儘管機(jī)器人或自動(dòng)化設(shè)備所需多軸運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用，無論在技術(shù)或產(chǎn)品市場(chǎng)可能已經(jīng)相當(dāng)成熟，但仍舊有重要趨勢(shì)會(huì)影響其未來的成長，包括供應(yīng)業(yè)者的整合後發(fā)表的新一代產(chǎn)品，或是擴(kuò)展現(xiàn)有產(chǎn)品的組合等。儘管某些關(guān)鍵領(lǐng)域遇到了阻力，但基本面非常強(qiáng)勁，雖然2019年全球產(chǎn)業(yè)的變化造成市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)小幅下降（-3.8%），相信接下來運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品仍會(huì)持續(xù)增長，預(yù)計(jì)在2023年將會(huì)超過150億美元。

從圖1可以了解，目前全球運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)業(yè)的一個(gè)概況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)規(guī)模將從2018年的128億美元到2023年時(shí)增長至150億美元以上。儘管2019年下降了4%，但預(yù)計(jì)到2023年，市場(chǎng)將以3.3%的複合年成長率增加。在區(qū)域的部分，2019年美洲地區(qū)占整體市場(chǎng)的20%，亞太地區(qū)占46%，歐洲、中東和非洲地區(qū)共占34%。

而應(yīng)用別方面，通用運(yùn)動(dòng)控制（GMC）產(chǎn)品市場(chǎng)大約占了2018年總市場(chǎng)的2/3，而CNC佔(zhàn)1/3。由於未來5年機(jī)床的整體性能預(yù)測(cè)較差（2018年佔(zhàn)CNC運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品銷售的85%以上），與CNC產(chǎn)品相關(guān)的市場(chǎng)比例，預(yù)估到2023年將略有下降（相對(duì)於GMC產(chǎn)品），約占總收入的30%。金屬切削機(jī)床是迄今為止最大的單一類別市場(chǎng)，其次是包括半導(dǎo)體、電子機(jī)械、包裝機(jī)械和工業(yè)機(jī)器人等。

圖1 : 機(jī)器人用運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2023年將會(huì)超過150億美元。（source：INTERACT ANALYSIS）

伺服馬達(dá)技術(shù)趨於多元化應(yīng)用

針對(duì)整合驅(qū)動(dòng)器和多軸伺服驅(qū)動(dòng)器不可或缺的伺服馬達(dá)，儘管在2018年市場(chǎng)相對(duì)較小，但接下來將會(huì)呈現(xiàn)高於平均水準(zhǔn)的增長，預(yù)計(jì)複合年成長率分別為12.0%和7.2%;（亦即遠(yuǎn)高於整個(gè)市場(chǎng)預(yù)測(cè)的3.3%的平均複合年成長率）。

如果從應(yīng)用與技術(shù)趨勢(shì)來看運(yùn)動(dòng)控制不可或缺的重要零組件之一的伺服馬達(dá)，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展態(tài)勢(shì)在各領(lǐng)域都有不同的發(fā)展方向（圖2）。

圖2 : 多軸運(yùn)動(dòng)控制所需的伺服馬達(dá)已朝向各領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展（圖為安裝在生產(chǎn)線上的機(jī)器人手臂）。（source：Machinedesign）

一、多軸伺服驅(qū)動(dòng)器：朝向更節(jié)省空間的技術(shù)發(fā)展，有助於減少控制機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)控制部份所需的面積。

二、內(nèi)建高整合驅(qū)動(dòng)器的伺服馬達(dá)：受益於模組化的概念，將會(huì)出現(xiàn)更多分散產(chǎn)品的趨勢(shì)。

三、分散式伺服驅(qū)動(dòng)器：提供更靈活的分散式解決方案，可以與任何種類的線性，轉(zhuǎn)矩或伺服馬達(dá)配對(duì)。

四、採用單電纜技術(shù)的伺服馬達(dá)：同樣以節(jié)省成本和空間的技術(shù)為目標(biāo)，期望能大幅度減少設(shè)備中的配線。

五、具有先進(jìn)安全功能的伺服驅(qū)動(dòng)器：安全法規(guī)愈來愈嚴(yán)苛，新產(chǎn)品比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)伺服驅(qū)動(dòng)器有更大的成長空間，預(yù)計(jì)市場(chǎng)將會(huì)快速的提升2倍以上。

伺服馬達(dá)將發(fā)展出更容易使用的產(chǎn)品方案

在面對(duì)勞動(dòng)力短缺和人工成本不斷的上升，工廠對(duì)自動(dòng)化投資的意願(yuàn)，不僅僅只是提高而已，更是呈現(xiàn)大幅度增加。這樣的背景下，也帶動(dòng)了自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用的機(jī)器人，而其他領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模也正呈現(xiàn)快速的成長，例如非製造業(yè)中酒店、旅館的無人服務(wù)規(guī)劃，食品服務(wù)業(yè)人員的補(bǔ)充以及安全和清潔。

整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)，可以說由伺服馬達(dá)和感測(cè)器組成，機(jī)器人的市場(chǎng)成長率幾乎與伺服馬達(dá)的成長率成正比，因此機(jī)器人在推動(dòng)伺服馬達(dá)市場(chǎng)擴(kuò)展中，扮演著重要相當(dāng)重要角色。

在如此龐大的市場(chǎng)中，伺服馬達(dá)業(yè)者正朝向開發(fā)更容易使用的產(chǎn)品，包括具有自動(dòng)調(diào)整功能，可輕鬆進(jìn)行複雜的控制調(diào)整；振動(dòng)抑制技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)定位，同時(shí)降低設(shè)備振動(dòng)；安全控制技術(shù)可確保工作安全；網(wǎng)路功能可提高生產(chǎn)效率等，是接下來發(fā)展的重點(diǎn)。

各技術(shù)突破發(fā)展更精進(jìn)

振動(dòng)抑制

在自動(dòng)調(diào)整中，幾乎所有的伺服馬達(dá)業(yè)者都有自家的技術(shù)基礎(chǔ)，因此可以快速降低設(shè)備所產(chǎn)生的共振問題。有些的振動(dòng)抑制技術(shù)採用低頻抑制演算法，該演算法不僅可以抑制主機(jī)所造成的殘留振動(dòng)，而且還可以抑制機(jī)器人臂尖的振動(dòng)，從而可以進(jìn)行更高精度的調(diào)整。

高速作動(dòng)

對(duì)於高速的要求，目前市場(chǎng)上已有業(yè)者提供超過6700萬脈衝／轉(zhuǎn)的高階產(chǎn)品，其中更可以發(fā)現(xiàn)有些伺服馬達(dá)已經(jīng)具有3.5 kHz的速度頻率，和26位元旋轉(zhuǎn)編碼器，透過這樣的高速伺服馬達(dá)產(chǎn)品，可以協(xié)助機(jī)器人開發(fā)工程師開發(fā)，大幅減少設(shè)定時(shí)間來達(dá)到提高工作效率，以及增加設(shè)備和系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。

雙自由度控制系統(tǒng)

在伺服馬達(dá)控制中，有增強(qiáng)指令反應(yīng)特性的前饋（Feed Forward；FF）功能，和增強(qiáng)干擾抑制特性的反饋（Feed Back；FB）控制，不過一般來說，F(xiàn)F控制和FB控制完全分開，因此使用了雙自由度控制系統(tǒng)（2 DOF control system）的伺服馬達(dá)。

將兩個(gè)控制元件完全分開的架構(gòu)下，可以達(dá)到更高速度和更高精度的電機(jī)控制。例如可以抑制電子元件封裝設(shè)備中，元件取放臂尖的振動(dòng)，更可進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)高速作動(dòng)節(jié)奏。而應(yīng)用在金屬加工機(jī)可以減少摩擦和粘性的影響，並實(shí)現(xiàn)平滑切割表面的高精度加工等。

另有業(yè)者開發(fā)出內(nèi)建放大器來驅(qū)動(dòng)多達(dá)三軸的伺服馬達(dá)，而這樣的概念產(chǎn)品已經(jīng)越來越受機(jī)器人工程師的歡迎。此外，也可以透過放大器的診斷功能進(jìn)行伺服馬達(dá)的故障預(yù)測(cè)，通過測(cè)量伺服馬達(dá)的運(yùn)行時(shí)間並預(yù)測(cè)故障，可以防止因?yàn)橥蝗贿\(yùn)轉(zhuǎn)停止而造成的設(shè)備故障，以及生產(chǎn)中斷。

易於使用已成為伺服馬達(dá)的研發(fā)重點(diǎn)

作為小型化的一部分，已經(jīng)可以利用單一連接器來連接電源和訊號(hào)，達(dá)到減小連接器的空間，並且縮減機(jī)構(gòu)的尺寸。

因此在小型化和輕量化的目標(biāo)下，直接提供伺服驅(qū)動(dòng)器所需扭矩的直接驅(qū)動(dòng)（Direct Drive；DD）馬達(dá)也開始成為市場(chǎng)的關(guān)心焦點(diǎn)。利用直接驅(qū)動(dòng)縮開發(fā)伺服馬達(dá)的概念是利用磁體和線圈的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)薄型化，以及提高扭矩密度的能力，並且對(duì)編碼器進(jìn)行改良以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)整體，並且規(guī)劃得更為緊湊，達(dá)到輕薄且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的目的，同時(shí)，還減少故障的發(fā)生，達(dá)到降低成本和節(jié)省電力的優(yōu)勢(shì)。利用兩軸來完成得直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，在馬達(dá)的中央部分安置兩個(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)軸，可以同時(shí)執(zhí)行不同的作動(dòng)，這對(duì)於機(jī)器人的搬運(yùn)非常有效，如果能再使用雙軸放大器的話，控制面板可以設(shè)計(jì)的精簡(jiǎn)一些。

應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制中，線性伺服馬達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)一直是被關(guān)注的重點(diǎn)，與旋轉(zhuǎn)伺服馬達(dá)和滾珠絲槓的組合相比，線性伺服馬達(dá)的推力要大上許多，並且可以在短行程運(yùn)動(dòng)中重複加減速時(shí)發(fā)揮作用，這樣的架構(gòu)非常適用於需要快速移動(dòng)的小型設(shè)備。在線性伺服馬達(dá)中，具有高行程往復(fù)式線性致動(dòng)器，通常用於半導(dǎo)體測(cè)試的設(shè)備中，目前有部分業(yè)者正積極地開發(fā)能夠進(jìn)行Z軸控制的產(chǎn)品。

運(yùn)動(dòng)控制用伺服馬達(dá)內(nèi)建網(wǎng)路通訊功能

面對(duì)工業(yè)4.0的潮流與IoT的發(fā)展趨勢(shì)，伺服馬達(dá)中控制器和伺服放大器之間的網(wǎng)路相容性也開始被討論，這是因?yàn)殡S著IoT、AI和可視化的需求，讓網(wǎng)路連接的重要性越來越高，基於乙太網(wǎng)技術(shù)的通訊技術(shù)已成產(chǎn)業(yè)的主流，因此可以看到越來越多的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了1Gbps的通訊能力，此外還有特別令人感興趣的TSN技術(shù)，TSN技術(shù)可擴(kuò)展乙太網(wǎng)並無縫整合到工業(yè)網(wǎng)路和IT網(wǎng)路之中。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)可以與CC-Link IE TSN相容的伺服馬達(dá)。而其他網(wǎng)路技術(shù)，包括MECHATROLINK等已開始支持TSN，並且越來越多的人認(rèn)為網(wǎng)路將很快成為運(yùn)動(dòng)控制用伺服馬達(dá)開發(fā)的主流。

另外，編碼器網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)被發(fā)表討論，雖然同一業(yè)者的伺服馬達(dá)和伺服放大器之間的相互連接通訊並沒有什麼問題，但是隨著不同業(yè)者的伺服馬達(dá)和放大器之間的連接不斷增加，對(duì)開放式編碼器網(wǎng)路的需求正在不斷增長。在編碼器資訊傳遞將會(huì)成為伺服馬達(dá)生命線的態(tài)勢(shì)下，相信這方面的技術(shù)將會(huì)被積極討論，也會(huì)提出更多的新概念架構(gòu)（圖3）。

圖3 : 隨著IoT、AI和可視化的需求，網(wǎng)路將很快成為運(yùn)動(dòng)控制用伺服馬達(dá)開發(fā) 的主流（圖為具有通訊功能的手術(shù)機(jī)器人）。（source：Machinedesign）

高強(qiáng)度安全標(biāo)準(zhǔn)與無感測(cè)器趨勢(shì)

安全措施觀念不斷的進(jìn)步之下，與伺服馬達(dá)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有ISO13849-1、IE C61508系列、IEC62061、IEC60204-1、IEC61800-5-2等，其中IEC60204-1定義了機(jī)器電氣設(shè)備要求的標(biāo)準(zhǔn)和停止控制功能。目前變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61800-5-2已實(shí)現(xiàn)，特別是與汽車製造相關(guān)的應(yīng)用通常需要遵守安全標(biāo)準(zhǔn)，而目前大多數(shù)的伺服馬達(dá)業(yè)者都已遵守此規(guī)範(fàn)。

未來無感測(cè)器伺服馬達(dá)將成為趨勢(shì)，可以提高感應(yīng)馬達(dá)的附加價(jià)值，在無需使用編碼器下，就可以透過從電壓和電流中檢測(cè)馬達(dá)的速度和位置，來實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制和簡(jiǎn)單的定位控制。

另外，無論負(fù)載變動(dòng)（0～100%）如何，都能夠以穩(wěn)定的速度進(jìn)行動(dòng)作和高精度定位。由於它不使用編碼器，可以縮小尺寸並節(jié)省機(jī)構(gòu)空間，更因?yàn)闇p少了零件數(shù)量，能達(dá)到減少故障機(jī)率並提高可維護(hù)性。

隨著自動(dòng)化設(shè)備與機(jī)器人追求多軸作動(dòng)能力的趨勢(shì)，擔(dān)任運(yùn)動(dòng)控制中重中之重的伺服馬達(dá)，因?yàn)楦哒吓c內(nèi)建多元功能，已在設(shè)備和系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，甚至還有針對(duì)專門功能與需求進(jìn)行開發(fā)。此外期望利用網(wǎng)路的特性來提升多軸作動(dòng)能力、降低總擁有成本（TCO），為伺服馬達(dá)下一步努力的目標(biāo)與趨勢(shì)。

*刊頭圖（source：sir-mo.it）