從市場(chǎng)數據來(lái)看，中國伺服市場(chǎng)規模依舊保持穩步上升趨勢，國產(chǎn)品牌占比有所提高，占比30%左右，但在性能方面距離國際領(lǐng)先水平尚有差距，大部分市場(chǎng)仍然被外資品牌占據，高端伺服幾乎被壟斷。就技術(shù)而言，高精度、高速度、高頻響、智能化是伺服系統永恒的主題。在基本性能指標上，以日系的為例，最高轉速可以達到6000rpm，最大轉矩3.5倍，頻響速度3.1kHz，帶寬的測試指標依照國家的標準測試來(lái)很難達到。
隨著(zhù)新器件、新控制器的出現，伺服技術(shù)出現了新的機遇。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環(huán)性能理論上限；其次，控制系統的SoC控制芯片有了多核異構的突破，運算速度更快，實(shí)現并行處理，可以承擔更強大的算法；第三是包含辨識、整定、診斷、抗擾等功能在內的智能免調試驅動(dòng)算法。
新器件:寬禁帶半導體的推廣
寬禁帶半導體材料具備禁帶寬度、高擊穿場(chǎng)強、高溫可靠性、高開(kāi)關(guān)頻率等優(yōu)勢，得到了電力電子系統性能全面提升。其應用場(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；②高頻驅動(dòng)應用，可以有效降低低感電機溫度或是明顯提高高速電機載荷比；③電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等高功率等級應用；④高功能密度應用，即電機與驅動(dòng)器的一體化，尤其是微小型驅動(dòng)器。
但寬禁帶器件也有系列負面效應：①硬件穩定性問(wèn)題：快速的高頻特性和開(kāi)關(guān)速度造成EMI問(wèn)題；電機作為反電動(dòng)勢負載更容易引發(fā)串擾、電壓振蕩問(wèn)題；除了價(jià)格，器件硬件本身的穩定性也造成了制約。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高頻應用場(chǎng)合損耗問(wèn)題：高頻應用確有好處，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)現真正的產(chǎn)業(yè)應用尚有距離。
有關(guān)這一系列的問(wèn)題，技術(shù)上也有一些優(yōu)勢和苗頭。
源柵極驅動(dòng)技術(shù)增加了系統成本，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)擴頻調質(zhì)提高EMI通過(guò)率或通過(guò)輸出濾波器將方波轉變?yōu)檎也?，有利于長(cháng)線(xiàn)傳輸，有效控制整個(gè)電機系統EMI。
在電動(dòng)車(chē)電機驅動(dòng)領(lǐng)域，寬禁帶器件已經(jīng)有大規模應用趨勢，特別是車(chē)載電機系統高壓化趨勢，提高續程的里程。日產(chǎn)車(chē)采用SiC電機控制器，功率密度可以達到100kw/L，是中國目前業(yè)內最高的，且具備非常寬范圍內可達到99%以上的高效率
電機驅控一體化理念，是美國能源部提出的在2020年實(shí)現基于寬禁帶器件的電機與驅動(dòng)器一體化設計，整體目標體量減少35%，重量降低35%，能耗降低40%，也就是電機+驅動(dòng)或電機+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)品達成了400w功率，開(kāi)關(guān)頻率50kHz，可以實(shí)現靜音化。
微小型高功率密度驅動(dòng)器主要是以色列Elmo，有著(zhù)超小體積和超輕重量。寬禁帶半導體器件為我們提供了彎道超車(chē)的機遇。今年哈工大開(kāi)發(fā)的寬禁帶器件讓松下、安川常規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驅動(dòng)器可以達到20A，SiC驅動(dòng)器的峰值電流可以達到50A以上，滿(mǎn)足項目初級要求，實(shí)際峰值電流還可繼續升到60A以上。
新架構:驅控一體化技術(shù)的入局
針對應用場(chǎng)合，驅控一體化技術(shù)會(huì )出現兩種趨勢：無(wú)人工廠(chǎng)、自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)等物理空間相對分散的場(chǎng)所采用將驅動(dòng)和電機結合的方式，而工業(yè)機器人、數控機床等應用空間相對比較緊湊的場(chǎng)合，更提倡把運動(dòng)控制和伺服驅動(dòng)結合一體。
傳統運動(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“驅控一體”架構，并在國內外都有相關(guān)的應用案例。
目前，產(chǎn)品級驅控一體國內外都是把多軸做到一個(gè)空間內，軸與軸之間還是基于以太網(wǎng)技術(shù)通過(guò)總線(xiàn)連接，只去掉了對外接口。算法上，常規工業(yè)機器人指令形式和信息反饋較簡(jiǎn)單，數據交互相對較少，運動(dòng)控制和驅動(dòng)耦合也較少，底層伺服只被動(dòng)接受控制器的指令，對未來(lái)指令的規劃無(wú)法獲知。因此我們希望通過(guò)在一個(gè)芯片上就實(shí)現驅動(dòng)控制的一體化，真正省掉總線(xiàn)，只通過(guò)芯片系統的內存來(lái)實(shí)現信息共享。
目前，驅控一體在工業(yè)機械臂上已有現場(chǎng)應用案例，希望未來(lái)通過(guò)更強大的單芯異構芯片可以去掉所謂的護欄。
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整個(gè)電機系統。最成熟是增加震動(dòng)傳感器，產(chǎn)品像醫生一樣把聽(tīng)診器放到關(guān)心部位上，通過(guò)系列數據分析得到機構的健康情況?；谛盘栐匆约盃顟B(tài)辨識，提出了遠程無(wú)損化的電氣化故障診斷。
國內這一技術(shù)目前幾乎沒(méi)有，日系三菱提出了基于皮帶輪、齒輪在線(xiàn)的故障診斷，以及羅克韋爾有集成化、外部采集、網(wǎng)端監測的狀態(tài)監測技術(shù)。若在伺服驅動(dòng)器中集成類(lèi)似功能，將極大增強國產(chǎn)伺服的競爭力，且附加產(chǎn)品不需要任何硬件成本。
故障分類(lèi)可分為電機本體、裝配安裝和傳動(dòng)系統故障。根據發(fā)生率，哈工大與西門(mén)子公司開(kāi)展關(guān)于軸承、不對中、不平衡等多種類(lèi)型故障的診斷報警算法研究。目前診斷流程為電機信號采集、故障特征提取和系統狀態(tài)識別，主要難點(diǎn)在于不同故障特征混疊、噪聲信號干擾以及運行條件影響。
哈工大有著(zhù)一系列的實(shí)驗平臺和實(shí)驗設備，可檢測齒輪、減速器、電機本身軸承等的故障，以及電機偏角的檢測，包括在線(xiàn)快速檢測出來(lái)安裝時(shí)發(fā)生偏心造成的安裝不對中故障等。
新標準:精準的集成評測體系
高性能伺服市場(chǎng)化時(shí)，品牌性能不統一，測試方法不公平，造成用戶(hù)選型障礙。哈工大構建了系列精準集成評測系統，包括直線(xiàn)電機、通用伺服、高速電機、機器人、間隙等，配備系列測試標準，目前已經(jīng)完成20多家企業(yè)產(chǎn)品測試，通過(guò)統一的行業(yè)標準進(jìn)行測試。未來(lái)，哈工大正在積極形成工業(yè)機器人專(zhuān)用伺服電機和驅動(dòng)器的評測標準。
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，形成驅控一體化及電機驅動(dòng)一體化，并加入減速器，再結合軟件的智能化、在線(xiàn)健康監測算法，形成“ALL? IN? ONE”的時(shí)代。