话接上篇，特斯拉Optimus人形机器人拥有40个自由度，优必选人形机器人walke X含有41个高性能伺服驱动关节，达闼机器人Cloud Ginger 2.0采用41个柔性智能关节，傅利叶通用人形机器人GR-1全身更是多达51个自由度。理论上每个关节对应一个伺服系统，对应是市场增量与减速器相当，但是各家人形的伺服方案又有很大不同。今天笔者将和大家一起学习伺服系统的原理，伺服行业国内领先的企业的行业概况。
一、伺服系统
1.1、伺服定义
伺服系统是使系统终端执行结构根据控制指令实现包括位移、转速和力矩等多维度动作的设备总称，主要包括伺服驱动器、伺服电机两部分。伺服驱动器接受上位机发送的信号，然后转换为功率信号，即能够控制电机的电流，驱动电机工作，编码器作为核心传感器将电机实时位置传送回驱动器，驱动器及时修正信号指令，确保电机位置、转向、转速满足预定要求。
图|伺服系统工作原理示意图
来源：伟创电气招股书
1.2、分类
伺服系统产品种类丰富，按照功率大小可以分为小型伺服、中型伺服、大型伺服；按照末端执行机构种类可以分为电气伺服、液压伺服、气动伺服。目前应用最为广泛的是电气伺服系统，电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流伺服系统和交流伺服系统。
表|伺服系统产品分类、特点及应用领域
来源：伟创电气招股书
1.3、成本占比
伺服系统的基本组成部分包括电机、编码器、驱动器、控制器等。从成本构成上看，驱动器成本占整个伺服系统成本的42%，电机的成本占比约35%，编码器成本占比约为11%。而对于驱动器来说，主要结构包括控制芯片、电源模块、信号采集模块、功率放大器、过热保护电路和控制面板等部分，控制芯片是核心，成本占比超过50%。控制芯片的性能关系到伺服驱动器的响应速度和控制精度。此外，电源模块主要用于向伺服电机供电，信号采集模块用于采集电机转子的位置、速度、加速度等运动信息，产生控制信号。从成本端看，伺服驱动主要成本为材料费用，其中IGBT、DSP芯片占总材料成本的50%以上。
二、人形机器人主要伺服方案
当前各人机产品在关节驱动器零部件选用细节上略有差异，主要与驱动器方案的选择有关，而不同方案的选择往往是应用场景和制造成本之间权衡的结果。优必选采用伺服驱动器，达闼自主研发的一种高集成化、高性能的智能柔性关节SCA，而特斯拉采用无框力矩电机方案。
表|典型人机产品执行器方案
来源：华宝证券
2.1、优必选机器人伺服方案
伺服驱动器是机器人的关节，是开发机器人控制和运动能力的关键硬件。伺服驱动器由电机、伺服控制器、伺服控制算法、减速器、传感器及其他组件组成。能够实现多样化、灵活精确的运动，并进行安全、平稳、准确和敏捷的关节运动的同时执行复杂的任务。
优必选设计并制造具有不同扭矩的伺服驱动器，以便应用于我们不同形状及大小的服务机器人，以使其应用于不同行业。
2.1.1、大型伺服驱动器
大扭矩伺服驱动器集成了高密度无框力矩电机、双位置编码器、行星/谐波减速器和高性能处理控制器，形成一体化，可以满足高功率密度、大扭矩输出的需求。目前支持最大扭矩≥200Nm。
图|优必选中大型伺服方案
来源：优必选官网
2.1.2、中小型伺服驱动器
在电机控制算法、减速器设计和电机设计三个维度进行深入研究，形成中小型伺服舵机开发一站式解决方案
图|优必选中小伺服方案
来源：优必选官网
两种伺服的应用场景主要是大型人形机器人Walker、机械臂、人形机器人Alpha系列，服务机器人Cruzr，教育机器人Jimu系列，消杀机器人ADIBOT。
2.2、达闼机器人伺服方案
达闼的伺服方案为自主研发，进行了两轮迭代升级，命名为MINTASCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性关节,有SCA1.0和SCA2.0两个系列。SCA集成新型伺服电机、底层伺服驱动、高精度编码器、高精度减速器于一体，体积仅为传统伺服系统的十分之一；具备高度集成、总线控制、大扭矩输出、低成本及易使用性等特点，是大多数机器人最核心的运动关节。
图|达闼伺服方案升级历程
来源：达闼官网
达闼优化了外转子无刷伺服电机，优化后的电机扭矩密度更高，在体积小的情况下可以输出更大的扭矩，同时进行了优良的散热设计。
图|达闼伺服方案结构图
来源：达闼官网
三、国内主要伺服企业
3.1、汇川技术
在伺服系统领域，也涌现了汇川技术、埃斯顿等一批国内领先厂商。根据睿工业统计数据，2023 年上半年，公司通用伺服系统在中国市场份额约 24.3%，位居第一名（排名第二、三、四位的厂商及市占率分别：西门子，10.6%；安川，9.4%；台达，6.2%）。
2023 年上半年，公司研发人员合计 4922 人，研发投入 12.95 亿元，研发费用率为 10.4%。公司累计获得 3,067 个专利及软件著作权。通过持续的高比例研发投入，进一步提升了电机与驱动控制、工业控制软件、新能源汽车电驱总成、数字化、工业机器人等方面的核心技术水平，巩固了在该领域的领先地位。
3.1.1、单轴伺服系统
汇川单轴伺服系统高性能中小功率的交流伺服系统。系列产品功率范围从50W到7.5kW，支持脉冲、Ethercat、Profinet、Canlink、Canopen、Modbus控制方式，灵活匹配各种类型的上位机。
表|汇川技术伺服产品
来源：汇川技术官网
SV680系列旗舰型伺服驱动器融合汇川汽车级质量设计标准与比较完善的可靠性分析和测试方法。3.5KHz速度环带宽，26bit安全型多圈绝对值电机，7000rpm最高转速。标配STO与动态制动，标配EtherCAT总线FSoE功能，扩展SS1/SS2/SLS/SBC/SOS/SSM/SDI功能，内置抱闸输出与PTC检测，CE/UL/KC/TUV认证。
图|汇川技术伺服产品
来源：汇川技术官网
根据MIR数据，汇川2023 伺服实现收入 60.3亿元，份额约为28%，进一步实现提升。
3.2、禾川科技
禾川科技的主要产品包括伺服系统、PLC 等，覆盖了工业自动化领域的控制层、驱动层和执行传感层，并在近年沿产业链上下游不断延伸，涉足上游的工控芯片、传感器和下游的高端精密数控机床等领域。其中，伺服系统作为公司的核心产品，搭载自主研发的编码器，在定位精度、速度控制、额定转矩等核心性能指标上均具有较强竞争力，在国内品牌厂商中保持优势地位，2020 年公司通用伺服系统的市场占有率约为 3%，国产品牌中位列第二。
公司多年来不断完善伺服产品布局，产品目前已广泛应用于光伏、锂电、机器人、3C电子、包装、纺织、物流、木工、激光等行业，覆盖客户包括比亚迪、工业富联、宁德时代、三通 一达、隆基股份、捷佳伟创、迈为股份、先导智能、蓝思科技、埃夫特、卡诺普等多家行业龙头企业。
表|禾川科技伺服产品列表
来源：禾川科技公告
截至 2023年6月30日，公司共拥有研发人员548 名，占公司员工总数的27.21%；公司研发投入为6,779.01万元，占本期营业收入的11.27%；公司在研项目32个，累计获得各项知识产权361项，本年新增49项。
公司的伺服系统搭载自主研发的编码器，在转矩精度、速度波动率、速度环带宽、控制周期 等性能参数方面已接近国外主流品牌同类可比产品水准，并可以配合多种总线控制，拥有自调整、模型跟踪、制振等功能，大幅提高产品易用性的同时可以有效抗扰动并保持运行稳定。
公司已自主研发出具有较大优势的编码器和工控芯片，在技术先进性及成本优势上取得了较大突破。公司的磁编码器分辨率最高可达21位，光编码器分辨率最高可达23位，精度可 达±20角秒，采用差分串行输出信号，能够有效防止外部干扰，即使在极为恶劣（油污、振动、高温等）的工作环境中也可提供可靠的速度和位置数据，掌握核心技术的同时降低了公司伺服电机的制造成本。
3.3、伟创电气
伟创电气研制生产的伺服系统包括通用伺服系统和行业专机，其中，通用伺服系统主要有 SD600 和 SD700 系列，电压等级涵盖 48VDC、220VAC、380VAC，功率范围涵盖50W至55kW；行业专机产品有 SD500、SD650、EHS100、VC600 系列；运动控制器主要有V5系列。伺服系统与运动控制器产品广泛应用于机床、印刷包装、纺织机械、木工机械、机器人/机械手、电子设备等各种行业。
图|伟创电气伺服产品
来源：伟创电气公告
SD700 伺服系统是在公司全新技术平台上开发的一款高性能的伺服系统，通过 FPGA 实现电流环算法，大幅提升了伺服系统的响应带宽，除了基础性能的提升外，同时在易用性上突破了智能调整、鲁棒控制、高低频振动抑制等关键技术，支持 23/24 位绝对值编码器，采用自主开发的5对极伺服电机。并开发出 EtherCAT、MECHATROLINK-III、MECHATROLINK-II、CANopen 总线型产品。 主要应用在机床行业、印刷包装机械、纺织机械、机器人/机械手、木工机械、电子设备等。
SD600 伺服系统采用 DSP+FPGA 模式，选取高速数字处理芯片作为核心控制，充分保证伺服算法的运算精度要求，应用工业级智能功率模块 IPM，增量 式 2500 线光电编码器，采用先进的全数字电机控制算法，实现多种算法控制。主要应用于电子设备、纺织化纤、包装等行业。
V5 系列运动控制器能够实现灵活的编程，支持在线调试，操作更便捷，具备电子凸轮、运动控制、总线控制等功能，广泛应用于印刷包装，机器人/机械手、 木工机械、纸巾机械，电子设备等各类领域。
四、总结
按照一个关节对应一个伺服电机，伺服系统均价1000 元计算，同时结合市场预测的2030年全球人形机器人出货量有望达百万台，2030年全球人形机器人用伺服系统市场规模将分别达400-500亿元。
国内企业目前伺服系统应用主要集中在工业自动化领域，未来随着人形出货量增长，更多的系统将用于人形机器人领域，为产业链带来更多的市场增量。在人形机器人商业化加速的背景下，凭借技术上的突破、性价比等优势，国产伺服系统等驱动厂商有望深度参与人形机器人市场。