從市場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看，中國(guó)伺服市場(chǎng)規(guī)模依舊保持穩(wěn)步上升趨勢(shì)，國(guó)產(chǎn)品牌占比有所提高，占比30%左右，但在性能方面距離國(guó)際領(lǐng)先水平尚有差距，大部分市場(chǎng)仍然被外資品牌占據(jù)，高端伺服幾乎被壟斷。就技術(shù)而言，高精度、高速度、高頻響、智能化是伺服系統(tǒng)永恒的主題。在基本性能指標(biāo)上，以日系的為例，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6000rpm，最大轉(zhuǎn)矩3.5倍，頻響速度3.1kHz，帶寬的測(cè)試指標(biāo)依照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試來(lái)很難達(dá)到。

　　隨著新器件、新控制器的出現(xiàn)，伺服技術(shù)出現(xiàn)了新的機(jī)遇。首先是寬禁帶功率器件，即硬件底層開(kāi)關(guān)器件，有了更高開(kāi)關(guān)頻率，從而得到了更高的空間密度和伺服內(nèi)環(huán)性能理論上限；其次，控制系統(tǒng)的SoC控制芯片有了多核異構(gòu)的突破，運(yùn)算速度更快，實(shí)現(xiàn)并行處理，可以承擔(dān)更強(qiáng)大的算法；第三是包含辨識(shí)、整定、診斷、抗擾等功能在內(nèi)的智能免調(diào)試驅(qū)動(dòng)算法。

　　新器件:寬禁帶半導(dǎo)體的推廣

　　寬禁帶半導(dǎo)體材料具備禁帶寬度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高溫可靠性、高開(kāi)關(guān)頻率等優(yōu)勢(shì)，得到了電力電子系統(tǒng)性能全面提升。其應(yīng)用場(chǎng)合有：①極端環(huán)境，特別是高溫環(huán)境下有非常大的優(yōu)勢(shì)；②高頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，可以有效降低低感電機(jī)溫度或是明顯提高高速電機(jī)載荷比；③電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等高功率等級(jí)應(yīng)用；④高功能密度應(yīng)用，即電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的一體化，尤其是微小型驅(qū)動(dòng)器。

　　但寬禁帶器件也有系列負(fù)面效應(yīng)：①硬件穩(wěn)定性問(wèn)題：快速的高頻特性和開(kāi)關(guān)速度造成EMI問(wèn)題；電機(jī)作為反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載更容易引發(fā)串?dāng)_、電壓振蕩問(wèn)題；除了價(jià)格，器件硬件本身的穩(wěn)定性也造成了制約。②電磁兼容問(wèn)題：高dv/dt以及高頻開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生更高的共模EMI。③高頻應(yīng)用場(chǎng)合損耗問(wèn)題：高頻應(yīng)用確有好處，但是也造成損耗的增大。④成本問(wèn)題：寬禁帶器件價(jià)格是器件的3-5倍，實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用尚有距離。

　　有關(guān)這一系列的問(wèn)題，技術(shù)上也有一些優(yōu)勢(shì)和苗頭。

　　源柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)增加了系統(tǒng)成本，Elmo能夠做到那么高的效率就是通過(guò)將源柵極部分的電路做成了集成芯片。

　　EMI抑制問(wèn)題，可以通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)質(zhì)提高EMI通過(guò)率或通過(guò)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ǎ欣陂L(zhǎng)線傳輸，有效控制整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)EMI。

　　在電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，寬禁帶器件已經(jīng)有大規(guī)模應(yīng)用趨勢(shì)，特別是車載電機(jī)系統(tǒng)高壓化趨勢(shì)，提高續(xù)程的里程。日產(chǎn)車采用SiC電機(jī)控制器，功率密度可以達(dá)到100kw/L，是中國(guó)目前業(yè)內(nèi)最高的，且具備非常寬范圍內(nèi)可達(dá)到99%以上的高效率

　　電機(jī)驅(qū)控一體化理念，是美國(guó)能源部提出的在2020年實(shí)現(xiàn)基于寬禁帶器件的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器一體化設(shè)計(jì)，整體目標(biāo)體量減少35%，重量降低35%，能耗降低40%，也就是電機(jī)+驅(qū)動(dòng)或電機(jī)+減速器，是未來(lái)的一個(gè)普遍方向。日本安川2017年推出商用化伺服產(chǎn)品達(dá)成了400w功率，開(kāi)關(guān)頻率50kHz，可以實(shí)現(xiàn)靜音化。

　　微小型高功率密度驅(qū)動(dòng)器主要是以色列Elmo，有著超小體積和超輕重量。寬禁帶半導(dǎo)體器件為我們提供了彎道超車的機(jī)遇。今年哈工大開(kāi)發(fā)的寬禁帶器件讓松下、安川常規(guī)的伺服器件功率有很大提升，經(jīng)過(guò)5輪以上開(kāi)發(fā)，最后GaN驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到20A，SiC驅(qū)動(dòng)器的峰值電流可以達(dá)到50A以上，滿足項(xiàng)目初級(jí)要求，實(shí)際峰值電流還可繼續(xù)升到60A以上。

　　新架構(gòu):驅(qū)控一體化技術(shù)的入局

　　針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合，驅(qū)控一體化技術(shù)會(huì)出現(xiàn)兩種趨勢(shì)：無(wú)人工廠、自動(dòng)化產(chǎn)線等物理空間相對(duì)分散的場(chǎng)所采用將驅(qū)動(dòng)和電機(jī)結(jié)合的方式，而工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等應(yīng)用空間相對(duì)比較緊湊的場(chǎng)合，更提倡把運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)合一體。

　　傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制方案基于位置指令脈沖或是工業(yè)以太網(wǎng)，成本比較高。我們提出了基于SoC控制芯片的“驅(qū)控一體”架構(gòu)，并在國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)的應(yīng)用案例。

　　目前，產(chǎn)品級(jí)驅(qū)控一體國(guó)內(nèi)外都是把多軸做到一個(gè)空間內(nèi)，軸與軸之間還是基于以太網(wǎng)技術(shù)通過(guò)總線連接，只去掉了對(duì)外接口。算法上，常規(guī)工業(yè)機(jī)器人指令形式和信息反饋較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)交互相對(duì)較少，運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)耦合也較少，底層伺服只被動(dòng)接受控制器的指令，對(duì)未來(lái)指令的規(guī)劃無(wú)法獲知。因此我們希望通過(guò)在一個(gè)芯片上就實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制的一體化，真正省掉總線，只通過(guò)芯片系統(tǒng)的內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)信息共享。

　　目前，驅(qū)控一體在工業(yè)機(jī)械臂上已有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例，希望未來(lái)通過(guò)更強(qiáng)大的單芯異構(gòu)芯片可以去掉所謂的護(hù)欄。

　　新功能:智能化電氣法故障診斷

　　智能化電氣法故障診斷是針對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)。最成熟是增加震動(dòng)傳感器，產(chǎn)品像醫(yī)生一樣把聽(tīng)診器放到關(guān)心部位上，通過(guò)系列數(shù)據(jù)分析得到機(jī)構(gòu)的健康情況。基于信號(hào)源以及狀態(tài)辨識(shí)，提出了遠(yuǎn)程無(wú)損化的電氣化故障診斷。

　　國(guó)內(nèi)這一技術(shù)目前幾乎沒(méi)有，日系三菱提出了基于皮帶輪、齒輪在線的故障診斷，以及羅克韋爾有集成化、外部采集、網(wǎng)端監(jiān)測(cè)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。若在伺服驅(qū)動(dòng)器中集成類似功能，將極大增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)伺服的競(jìng)爭(zhēng)力，且附加產(chǎn)品不需要任何硬件成本。

　　故障分類可分為電機(jī)本體、裝配安裝和傳動(dòng)系統(tǒng)故障。根據(jù)發(fā)生率，哈工大與西門子公司開(kāi)展關(guān)于軸承、不對(duì)中、不平衡等多種類型故障的診斷報(bào)警算法研究。目前診斷流程為電機(jī)信號(hào)采集、故障特征提取和系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別，主要難點(diǎn)在于不同故障特征混疊、噪聲信號(hào)干擾以及運(yùn)行條件影響。

　　哈工大有著一系列的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可檢測(cè)齒輪、減速器、電機(jī)本身軸承等的故障，以及電機(jī)偏角的檢測(cè)，包括在線快速檢測(cè)出來(lái)安裝時(shí)發(fā)生偏心造成的安裝不對(duì)中故障等。

　　新標(biāo)準(zhǔn):精準(zhǔn)的集成評(píng)測(cè)體系

　　高性能伺服市場(chǎng)化時(shí)，品牌性能不統(tǒng)一，測(cè)試方法不公平，造成用戶選型障礙。哈工大構(gòu)建了系列精準(zhǔn)集成評(píng)測(cè)系統(tǒng)，包括直線電機(jī)、通用伺服、高速電機(jī)、機(jī)器人、間隙等，配備系列測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)完成20多家企業(yè)產(chǎn)品測(cè)試，通過(guò)統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。未來(lái)，哈工大正在積極形成工業(yè)機(jī)器人專用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　最后，希望能通過(guò)寬禁帶功率器件和控制器、SoC芯片等底層與上層軟件的集成，形成驅(qū)控一體化及電機(jī)驅(qū)動(dòng)一體化，并加入減速器，再結(jié)合軟件的智能化、在線健康監(jiān)測(cè)算法，形成“ALL? IN? ONE”的時(shí)代。