伺服系统报告.docx

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1、一、相关概念伺服系统servomechanism又称随动系统，是用来准确地跟随或复现某个过程的反响掌握系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值的任意变化的自动掌握系统。它的主要任务是按掌握命令的要求、对功率进展放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置掌握格外敏捷便利。在机器人中，伺服驱动器掌握电机的运转。驱动器承受速度环，位置环，电流环三环闭环电路，内部还设有错误检出和保护电路。驱动器通过通信连接器，掌握连接器，编码连接器跟外部输入信号和输出信号相连。通信连接器主要用于跟电脑或掌握器通信。掌握连接器用于跟伺服掌握器联接，驱动器所需的输入信号、输

2、出信号、掌握信号和一些方式选择信号都通过该掌握连接器传输，它是驱动器最为关键的连接器。编码连接器跟电机编码器连接，用于接收编码器闭环反响信号，即速度反响和换向信号。伺服电机主要用于驱动机器人的关节。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的数量就越多。机器人对伺服电机的要求格外高，必需满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽，要适应机器人的形体做到体积小、重量轻，还必需经受频繁的正反向和加减速运行等苛刻的条件，做到高牢靠性和稳定性。伺服电机分为直流、沟通和步进，工业机器人用的较多的是沟通。机器人用伺服电机二、伺服系统的技术现状2.1 视觉伺服系统随着机器人技术的迅猛

3、进展,机器人担当的任务更加简单多样,传统的检测手段往往面临着检测范围的局限性和检测手段的单一性.视觉伺服掌握利用视觉信息作为反响，对环境进展非接触式的测量,具有更大的信息量，提高了机器人系统的敏捷性和准确性,在机器人掌握中具有不行替代的作用。视觉系统由图像猎取和视觉处理两局部组成,图像的猎取是利用相机模型将三维空间投影到二维图像空间的过程,而视觉处理则是利用猎取的图像信息得到视觉反响的过程。根本的相机模型主要包括针孔模型和球面投影模型 ,统一化模型是对球面模型的推广,将各种相机的图像映射到归一化的球面上。视觉伺服中的视觉反响主要有基于位置、图像特征和多视图几何的方法。其中,基于位置的方法将视觉

4、系统动态隐含在了目标识别和定位中，从而简化了掌握器的设计，但是一般需要目标物体的模型，且对图像噪声和相机标定误差较为敏感。基于图像特征的视觉反响构造方法，其中基于特征点的方法在以往的视觉伺服中应用较为广泛，争论较为成熟，但是简洁受到图像噪声和物体遮挡的影响，并且现有的特征提取方法在发生尺度和旋转变化时的重复性和精度都不是太好，在实际应用中存在较大的问题。因此，学者们提出了基于全局图像特征的视觉反响方法，利用更多的图像信息对任务进展描述，从而增加视觉系统的鲁棒性，但是模型较为简单，掌握器的设计较为困难，且可能陷入局部微小点。目前针对这一类系统的掌握器设计的争论还比较少 ,一般利用局部线性化模型进

5、展掌握,只能保证局部的稳定性。多视图几何描述了物体多幅图像之间的关系，间接反映了相机之间的几何关系。相比于基于图像特征的方法，多视图几何与笛卡尔空间的关系较为直接，简化了掌握器的设计。常用的多视图几何包括单应性、对极几何以及三焦张量。2.2 伺服系统掌握技术现代的机器人伺服系统多承受沟通伺服驱动系统，而且正在渐渐向数字化方向转变。数字掌握技术已经五孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字掌握器，把功能更加强大的掌握器芯片已经各种智能处理模块应用到工业机器人沟通伺服系统中，可以实现更好的掌握性能。最近几十年，由于微电子技术的进步，各种便利用户开发的微掌握器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先

6、进的智能掌握算法在掌握系统中的应用供给了可能。如今，各种型的伺服掌握策略大量涌现，大有与传统掌握策略一较凹凸的趋势下面简洁介绍几种：1） 矢量掌握 矢量掌握技术的提出，为沟通伺服驱动系统的快速进步供给了理论支持。矢量掌握技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流重量，且使两电流重量相互正交，同时对交直轴电流重量的幅值和相位进展掌握，可以获得像直流电机一样优越、甚至更好的动态掌握性能。2） 直接转矩掌握 德国专家提出“直接自掌握”的高性能沟通电动机掌握策略，此种掌握策略不需要像矢量掌握那样对电动机定子矢量电流进展大量而简单的解耦变换，

7、再通过掌握解耦获得的沟通电流重量来间接的掌握电动机电磁转矩，它承受定子磁场定向的掌握方式，对沟通电机的电磁转矩进展直接掌握。此方式只受电动机定子绕组阻值的影响，对其他参数的变动稳态性好，解决了矢量掌握受电动机本体参数影响大的缺点。开头有局部专家学者通过深入争论把直接转矩掌握理论引入到沟通同步电动机当中，完成了直接转矩掌握技术在沟通同步电动机伺服驱动领域的最大突破。3） 智能掌握 智能掌握理论是最近几十年的兴学科，它的快速进展为沟通永磁伺服掌握技术的进步注入了颖的血液。智能掌握技术由于其自身的理论特点，在非线性掌握领域中比经典掌握理论更具优势三、伺服系统市场现状3.1 行业规模由于我国在伺服系统

8、相关技术进展较晚难以与国外品牌竞争，直到 2023 年，中国参加WTO，中国企业在吸取国外先进技术阅历的前提下，开头自主研发伺服系统。至此，中国的伺服系统的市场份额有所提高。到了 2023 年市场容量 60 多亿元，比上年增长 22.0%。2023 年，由于国际经济的影响以及国内供求问题导致伺服市场下滑 14.9%。直到 2023 年下半年， 伺服市场才开头逐步回暖，上升幅度在 5%左右。现在中国的伺服系统市场仍由国外企业占据大半壁江山。2023 年我国伺服电机市场容量 23 多亿元，比上年增长 10.2%，伺服市场增长恢复稳定，这得益于国家相关的经济政策。2023 年伺服电机市场受国际经济疲

9、软和国内需求缺乏、产能过剩影响，市场下滑5.56%，近6 年来首次消灭下滑，且下滑幅度较大。2023 年中国伺服电机市场上半年仍缓慢下滑，下半年触底回温，全年涨幅约 8%。分析当前国内用户的购置因素，占前三位的是稳定牢靠性、价格和效劳。这也说明目前国内伺服电机市场还处在较低级的阶段，对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看，伺服厂商的关键成功因素应当是产品的性价比、牢靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。一批国内企业也在剧烈的市场竞争中渐渐成长起来。伺服电机市场竞争剧烈，品牌众多，日资和欧美品牌市场份额约 75%。其中安川、三菱、松下等日系品牌性能低于欧系，但牢靠性和稳定性强，性

10、价比高，最适合国内客户需求，约占50% 的份额；西门子、伦茨、博世力士乐等欧系品牌过载力量、动态响应、驱动器开放性好，但价格昂贵，约有 30%的份额；台系品牌使用简洁，性能接近日系，在中低端进展较快。国产伺服电机技术落后，集中在低端。国产伺服电机起步较晚， 2023 年以后开头研发，在功能、性能和工艺方面和国外产品仍有较大的差距，尤其是没有完全把握自适应机械共振抑制技术、自适应低频震惊技术和惯量动态前馈技术等关键技术。国产伺服电机以小功率的低端产品为主，以性价比的优势满足中小型和经济型用户的需求，高精度伺服电机还在技术攻关阶段。分析当前国内用户的购置因素，占前三位的是稳定牢靠性、价格和效劳。这

11、也说明目前国内伺服电机市场还处在较低级的阶段，对性能和功能的充分利用没有摆在重要位置。从长远来看，伺服厂商的关键成功因素应当是产品的性价比、牢靠性、技术含量、以及市场份额和品牌影响力。展望将来，随着伺服价格的不断下降、伺服市场承受度不断上升，中低端市场有格外大的增长空间，因此外乡厂商仍将有很大作为。随着需求的扩大和价格下行，性价比和满足定制化需求越来越重要，高端品牌的市场份额渐渐下降，中低端市场快速增长，国产伺服电机面临比较好的进展机遇。 国内近年来也开展了大功率沟通永磁同步电机及驱动局部根底争论和产业化，且具备了一点的生产力量，但其动态性能、开放性和牢靠性还需要更多的实际机器人工程应用进展验

12、证。国产品牌包括华中数控、兰州电机、和时利电机、广州数控、南京苏强电机、深圳雷赛电机等。汇川技术、埃斯顿等国内运动掌握厂商尚处于小批量试用阶段。但伺服电机需要在高动态的环境中经过长期大量的验证，稳定性没有经过验证的国产伺服电机难以获得客户认可。3.2 国内伺服系统标杆企业北超伺服简介北超伺服专注于制造电机与驱动、驱动与掌握结合的机电一体化伺服系统，是国内最大的主轴电机生产商之一。公司主要产品包括伺服电机和掌握器等，2023 年收入占比 26%和 60%。客户主要集中在高端装备制造和能源汽车领域，2023 年收入占比分别为 65%和 20%，此外， 工业机器人也是公司将来进展的重点领域。2023

13、 年公司收入为 1.31 亿元，同比增长 39.8%，净利润 2752.95 万元，同比增长 144.1%，毛利率和净利率维持在 30%以上，且有向好的趋势，得益于行业较高的技术水平。北超伺服分产品收入北超伺服近年分产品毛利率北超伺服近年毛利率和净利率3.3 伺服系统行业壁垒分析：技术、客户认可和资金伺服行业属于技术密集型行业。伺服系统整合了多项关键技术，包括自动化掌握技术、微电子技术、机电一体化技术和电机掌握技术等，而且随着下游行业的进展，需求者对伺服系统的要求也越来越高，伺服企业必需具备肯定的技术优势才能在该行业生存下去。客户特别看重产品稳定性和售后效劳。伺服系统直接影响整个工业设备的正常

14、运转，因此对其稳定性的要求格外高，客户通常会对伺服生产厂家进展长期考察，才会确定合作关系。然而，对于进入者而言，获得客户认可的难度很高。除了产品稳定性之外，售后效劳也是客户格外看重的一点，所以良好的售后效劳也是伺服行业内的企业必需去关注的。伺服系统的生产需要大规模的资金。在生产伺服系统的前期，企业需要投入大量资金，而且设备和生产工艺的磨合耗时较长，通常需要好几年才能形成生产力量，再加上赢得客户认可也需要消耗肯定的时间，企业必需要有足够的资金来支撑工程的运转。四、伺服系统将来进展趋势数字化沟通伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说， 伺服系统的进展趋势可以概括为以下几

15、个方面：1集成化 目前，伺服掌握系统的输出器件越来越多地承受开关频率很高的型功率半导体器件，这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。同一个掌握单元，只要通过软件设置系统参数，就可以转变其性能， 既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调整系统，又可以外接外部传感器如位置、速度、力矩传感器等，构成高精度的全闭环调整系统。高度的集成化显著地缩小了整个掌握系统的体积。2) 智能化 目前伺服内部掌握核心大都承受型高速微处理器和专用数字信号处理机DSP，从而实现完全数字化的伺服系统。伺服系统数字化是其实现智能化的前提条件。伺服系统的智能化表现在以下

16、几个方面：系统的全部运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置；其次它们都具有故障自诊断与分析功能；以及参数自整定的功能等。众所周知，闭环调整系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要消耗较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。3) 网络化 伺服系统网络化是综合自动化技术进展的必定趋势，是掌握技术、计算机技术和通信技术相结合的产物，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和掌握装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。现场总线现已被广泛应用在伺服系统之间、伺服系统和其它外围设备如人机界面 HM

17、I、可编程掌握器 PLC 等信息交互传输。现场总线有如下几个类型 FF；ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet、CAN 等。这些通讯协议都为多轴实时同步掌握供给了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去，从而使伺服系统到达了分布、开放、互联以及高牢靠性。4简易化 这里所说的“简”不是简洁而是精简，是依据用户状况，将用户使用的伺服功能予以强化，使之专而精，而将不使用的一些功能予以精简，从而降低了伺服系统本钱，为客户制造更多的收益，且通过精简一些元器件，削减了资源的铺张从而利于环保。这里所说的“易”是指，伺服系统的软件编程及操作是从用户角度动身开发设计，力求简洁

18、易行，使用户调试时只需简洁。五、机器人伺服系统将来进展动力将来几年，中国工业机器人市场将大幅度增长，而效劳型机器人在世界各地各掀起热浪，扫地机器人，擦玻璃机器市场如火如荼，推测效劳机器人市场将超工业机器人。面对巨大的机器人市场，机器人伺服电机的需求量也将水涨船高。国务院中国制造 2025中指出，为了推动信息化与工业化深度融合，应加快进展智能制造装备和产品。组织研发具有深度感知、才智决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线，突破型传感器、智能测量仪表、工业掌握系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置，推开工程化和产业化。报告中提出的大力推动的重点进展领域，其中包括机器人本体、减速器、伺服电机、掌握器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。