要模式。本文所讨论的伺服系统也是基于这一定义模式进行的。
不可否认,日系的伺服驱动器+伺服电机对中国自动化伺服系统的市场定义有决定性的作用,这不仅仅是日系自动化产品线进入中国较早的缘故,也是日系的“伺服系统”产品为中国自动化市场带来了巨大的推进作用,从工艺、效率、加工精度等不同纬度都极大提升了中国自动化OEM市场的水准,从而使得这一伺服系统的概念深入人心。
图 1 交直交 (AC-DC-AC) 硬件架构图
图 2 驱动器控制架构图
1.1伺服系统的性能特点
伺服系统一般由两大主要产品组成:伺服驱动器与伺服电机(台湾地区多称为伺服马达)。
因此,分析伺服系统的性能特点首先是要对伺服驱动器和伺服电机的特点分别进行分析:
i.伺服驱动器:基于交直交硬件架构,通过实现输出电流频率的控制达到控制伺服电机转速目的,并通过伺服电机编码器速度回授,实现闭环控制模式。
如果从硬件架构上去分析,伺服驱动器与变频器的硬件架构是一致的,都是基于交-直(整流)以及直再到交(逆变)的原理,其中整流部分是不可控或半控,而逆变则是全控模式,实现输出的电流频率控制,达到控速的目的。
但是这仅仅是粗线的主电路的架构,如果从控制电路的架构,伺服驱动器与变频器的差异很大。首先,伺服驱动器由于要快速控制伺服电机,必须要求高频处理能力,其处理器的频宽都是远远大于变频器;其次,伺服驱动器必须基于矢量控制,因此编码器回授是必须,而不是变频器的可选;再有,伺服驱动器基于输出频率调整高速实现位置-速度-转速控制模式与切换,而变频器目前多为速度控制,位置控制的精度和性能都是无法相比的。
ii.伺服电机:一般性是基于永磁同步电机(PMSM)上发展而来,目前主要是SPM和IPM两种类型。相比之下,IPM型的效率更高,且体积设计更为紧凑,是符合伺服系统整体发展趋势的,但是IPM相对SPM,对伺服驱动器的电流控制特性更为苛刻,在相同电流特性下,IPM的噪声相对更大,温升也更高,因此,IPM搭配的伺服驱动器也是更高的要求,从而形成更加优秀的伺服系统。
伺服电机除在设计上的差异外,对生产工艺的环节也是造成差异的主要环节,伺服电机的生产要求是比较高的,从原始的精加工、热处理、公差检测等,到后面的组装、冲刺、动平衡等,都是考核伺服电机厂家能力的部分,往往厂家的生产环节的差异造成了伺服电机性能的差异。
iii.编码器:严格来说是伺服电机的组成部分,但是重要性与伺服电机几乎相等。编码器的研发难度是较高的,在自动化领域的集中电路和分辨率精度是较为严格的要求,伺服领域主要是光学和磁性两种编码器。
光学编码器主要基于光电原理,抗干扰性好,但是生产工艺环节要求高,投入大,且易损坏。
磁性编码器是基于磁性原理,生产环节相对简单,也不易损坏,但是太容易被干扰,需要很完善的算法植入才能实时进行干扰抑制。
图 3 禾川伺服系统纵向产业链完整
图 4 禾川股份驱动器产品
整体而言,伺服系统必须要求伺服驱动器与伺服电机在搭配上实现无缝,也就是说好的伺服驱动器搭配好的伺服电机,才能整体提升伺服系统的性能。也正是伺服系统这一特性,往往专注于驱动器的厂家很难真正将伺服系统做好,因为伺服电机部分的研发与生产达不到要求。
1.2 国外伺服系统的现状
国外伺服系统较为活跃的主要是日系与欧系两大类。
日系伺服系统强调伺服驱动器与伺服电机的固定搭配,形成无缝连接,伺服电机的电机模型在出厂设置时就内建于搭配的驱动器软件内,无缝电机自学习,且能保证电机模型的高效运用,实现良好的矢量控制性能,这也符合高速、高精的OEM行业领域。正是基于这一点,日系伺服在OEM行业的占比一直是第一梯队。但是缺陷是日系伺服这一搭配机制很难实现大功率伺服系统。
欧系伺服系统与日系截然相反,其从最早的液压伺服、变频伺服的概念发展而来,更追求驱动器搭配多种电机规格,强调电机模型的自学习算法,通过优良的自学习来让驱动器实时掌握不同电机的数学模型,建立矢量控制,保证控制精度。这样的优点就是伺服系统的功率可以延伸很大,因为驱动器的大功率和基于专用大功率PMSM的结合是可行的,但是缺陷是无论如何基于自学习的电机模型是无法与完整的电机实际模型一致的,矢量控制的效果很难与日系相比。近10年来,欧系很多品牌也参考日系,推出了驱动器和电机匹配的伺服系统类型,从而弥补了这一缺陷。
总体来说,针对广大OEM行业,日系伺服系统的理念是更为合适的,因为这些OEM行业对功率的要求往往在22kw以下,日系伺服的功率缺陷完美的规避掉了,且控制性能的稳定和优良更为赢得客户的青睐。但是欧系伺服在控制算法上与日系是同一水准,自我调整后的欧系品牌同样具备一定的竞争力,但是在电机生产方面的效率和人工成本还是让其整体性价比落后于日系伺服,目前第一梯队还是日系占比高于欧系。
1.3中国伺服厂商现状
中国伺服系统的发展是比较晚的,最早是在2000年前后开始萌生,主要是从变频器品牌衍生过来。这样的特点其实还是重驱动器而轻电机,从而在很短的时间里面,中国伺服品牌没有像变频器那样对国外品牌形成较为激烈的竞争,因为毕竟解决一个驱动器是解决不了伺服系统的问题的,没有成熟、稳定且高效的伺服电机,伺服系统就失去了一个必要的环节。
进入2010年之后,中国自动化品牌迎来了第一波上市高峰,伴随着资本的引入,以及对伺服系统的伺服电机重要性的认知,伺服电机的生产环节开始被中国品牌所重视,较为成规模的电机生产工厂大批量涌现,从而使得中国伺服品牌开始对国外伺服进行一定的竞争。但是这一阶段,国产伺服电机在编码器轴承以及胶水等细节上还是依赖国外,整体竞争力有限,无法形成真正的竞争。
进入2018年后,国产伺服在编码器技术,国产化供应链环节上 取得长足进步,直接提升伺服系统的竞争力,开始形成对国外品牌的有力竞争。这其中,有例如汇川、埃斯顿等从中国伺服系统初期就稳步投入发展的品牌,也有禾川这样在核心技术环节上集中突破,实现快速发展的品牌。可以说当前的中国伺服品牌已经开始效仿变频器市场的发展,在中国市场全面提升了市场占有率,并形成主导态势。
2.中国伺服系统的突破方向
2025年将会是中国伺服系统一个至关重要的节点年份,通过未来5年的积累和发展,中国伺服系统要实现从当前市占率全面提升的阶段,走向伺服技术核心环节的核心竞争力阶段,从而实现对日系等伺服品牌的进一步优势竞争,其主要的方向可归纳为:
i.更为高阶的算法:主要是位置环处理单元,例如滤波器设计,电机数学模型动态自适应控制,主要体现在对电流变化的处理和把控上,结合速度回馈实时进行模型优化处理,这是目前国产伺服与日系、欧系高端品牌的主要差距点。
ii.更完整的自主化设计:在芯片、编码器等核心零部件和组件环节上,需要实现自主化,减少对国外的依赖。芯片环节尤为重要,2021年芯片短缺造成的供货紧张已经是刻骨铭心了。FPGA、SOC芯片需要率先自主化,乃至后续的主控芯片要赢得突破。同时编码器必须自主化,否则竞争力将会大打折扣。
iii.更完善的供应链体系:伺服系统的供应链环节对5S管理要求更高,从采购环节、生产与品质各部分都需要严格把控,降低品质问题,保证稳定的品牌形象。
iv.工业美学设计:与高精 、高速为象征的伺服系统符合的外形设计是至关重要的。
综合上述4点突破方向,将是国产伺服品牌需要认真去投入和沉淀的部分,当前国产伺服品牌繁多,在上述4点核心竞争力部分对比下,真正全面实现推进的品牌则太少。目前的TOP3国产伺服品牌公认的是:汇川 、台达 、禾川。
以禾川为例,2011年成立,2013年才完成工厂布局的禾川股份,其成立时间是最短的一个,在布局伺服系统产品线的时间也是很短暂的,其中国市场占有率在2021年达到4.4%(截止2021年上半年),成长速度可谓惊人。深入挖掘禾川的快速发展,主要是在上述4点核心竞争力上,禾川全力的突破,实现了核心竞争力特色,并持续完善,保持自身固有的竞争力。具体表现为:
i.推出Y7系列新款伺服驱动器:Y7优化X系列滤波与矢量控制算法,实现更优化的电流曲线特性与位置特性,提升控制性能。
ii.自主化芯片开始试机:FPGA与SOC自主化芯片开始试机,X系列新款驱动器实现自主化芯片突破。
iii.完善供应链体系:建立热处理工艺,进一步实现完整的纵向产业链,基于精加工、热处理、组装、测试与电子元器件整合生产。
iv.LCD显示率先批量化市场,提升整体驱动器美学设计。X2系列伺服马达紧凑型设计,符合OEM领域需求。除禾川股份外,中国伺服品牌正在形成集团化优势,正是在上述4点的核心竞争环节,不同品牌均在进行不同程度的投入,从而形成自身的特色竞争力环节,例如汇川、 台达 、 埃斯顿等,均是国产伺服的代表性品牌。
3.结论
中国伺服系统已经取得了长足的进步,开始对日系为代表的国外伺服品牌形成了有力的竞争,但是在核心环节上,仍然需要坚持投入与沉淀,才能从数量优势转变为质量优势,从而彻底形成中国伺服品牌的崛起。
大势已经不可逆,人才建设与市场活跃度已经达到了一个相当的层次,因此,中国伺服的进步仍然会在快车道,且内部优胜劣汰会加速,在核心环节投入持续的品牌将会逐步整合掉无特色竞争力的品牌;同时,对中国市场的适应程度较慢的国外品牌也会在与中国伺服品牌的竞争中退出,可以预见的是未来中国伺服品牌的Tier 1将是国产品牌为主。让我们共同期待!
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