电气自动化中的伺服电机技术发展综述：从控制策略到应用前沿

0 引言

伺服电机通过将电信号精确转换为转矩、转速或位置输出，在现代工业控制领域发挥着不可替代的作用。其发展历程经历了从机械式伺服到数字化伺服的革命性转变：二战期间因军用设备需求激增而快速发展，21 世纪后更扩展至光刻机、医疗设备、航空航天等高端领域。2024 年全球伺服电机产值达 1200 亿元，中国市场占比超 30% ，预计 2028 年将突破 16 万亿美元，其中高端应用成为主要增长点[3] [4]。

这一增长趋势凸显了伺服电机在智能制造和精密控制中的核心地位。本文从技术演进、控制策略创新、应用拓展及未来趋势四个维度，系统分析伺服电机的发展动态，重点关注国产化突破与前沿技术融合，为行业提供技术全景视角。

1 伺服电机技术发展：从传统到前沿

1.1 电机拓扑结构的演进

伺服电机的发展反映了材料科学、电磁理论和制造技术的协同进步：

（1）永磁化主导：无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）因钕铁硼永磁材料及电力电子技术的突破成为主流。PMSM 凭借反电势正弦性好、转矩波动小等优势，在高精度伺服领域占据主导地位，主要采用表贴式（SPM）和内嵌式（IPM）转子结构[3]。

（2）前沿结构突破：为克服传统电机功率密度瓶颈，场调制电机（FMM）利用磁场谐波调制原理，使转矩密度提升 30% 以上；直驱电机和多自由度电机则通过消除减速机构，在半导体装备和机器人领域展现独特优势[3] [5]。

1.2 材料与制造工艺的创新

（1）高导磁材料：改善磁场分布，提升功率密度和能效，使电机在更小体积内实现更高输出[5]。

（2）极端环境设计：重庆大学李辉教授团队通过 “ 电-磁-热-机-材” 近极限设计，解决航天伺服在 270V 高电压、- .180～+150^∘C 极端温度下的绝缘与散热难题，功率密度突破5kW/kg[2]。伺服电机技术代际演进特征对比如下表1 所示。

2.1 振动抑制与同步控制突破

（1）高阻尼位置控制：南京晨光集团与南航团队针对弹性系统到位抖动问题，通过谐振比调整和零极点对消技术，显著改善拖尾现象，位置跟踪平滑度提升 40%%

（2）多电机协同优化：陆军工程大学提出中程偏差耦合控制，结合非奇异 Terminal 滑模算法，将多电机同步误差控制在 0.05% 以内，适用于高精度数控机床[1]。

2.2 智能预测与参数辨识

（1）轻量化预测控制：内蒙古工业大学开发基于EKF 参数辨识的间接模型预测控制，将矩阵变换器的计算负荷降低 40% ，同时提升鲁棒性[1]。

（2）AI 自适应整定：通过机器学习动态优化运动参数，自适应负载变化，使能效提升15%～20% ，逐步应用于工业以太网（EtherCAT/PROFINET 普及率 560% ）[6] [9]。现代伺服控制策略性能对比如下表2 所示。

3.1 工业自动化领域

（1）工业机器人：伺服电机作为关节核心驱动单元，其性能直接影响定位精度。2024 年工业机器人占伺服应用份额超 35% ，要求扭矩密度>5Nm/kg、响应时间 <10ms^[2] [6]。

（2）数控机床：交流伺服替代液压伺服，通过全闭环控制实现微米级定位，主轴转速向>30,000rpm 发展[9]。

3.2 高端装备与特殊环境

（1）航天伺服：重庆大学牵头的国家重点项目研制空间高压伺服系统，支撑太阳帆板驱动等任务，实现在轨运行[2]。

（2）新能源装备：直驱式波浪发电装置采用磁力丝杠增速技术，在 0.2m/s 低速波浪下功率输出提升 300% ，为海洋监测设备供电[1]。

3.3 新兴民生领域

（1）医疗微型化：直径 的微型伺服电机实现手术机器人毫秒级精准操控[5]。

（2）低压智能 12:24V 小型伺服系统应用于智能家居（如窗帘电机、服务机器人）[10]。4 挑战与未来趋势

4.1 当前技术瓶颈

（1）带宽与功率密度矛盾：高带宽需求（ >2kHz ）受限于SiC 器件成本与散热[6]。

（2）核心部件依赖：高端编码器、控制器进口依赖度达 25% ，本土企业研发投入占比（ 5%～8% ）低于国际水平（ 10%～15% ）[6] [9]。

4.2 创新方向与发展路径

（1）电磁理论革新：矢量磁路理论突破传统损耗计算局限，助力高密度电机设计[3]。

（2）绿色智能制造：微电网群通过时空相关性优化配置源储容量，降低碳排放 20% 以上；电制氢调峰技术为新能源消纳提供新路径[1] [6]。

（3）国产替代加速：政策驱动下，高端伺服国产化率将从 15% 提升至 30% ，本土企业通过垂直整合（如华中数控布局稀土永磁材料）降本增效[6] [10]。

5 结论

伺服电机技术历经百年发展，已形成以永磁同步电机为主体，场调制电机与特种电机为前沿的技术体系。在控制策略层面，从基础 PID 向量预测控制、自适应控制及智能化方向演进，支撑了从微米级工业制造到太空探索的应用拓展。未来需重点关注三方面突破：

（1）核心部件自主化：突破高端编码器与控制算法瓶颈，响应《中国制造 2025》对高端装备自主化的战略需求；

（2）极端环境适应性：发展航天级“ 电-磁-热-机-材” 协同设计方法，满足深空探测等国家重大工程需求；

（3）AI 融合创新：通过机器学习实现参数自整定与预测性维护，构建智能自治系统。通过 “ 电机-控制-应用” 全链条协同创新，伺服技术将为智能制造、绿色能源及太空探索提供更精密可靠的动力核心，重塑现代工业的驱动图景。

参考文献

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[2] ZHANG Jianwei, YANG Zaixin, WANG Yunhui, et al. Indirect model predictive control of matrix converter based on EKF parameter identification[J]. Electric Drive, 2025, 55(01): 18-24.

[3] ZHU Changlin, TU Qunzhang, JIANG Chengming, et al. Mid-range deviation coupling control for multi-motor speed synchronization system[J]. Electric Drive, 2025, 55(01): 9-17.

[4] WAN Jiangkun, SUN Yanchao, SONG Pengyu, et al. High-damping position control in elasticity servo system[J]. Electric Drive, 2025, 55(01): 3-8.

[5] ZHAO Aibo, LI Zihao, WANG Zixuan, et al. Research on the application of direct drive wave energy power generation in ocean monitoring equipment[J]. Electric Drive, 2025, 55(01): 33-40.

[6] XING Zongyi, ZHANG Yuan, HOU Yuanlong, et al. Research on modeling method of electro-hydraulic servo system and its application[J]. Journal of System Simulation, 2009(3): 1719-1725.

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[8] IIM Information. Industrial Robot Servo System Technology Development and Market Prospect Analysis Report (2025)[R/OL]. 2025.

[9] ZHOU Jun, XIAO Yuanbing, YAN Huamin, et al. Allocation of microgrid group source storage capacity considering spatiotemporal correlation of renewable energy generation[J]. Electric Drive, 2025, 55(01): 41-49.

[10] JIN Hongyan. Research on complementary sliding mode control strategy for high-precision permanent magnet linear synchronous motor[D]. Southeast University, 2021.

作者简介：胡冯瑞（1986.10），男，汉族，河南新乡辉县，河南机电高等专科学校 研究方向：电气自动化控制.

作者简介：胡冯瑞，男，上海，大专，研究方向：电气自动化控制。