隨著工業自動化的發展，越來越多的領域開始使用工業機器人代替人力。對于機器人制造商和機器人消費者而言，選擇合適的伺服電機始終是一項艱難的任務。機器人的關節驅動離不開伺服系統，關節越多，機器人的柔性和精準度越高，所需要使用的伺服電機數量就越多。伺服電機影響著機器人的手臂控制，如位置、角度和線性運動，它的性能差異將直接影響機器人的能力水平。

　　什么是伺服電機？

　　在談及國產工業機器人時，一個常見的論調是“國產機器人三大核心部件——減速器、伺服電機、控制器——仍高度依賴進口產品，限制了本土機器人的發展”。什么是減速器，機器人網（jqr.com）此前已做過相關梳理，本文將重點介紹伺服電機及其市場概況，希望能給各位讀者帶來收獲。如內容出現錯誤，歡迎留言指出，幫助小編繼續學習。

　　電機主要用于驅動機器人的關節，它被視為機器人的執行單元，是影響機器人工作性能的主要因素。在當前市場上，機器人常用的電機有微振動電機、伺服電機、直線電機、步進電機和直流減速電機，由于需要被安裝在各關節上控制關節運動，判斷電機好壞的標準是是否有最大功率質量比和扭矩慣量比、是否有高啟動轉矩及是否有低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。其中，伺服電機因為有較高的可靠性和較大的短時過載能力，能夠配合機器人末端執行器（EOAT）一起工作，因此在工業機器人上應用廣泛。

　　“百度百科”對伺服電機的定義是這樣的：

　　伺服電機（servo motor）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬達間接變速裝置。

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

　　伺服電機是一種常見的自動化機械元件，適用于有動力源、有一定精度要求的加工場景，如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人及自動化生產線。因為最初是應軍事機械的要求而生，它的突出優點是高精度和高可靠性。

　　伺服電機分類

　　無刷直流電動機（BLDCM）因其控制簡單、成本低廉、檢測裝置簡單、系統實現相對容易，被廣泛應用在各個領域。同步型交流伺服電動機中的三相永磁同步電動機（PM·SM）運行平穩、具有低速伺服性能，因此是高性能高精度的數控機床、工業機器人使用的主要類型。

　　不同類型的伺服電機性能比較

　　機種永磁同步型AC伺服電動機異步型AC伺服電動機

　　電機構造比較簡單簡單

　　最大扭矩約束永磁體去磁磁路飽和

　　發熱情況發熱量低發熱量高

　　功率變化率高低

　　響應速度快比較快

　　轉動慣量小大

　　高速化比較容易容易

　　制動容易復雜

　　可靠性好好

　　環境適應性好好

　　來源：《淺談工業用伺服機器人系統的關鍵技術及發展前景》

　　如今一般伺服電機都追求高精度、高可靠性、高熱容量、高剛度、輕量化和高響應性等性能。國際上主要伺服電機廠家的電機手冊也一般會收錄機械時間常數、電器時間常數、發熱時間常數、轉動慣量和過載運動能力等參數，這些都是伺服電機的主要參考指標。

　　不同伺服電機的性能參數

　　品牌FanucSanyoLust

　　功率（kW）2.52.72.5

　　額定轉速（rpm）300015003000

　　機械時間常數（ms）20.89/

　　電氣時間常數（ms）/1916.1

　　發熱時間常數（min）25/50

　　轉動慣量（kg·m2）0.002280.003410.00086

　　尺寸（mm）130×247180×204142×192

　　功率變化率2.8e48.6e47.4e4

　　來源：《淺談工業用伺服機器人系統的關鍵技術及發展前景》

　　工業機器人用伺服電機的技術難點

　　一般來說，工業機器人對伺服電機的性能要求主要有以下幾個方面：

　　電機轉動的慣量要小，具有低的機械時間常數和電磁時間常數以及高的品質因數，即單位時間內可給出更大的瞬時功率。

　　足夠寬的調速范圍，在零速度附近可控。低速運轉平穩，力矩波動小。

　　高的功率/體積比和高的功率/重量比。因為這些伺服控制電機通常裝在機器人運動的關節上，為機器人的負載，所以要求重量輕、體積小。

　　伺服狀態特性好。為機器人能穩定地進行操作，在伺服定位、電機堵轉時仍能輸出最大的力矩。

　　外形扁薄小巧美觀。它是機器人外觀的決定性因素之一，不僅要適應與機器人給定的小尺寸，而且伺服電機的外形越復雜，機器人外觀結構設計越困難，同時外形的復雜也使粉塵易于堆積。

　　全封閉式的構造。伺服電機做成封閉結構主要是為了適應多粉塵、還有腐蝕性物質的生產現場。

　　環境適應性強，而且輸出的電線、電纜要柔軟。

　　易于維護，電機要有一定的容錯性和相關保護設備。

　　隨著電力電子技術的不斷發展，如今電力半導體技術已經由過去的整流二極管、晶閘管、GTO、GTR、P-MOSFET發展到現在的IGBT、IPM等，再加上控制策略的不斷進步，現在工業機器人用伺服電機已經不局限于低頻率和低極數，而是隨著應用的場合可以靈活地改變，以獲取更好的性能和更低的價格。

　　工作制與發熱

　　工業機器人一般運行在頻繁加速、啟停的情況下，由于這種特殊的運行方式’其伺服電機很大程度上受到了溫度的限制，不僅僅是額定轉矩點的溫度特性對工業機器人伺服電機來說很重要，整個運行空間的運行溫度由加減速轉矩與維持轉矩的工作制運行來決定。

　　轉動慣量

　　伺服電機的轉動慣量是伺服驅動中非常重要的關鍵點，在機械系統加速運行的時候，伺服電機不僅要提供給負載加速轉矩，而且要提供給自身加速轉矩，所以伺服電機的轉動慣量和系統的轉動慣量的配合十分重要。

　　轉矩質量

　　工業機器人伺服電機要求轉矩的平滑性，要求電機具有比較低的轉矩脈動以及較平穩的轉矩常數。平穩的轉矩常數通常需要伺服電機有比較高的抗飽和能力，而且要細致考慮鐵耗與摩擦損耗對轉矩常數的影響，一般需要合理精致的伺服電機電磁與結構的設計才能滿足轉矩質量要求。

　　高響應能力

　　工業伺服電機系統追求比較高的響應能力，影響伺服系統的響應能力的因素一般有電機轉動慣量、減速比、加減速轉矩、電機結構、控制策略等，高響應能力還與電機的發熱密切相關。

　　磁鋼退磁

　　為了使伺服電機具有高性能，目前普遍使用釹鐵硼永磁體來提供磁場，但它對溫度比較敏感，在高溫環境下容易發生不可逆退磁。工業機器人用伺服電機需要有高過載能力，更需要較高的電樞反應，因此轉子永磁體上感應出的渦流損耗通常很大，永磁體易升溫，所以對伺服電機的溫度計算和永磁體保護的要求比較高。

　　伺服電機的市場前景

　　伺服系統下游應用廣泛，隨著工業機器人市場不斷升溫，近年來，伺服電機市場中工業機器人的比例水漲船高。2015年，中國伺服電機市場規模已達到122億元，其中工業機器人占比8.7%，市場規模約為10.6億元。

　　工業機器人和數控機床的快速增長也在一定程度上刺激了伺服電機市場的發展。

　　中國機器人產業正處于大變革時代。據知名行業數據機構IDC預測，到2020年，中國機器人市場規模將達到594億美元，中國市場將占全球機器人市場總量的30%以上。同時，目前中國已經取代德國，成為全球最大的數控機床市場，據政府相關報告，未來我國中高端數控機床市場仍將繼續保持增長，到2020年，我國數控機床行業的資產規模將到達2700億元。

　　《2015－2019年全球工業機器人伺服電機行業報告》顯示，2013年開始，中國成為世界最大的工業機器人市場，2014年，中國市場上伺服電機的銷量已飆升到全球伺服電機銷量的55％。