伺服电机：控制精度高，广泛应用于工业自动化
伺服电机是工业自动化行业中应用最广的电机。伺服来自英文 servo，指系统跟随外部 指令进行人们所期望的运动，实现对位置、速度、加速度和力矩的精准控制。伺服电机具 有响应速度快、精度高、加减速度快、速度不受负载影响等优点，且转速范围宽、高速性 能好、低速运行平稳，同时抗过载能力强，能承受 3 倍于额定转矩的负载，适用于对有瞬 间负载波动和要求快速起动的场合。
伺服系统一般由驱动器、电机、编码器构成。①伺服驱动器（指令装置）属于驱动层， 又称“伺服控制器”、“伺服放大器”，一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机 进行控制，实现高精度的传动系统定位；改变控制电压可以变更伺服电机的转速及转向。 ②伺服电机属于执行层，伺服电机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变 换成转轴的角位移或角速度输出。③编码器（反馈装置）通常内置在伺服电机末端，用来 测量电机的转角、转速和位置，对控制精度具有关键作用。驱动器根据反馈值与目标值进 行比较，调整转子转动的角度，达到伺服控制的目的。
伺服电机分为直流和交流伺服电动机。1）直流伺服电机分为有刷和无刷电机：①有刷 电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换 碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求（无尘、易爆环境不宜），通常用于对成本敏 感的普通工业和民用场合；②无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力 矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以实现方波或正弦波换相， 电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。2）交流伺服电动 机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机。交流伺服电机优点在于速度控制特性良好， 在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制， 高精确度位置控制，额定运行区域内可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维 护。缺点在于控制较复杂，驱动器参数需要现场调整 PID 参数确定，需要更多的连线。高 性能的伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的 全数字位置伺服系统。
伺服电机作为工业自动化的核心零部件，市场规模随产业自动化升级稳步增长。1）替 代需求：在机床、纺织机械、印刷机械和包装机械等领域，伺服电机相比步进电机具有精 度、扭矩、过载等性能方面的优势，渗透率不断提升；2）新增需求：工业机器人、电子智 造装备等行业对精度性能要求较高，其迅速增长为伺服电机市场贡献较大增量。根据 Grand View Research 与 MIR 数据统计，2020 年全球伺服电机市场规模 367 亿元，预计 2026 年有望达到 539 亿元。我国伺服电机起步较晚，尚处于成长阶段，2020 年我国伺服电机市 场规模约 149 亿元，预计 2026 年有望达到 225 亿元。
伺服电机的核心难度，即导致各国差距之处，主要在于电机的基础性研究、高精度伺 服驱动器和编码器。1）基础性技术研究：包括高端电机的结构设计、产业化制造技术、生 产工艺的突破、性能指标的实用性检验，导致高端伺服电机的性能、质量和稳定性的差异； 2）材料，特别是适应高温的材料；磁材和绝缘性材料等，国内的磁材总体性能差，伸缩长 度会发生变化；3）驱动系统：目前的伺服系统标准仍然依靠国外定义，包括共目线结构体 系，先进的控制算法，自适应振动抑制，自适应参数整定，齿槽转矩补偿，磁饱和控制，弱磁控制、安全控制等，需要时间和经验的积累、大量的数据逐步实现各项功能；4）编码 器：目前高精度编码器严重依赖进口，小型化仍待突破，而编码器对定位精度影响很大。
伺服电机行业 65%份额为外资品牌，高端市场基本被外资垄断。根据 MIR 数据，我国 伺服电机竞争格局中外资品牌占 65%，国产品牌占 35%。根据前瞻产业研究院报告，目前 主流品牌可分为欧系、日系和国产品牌等类别，其中欧系日系占据中高端市场，国产主要 集中在中低端市场。①欧系品牌占比 20%：如西门子、伦茨、博世力士乐等，过载能力高、 动态响应好、驱动器开放性强，但价格昂贵、体积重量大；②日系品牌占比 45%：如安川、 三菱、松下等，品牌性能和价格相对低、体积小、重量轻、可靠性和稳定性强，但动态响 应能力较弱、开放性较差低，总体上性价比更高，最适合中端需求；③国产伺服占比 35%： 如台湾台达、汇川技术、华中数控等，产品基本成熟，精度和可靠性较差，中小功率居多， 中低端伺服系统已实现大规模量产，但高端伺服系统尚未形成商品化和批量生产能力。
步进电机：经济性更高，适合低精度要求场景
步进电机也是一种控制电机。步进电机源于自英语单词“Step”，意为“走一步”， 是一种形象的翻译。步进电机能将电脉冲信号转换为角位移/直线位移，并且位移量与脉冲 数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比。通过调整电脉冲信号或脉冲频率就可以实现 对电机的运动控制。步进电机能根据控制脉冲的要求迅速启动、反转、制动和无极调速； 工作时能不失步，精度高，停止时能锁住。 步进电机包括 VR、PM、HB 三种。1）VR 步进电机，即反应式（Variable Reluctance）， 由绕组、转子由软磁材料组成，结构简单，成本低，但动态性能差，效率低，发热大，已 逐步被欧美国家淘汰。2）PM 步进电机，即永磁式（Permanent Magnet），由永磁材料 制成，动态性能好，体积相对较小，但精度较差，输出力矩较小，是一种成本较为经济的 选择。3）HB 步进电机，即混合式（Hybrid），综合了前两者的优点，可以实现精确的小 增量步距运动，转子和定子上有多个小齿以提高步矩精度，输出力矩大，动态性能好，步 距角小，但结构相对复杂，成本相对较高。
步进电机控制方式类似于伺服电机，包括驱动器和编码器。驱动器在负载能力的范围 内，通过改变脉冲频率来调速；编码器信号检测转子位置，进行控制信号的反馈和电流调 节。作为开环的控制系统，由于过载能力较低、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不 平衡等问题，一般应用于小型或简易型机器人中。 步进电机 VS 伺服系统，可靠性低，经济性高。步进电机相比伺服电机，不足之处在于： 精度略低；开环系统的低可靠性，低速存在共振区；运行噪音较高；无过载能力，易失步； 能量转化效率低，自身损耗及发热较高；动态响应慢，加减速低；优势在于：调试较为简 单，伺服驱动器涉及的参数多、使用手册长，且不同品牌的驱动器区别可能很大；成本更 低；精度方面，在大多数场合，步进的分辨率已远高于机械要求的精度，对于高要求场合， 通过细分驱动、添加闭环控制等方式，也可以达到很高的控制精度。因此，伺服电机更适 用于要求高效率、高速高响应、高可靠性的场合，步进电机用于要求不高、成本敏感的场 合，控制系统的设计须综合考虑控制要求、成本等因素，选择适当的控制电机。
空心杯电机：结构紧凑，能量转换效率高
空心杯电机属于直流、永磁、伺服电机。空心杯电机与传统电机的转子结构不同，采 用无铁芯转子，线圈通过连接板，和换向器、主轴链接到一起，共同组成转子。由于线圈 形状像个杯子，因此称为空心杯。无铁芯结构消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，能量转换效率提高，最高可达 90%+，同时降低电机重量和转动惯性，可达到更高的控制 和拖动特性。 空心杯电机分为有刷和无刷两种。1）空心杯有刷电机：采用电刷换向，转动过程中会 摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷，电机寿命有限，平均为几千小时；容易产生电 火花和电磁波，干扰电子设备；优势在于，有刷电机不存在涡流损耗，特别是在高速运转 下，相比无刷电机的损耗显著更低；结构更简单，成本更低；2）空心杯无刷电机：采用电 子换向，通过霍尔元件感知永磁体位置，电子线路切换线圈中电流的方向，进而改变磁力， 其优势在于消除了电刷的损耗和电火花对电子设备的干扰，寿命可达到数万小时，但无刷 电机存在涡轮损耗，涡轮功率损耗随速度的平方增加；另外添加了换向器和控制器等，增 加了系统的组件和成本。
空心杯电机具有节能、控制性能好、能量密度高等优点，但功率较低。空心杯电机的 优点在于：1）节能：能量转换效率很高，其最大效率一般在 70%以上，部分产品可达到 90%以上（铁芯电动机一般在 70%）；2）控制性能好：起动、制动迅速，响应极快，机 械时间常数小于 28 毫秒，部分产品可以达到 10 毫秒以内（铁芯电动机一般在 100 毫秒以 上）；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）拖动 性能好：运行稳定性十分可靠，转速波动能控制在 2%以内；4）能量密度高：与同等功率 的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻 1/3-1/2；5）散热效果好：铜板线圈内外表面都有 空气流动，温升较小。但缺点在于功率上限低：由于没有牢固的铁芯支撑，线圈厚度较薄， 且线圈和输出轴的连接强度有限，因此体积、功率等无法做到很大，一般空心杯电机最大 功率仅几百瓦，属于一种微特电机。 空心杯电机在高精度、高速响应、紧凑高效场景得到广泛应用。1）需要快速响应的系 统：军用领域导弹方向的快速调节、高灵敏度的记录和检测设备、工业机器人、仿生义肢； 2）对重量和能耗要求的飞行器，包括无人机、航模等；3）其他家电、工业产品，可以替 代传统电机，提高产品性能。根据国际咨询机构 QY Research 统计数据，预计 2022 年全 球空心杯直流电机市场规模为 7.5 亿美元，2022-2028 年复合增速 8%，至 2028 年增加至 11.9 亿美元；2021 年中国、欧洲市场份额分别为 35%、26%。
空心杯市场长期被外资垄断，蕴藏大量国产替代机遇。空心杯电机的产品制造和量产 的难度高，绕线和自动化工艺复杂，对绕线工人的技能水平要求高，难以实现大规模量产。 目前空心杯市场被德国 FAULHABER 与瑞士 Maxon 主导，随着国内市场对空心杯电机认 知程度不断提高，国产厂商的量产工艺水平不断突破，未来有望实现国产替代。
解析不同机器人对电机的差异化需求
工业机器人：工业场景要求响应速度和控制精度
工业机器人（多关节机器人）通常有 6 个关节，对应 6 个电机。控制器、伺服电机和 减速器被称为工业机器人的三大零部件：1）控制器是机器人的“大脑”，通过硬软件结合 来控制机器人的运动位置、姿态和轨迹；2）伺服电机是机器人的“驱动力“，根据控制器 发出的命令输出力矩，动态控制机器人的速度和位置；3）减速器用于降速增矩：伺服电机 一般输出的转速高、力矩小，不能满足机器人本体的运动需求，需要通过减速器来降低转 速、增加力矩。根据高工机器人数据，伺服电机在工业机器人总成本中占比 20%。
工业机器人对电机性能要求较高：高功率密度、高扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量 和较宽广且平滑的调速范围。1）高功率密度：工业机器人的体积和负载要求电机重量轻、 体积小；2）高扭矩惯量：代表更高加减速性能，更快响应速度；3）高启动转矩：启动转 矩越大，电动机加速越快，启动过程越短，也越能带重负载起动；4）低惯量：惯量越低， 精度和响应速度越好；5）宽广平滑的调速范围：随着控制信号的变化，电动机的转速能连 续变化，调速范围 1:1000～10000，功率范围一般为 0.1～10kW。
四足机器人：侧重高功率密度、高扭矩密度
四足机器人是学术界产业界积极研发的、具有发展前景的一类机器人。相比轮式和履 带式机器人，具有良好的环境适应能力，在复杂的地理地形环境下，不平整地面上，保证 机器人运动的灵活性、稳定性和人际协调性，因此可以协助人类完成危险性高、工作环境 恶劣的任务，如抢险救灾、高位巡检、安全侦查、地形勘测、太空探索等。高动态特性， 参考猎豹的奔跑模式，在高速奔跑中依然能快速调整步态和运动方式。 四足机器人通常采用 12 个伺服电机，每条腿三个关节：外展关节、髋关节和膝关节。 为了避免膝关节电机外置易造成损坏，将膝关节电机置于髋关节处上，采用连杆机构驱动 膝盖关节自由度，这种设计可以减少腿部的传动惯量，有利于机器人高速奔跑。此外，踝 关节拥有类似于髋关节的 2 个自由度，但由于踝关节主要作用是调节足端和地面的接触， 基本不提供动力，因此一般设计为被动的弹性关节，如橡胶、海绵等。
四足机器人电机更侧重高扭矩密度、高功率密度、转动惯量小、响应速度块。1）四足 机器人在行走、奔跑、跳跃时步态都不相同，电机一直处于正反转交替状态，转矩输出并 不是处于额定值，而是一个随着运动状态不断变化的量，因此电机转矩在较短时间内达到 峰值；2）电机不停运行在正转和反转的状态下，需要有较高的响应速度，要求电机的转动 惯量小、重量轻；3）四足机器人采用 12 个电机，每个电机安装空间有限，直径和长度要 短，扁平化结构；4）其他约束条件：电机的散热和温升、电机控制器的最高频率限制、激 励电流的有效值等。5）另外，为了使机器人的关节输出足够的扭矩，需要增加减速器，将 高速低扭矩的电机输出转化为低速大扭矩的关节输出。
四足机器人电机的商业化程度较低。由于四足机器人商业化应用较少，因此还未形成 标准化产品。电机厂商主要由四足机器人公司自主设计，或者找伺服电机厂商定制化生产。 四足机器人电机的进入壁垒不高，但是能做到高扭矩密度、响应速度快、轻量化小型设计 等综合性能的难度很高，全球各高校和科研机构也在不断寻求技术突破，从而突破四足机 器人的性能优化，例如 MIT 自主研发的猎豹系列的电机，可以达到 33Ｎ·ｍ的扭矩而质量 仅 1kg。
人形机器人：要求高效率、高动态、高功率密度
人形机器人的自由度决定电机数量，机器人灵活性越高，电机越多。当前全球人形机 器人玩家较少，已实现推出原型机/产品的公司包括日本本田、美国波士顿动力、美国敏捷 机器人、中国优必选、中国小米和美国特斯拉等。其中，本田 ASIMO 有 34 个自由度，均 为旋转执行器，采用伺服电机+谐波减速器方案，优必选 Walker 有 40 个自由度，采用相 似架构；敏捷机器人 Digit Robot 有 20 个自由度，采取伺服电机+谐波减速器/摆线减速 器方案，小米 CyberOne 有 21 个自由度，采取相似架构；波士顿动力 Atlas 有 28 个自由 度，采用液压驱动方案；特斯拉 Optimus 有 28 个自由度，采用 6 种执行器，旋转执行器 为电机+谐波减速器，线性执行器为电机+滚柱丝杠。
人形机器人电机有三个关键点：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和 低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十 分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器（电机、 机构、接线、传感器和控制器）的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，这些电 机还需要小巧，紧凑，轻巧。
机器人手部：侧重轻量化、高效率、低成本
关于灵巧手的研究最早可追溯至 1960s，21 世纪以来研究进程加快，但目前仍处于实 验室阶段，少数实现商用。在应用端，灵巧手可以代替人手完成多种抓取和操作任务，具 有极大的应用价值，例如，家用领域可以完成家务、陪护、康养等任务，工业领域可以完 成装配等精细化作业任务，特种领域可以在太空、深海、核电站等代替人手实现精准操作； 在技术端，灵巧手在灵活性、适应性、可控性、敏锐感知、小型化等方面仍有挑战。灵巧 手有多种驱动技术方案，柔性驱动包括气动型、液压驱动型、肌腱驱动型等；刚性驱动包 括齿轮连杆驱动型、连杆驱动型、关节电机驱动型等。目前最常见的灵巧手均为电机驱动， 具有能耗低、控制系统简单、电路设计方便等优点。
不同灵巧手方案的电机数量不等。2002 年日本岐阜大学合作开发 Gifu-III 灵巧手，合 计 20 个关节和 16 个自由度，采用 Maxon 公司直流伺服电机；英国 Shadow 公司的灵巧 手已投入商业化应用，合计 24 个自由度，其中 20 个电机驱动，4 个欠驱动，每个手指都 集成了力、位置和触觉传感器，可以抓取柔软或易碎的物体；韩国 IRIM 实验室研制了线驱 动灵巧手 FLLEX Hand，合计 15 个自由度；清华大学机械系 PESA 手具有 20 个关节，15 个自由度，15 个电机驱动；特斯拉 Optimus 单手有 11 个自由度，采用 6 个执行器，采 用空心杯电机+蜗轮蜗杆+金属肌腱驱动的方案。 灵巧手电机大多采用微特电机，结构紧凑，效率高。灵巧手需要满足质量轻、结构紧 凑和抓取力强的要求，因此采用的电机应该具有尺寸小、质量轻、精度高、扭矩大的特点， 多采用微特电机+行星减速器的方式。空心杯电机具有尺寸小、质量轻、精度高、控制性能 好、能量密度高等特点，能够满足手指高度紧凑的结构要求和驱动性能要求以 Maxon 的空心杯电机为例：德国航空航天中心（DRL）与哈尔滨工业大学（HIT）合作研发的 DLR-HIT Hand 采用 15 个带霍尔传感器的无刷主流电机，长度 10.4 mm、外径为 21.2 mm，重量 15g，安装谐波驱动齿轮，最大扭矩 8.04mNm，结构紧凑、功率密度高、价格低廉。
来源：未来智库
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