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伺服电机行业研究报告

时间:2024-02-20

来源:工控行业魔方

导语:伺服电机作为整个自动化系统的执行单元,通过电机的运转,完成速度和位置的精确控制。与普通电机不同的是,伺服电机需要将整个系统的位置、速度等信息,通过编码器反馈给控制器,从而使得控制器更加准确的对伺服电机进行控制。

  一、伺服电机行业简介

  1、什么叫伺服电机?

  伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。

伺服电机


  伺服电机作为整个自动化系统的执行单元,通过电机的运转,完成速度和位置的精确控制。与普通电机不同的是,伺服电机需要将整个系统的位置、速度等信息,通过编码器反馈给控制器,从而使得控制器更加准确的对伺服电机进行控制。

  伺服电机可以控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。

  伺服电机组成部分分解如下:

  

伺服电机


  伺服电机结构示意图如下:

伺服电机结构示意图

  2、伺服电机的分类

  伺服电机在自动化控制系统在往往与终端执行机构相连,因此也被成为执行电机。伺服电机在伺服系统中作为执行元件,其作用是将伺服控制器的脉冲信号转化为电机转动的角位移和角速度。

  伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类,与普通电机相比其主要特点是,其通常搭配反馈装置一起使用,实现精准控制。

  

伺服电机


  1)直流伺服VS交流伺服电机

  从性能的角度来看,交流和直流电机之间的主要区别在于速度控制。对于直流电机,速度与恒定负载的电源电压成正比,而在交流电机中,速度由施加电压的频率和磁极数决定。

  交流伺服电机分为同步电机 和异步电机(感应电机),同步电机包含永磁体,为了增加电机输出扭矩或者力,永磁体的使用量增加,因此成本更高,它们被广泛用于低功率应用(一般不超过10kW)。然而,随着近年来高性能永磁体的出现,同步交流伺服电机现已成为默认选项,实际上,一些最常见的高性能工业伺服电机是三相同步无刷交流电机。

  异步电机不使用永磁体,往往用于更高输出的应用,比如10kW 或更高。

  虽然交流和直流电机都用于伺服系统,但交流电机能承受更高的电流。同时,在无刷直流电机(BLDC )电机中,定子线圈呈梯形缠绕并产生梯形反电动势波形,这往往会产生可听噪声,换向分六步实现,这会产生转矩脉动。一方面,同步交流电机具有正弦绕组定子并使用连续的正弦换向,从而消除了 BLDC 电机所经历的转矩脉动。这使得同步交流电机成为高性能工业伺服应用的首选。例如机器人,在线制造和其他需要高重复性和高精度的工业应用。

  2)有刷伺服电机VS无刷伺服电机

  有刷电机通常更便宜,操作更简单,而无刷设计更可靠,效率更高,噪音更小。

  虽然伺服系统中使用的大多数电机都是无刷设计,但有时采用有刷永磁直流电机作为伺服电机,因为它们简单且成本低。伺服应用中最常见的有刷直流电机类型是永磁直流(PMDC)电机。无刷直流(BLDC)电机也用于伺服系统。无刷直流电机用电子方式代替物理电刷和换向器,通常使用霍尔效应传感器或编码器。

  3、伺服电机工作原理

  电机是伺服系统中的一个执行机构。驱动器的结构简图如下,和变频器的主电路类似,电源经过整流,逆变,实现从AC→DC→AC的转换。

  

伺服电机

  输入信号/命令可以是位置、速度、扭矩等控制信号,对应伺服电机的三种控制模式,每种控制模式都对应着环的控制,扭矩控制是电流闭环控制,速度模式是速度闭环控制,位置模式则是三闭环控制模式(扭矩、速度、位置)。下面我们对位置模式的三闭环进行分析:

  

伺服电机


  位置模式的三闭环控制

  上图中M表示伺服电机,PG代表编码器,最外面的蓝色的代表位置环,因为我们最终控制的是位置(定位),内环分别是速度环和电流环(扭矩环),位置模式下速度环和电流环作为保护环防止失速控制和过载以确保电机恒速运转和电机电流恒定。我们重点看下位置环是如何确保电机能够准确旋转给定的角度。

  假如我们给定脉冲为1个,此时反馈脉冲为0,脉冲偏差△p=1,输入到控制器中,这时候驱动电路控制IPM逆变器产生SPWM波驱动伺服电机旋转,注意这个SPWM波和我们plc发脉冲的方波是不一样的,时电机带动编码器旋转发出反馈脉冲,这个时候△p=0,电机停止输出,1个脉冲定位完成。整个从发出脉冲到接受反馈脉冲的过程就是一个闭环过程,从而确保电机能够准确定位,脉冲的数量决定定位的距离,脉冲的频率决定电机的转速。

  4、如何进行伺服电机的选型

  1)确定电机的机构部分,确定各机构零件(滚珠丝杆的长度,导程和带轮直径等)的细节;

  2)确定运转模式,如加减速时间、匀速时间、停止时间、循环时间、移动距离等;

  3)计算负载惯量和惯量比,结合各机构部计算负载惯量(请参照普通的惯量及其计算方法),并且用所选的电机的惯量去除负载惯量,计算惯量比;

  4)计算转速,根据移动距离、加减速时间、匀速时间计算电机转速;

  5)计算扭矩,根据负载惯量和加减速时间、匀速时间计算所需的电机转矩;

  6)选择电机,选择能满足以上几项条件的电机。

  二、伺服电机的生产流程

  

伺服电机


  三、伺服电机的上下游产业链

  伺服电机的主要原材料为编码器、硅钢、钕铁硼磁性材料等。其中编码器作为伺服电机的核心元器件之一,约占总成本的1/3。与IGBT类似,编码器的供应商大部分为国外厂商,尤其机器人上用的多圈绝对值编码器,严重依赖进口。

  

伺服电机


  四、中国伺服电机市场情况

  1、中国伺服电机市场地位

  2022年,日本、欧美和台湾品牌占领了中国伺服电机市场的绝大多数份额,国产品牌占比只有17.8%,且有持续缓慢恶化的趋势。

  

伺服电机


  2、2018-2025E年中国伺服电机市场规模走势

  中国伺服电机市场持续增长,2023年,中国伺服电机市场将达到234亿元,预计到2025年,中国伺服电机市场规模将达到281亿元。

  

伺服电机


  3、中国伺服电机运用场景

  中国伺服电机主要运用在机床工具(占比20.4%)、电子制造设备(占比14.5%)、纺织机械(占比12.1%)、包装机械(占比10.8%)、塑料机械(占比9.6%)、机器人(9.2%)、食品机械(占比4.2%)、橡胶机械(3.9%)和医疗设备(占比2.7%)行业中。

  

伺服电机


  五、中国主要伺服电机企业情况

  

伺服电机


  国外品牌占据了中国伺服点击市场近70%的市场份额,他们来自日本和欧美。其中,日系产品以超过45%的市场份额雄踞首位,其著名品牌包括安川、松下、三菱电机、三洋、富士等;在欧美品牌中,美国以罗克韦尔、丹纳赫、帕克等闻名,而德国则拥有西门子、伦茨、博世力士乐,法国有施耐德等品牌,英国的Control Technology、SEW也有相当的优势。这些欧美品牌总的市场占有率大约在20%;除日本、欧美伺服品牌外,以东元和台达为代表的台系伺服在中国市场的推广也如火如荼,市场占有率从几年前的微不足道提高到大约10%。

  六、中国伺服电机行业展望

  随着时代的不断发展,伺服电机作为重要的动力元件,在机械和电子行业中得到了广泛的应用。根据市场需求和技术发展,伺服电机的发展趋势也会紧跟时代的潮流,未来的发展趋势是:

  1、采用高效功率驱动电路

  高效功率驱动电路具有低功耗、高可靠性和稳定性,能够满足各种应用领域的高性能要求,是伺服电机未来发展的重要方向。

  2、发展低噪声伺服电机

  由于伺服电机无法完全避免噪音,所以发展低噪声伺服电机无疑是企业技术发展中的热点。企业将努力改善结构设计,研发一系列低噪声伺服电机,以满足不同应用场合的需求,提高伺服电机的适应性。

  3、发展高性能伺服电机

  主流的伺服电机功率不断提高,加上智能控制系统,伺服电机的精度、响应速度和稳定性也得到了显著的改善。未来进一步研究市场需求和技术发展,企业将发展更高性能的伺服电机,从而满足市场的需求。

  4、研发更加节能的伺服电机

  伺服电机直接耗费的大部分能量是电能,一般情况下,电动机只能转换50%的电能为机械能,其余50%损失为热能。

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