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伺服驱动器:机器人国产替代核心环节 龙头全梳理

时间:2023-09-27 01:09:25

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伺服驱动器:机器人国产替代核心环节 龙头全梳理

近年来,我国制造业的快速复苏,促进了伺服系统及运动控制类产品的快速增长。我国通用伺服系统市场规模同比增长35%。

由于工控行业对产品可靠性要求高于成本考虑,因此国产化率的进一步提升。从产品端分析,国产化率速度(伺服>PLC>变频器),且根据各家工控企业的项目在研进度,预计未来几年有望迎来工控高端领域大规模国产替代。此外,个别细分领域如伺服系统出现“内卷”,在激烈的降本和价格战之后,市场集中度有望提高。

随着工业机器人行业的深化、工业自动化程度进一步提升和智能制造的深入推进,伺服系统市场有望出现新一轮的高速增长。#机器人##工业机器人##伺服系统#

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伺服系统行业概览

伺服系统以物体的位移、角度、速度为控制量,能够跟踪目标任意变化的自动化控制系统。

结构上,伺服系统通常包括伺服驱动器(指令装置)、伺服电机、伺服反馈装置(编码器)三个部分。通常编码器内嵌于伺服电机中,且各厂商获取编码器的方式不一。

控制器下达指令后,由驱动器转化为能够驱动电机旋转的电流。传统的运动控制系统中,控制与驱动板块分离,运动控制精度提升空间有限。

伺服系统主要由伺服驱动器、伺服电机和编码器组成:

伺服性能代表系统整体的技术水平,任何一块短板都会产生木桶效应。此外伺服并不是一个孤立的系统,其应用必然要结合PLC、运动控制器等上端控制系统以及减速机等下位传动结构,很多厂家将驱动的位置环和速度环集于上端控制系统中,并辅以插补和多轴控制等技术,实现更复杂的运动控制,未来伺服产品竞争力也体现在综合自动化产品解决能力上。

伺服驱动器行业概览

机器人关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电驱等。

液压虽然功率 高,但可靠性和精度低,噪音大,成本高;气动柔顺性好,安全性高,但精 度差,时滞高。

电驱因其精度、安静、高效方面的优势逐渐成为主流,其经 过 30 多年的发展,经历了从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过 程。

特斯拉采用的是最早推出,也是相对成熟的刚性驱动器方案。如果电机和减速器性能没有大幅提升的情况下,在双足机器人领域刚性驱动器将会逐步被取代。近几年新兴的准直驱驱动器技术发展迅速,未来有望替代传统的刚性驱动器。

人形机器人关节处使用的伺服驱动器:

资料来源:优必选

伺服驱动器是运动控制系统的核心环节,是伺服系统的大脑和中枢。

其三环由外而内分别是位置环、速度环和电流环,最内环的电流环响应速度要求最高,三环中速度环和电流环是衡量驱动性能指标的标准,电流环的频率响应一般是速度环的固定倍数(4倍以上),因此行业内一般以速度环的频率响应作为性能指标。#6月财经新势力#

伺服驱动器、运动算法和AI技术的发展为人形机器人技术成熟提供可能性:

资料来源:优必选

我国伺服驱动系统短板主要是功率模块、主芯片、编码器等硬件需要进口。但通过关键软件算法改进迭代,电机和驱动器适配性提升,目前已能满足80%以上的应用场景需求,价格和服务更贴近我国市场需求,国产品牌市场份额提升大势所趋。

驱动模块中IGBT是最重要是成本占比最高的部件。

外资品牌中三菱在全球IGBT领域的市场份额超过20%,仅次于英飞凌,其他外资品牌和国内厂商从经销商处采购IGBT,目前国内伺服企业最大的供应商是英飞凌,采购成本视规模而定,且IGBT需求量大的客户在行业供应紧张时供货稳定性更高。

伺服驱动要求高集成化、高功率密度以及高过载能力,碳化硅因其具有更高的开关频率与更低的损耗,在伺服驱动中的表现大大优于IGBT。近年来,各家工控厂商也在陆续布局碳化硅驱动器。

伺服系统市场格局

从伺服系统市场格局来看,外资品牌占有的市场份额更高,由于存在技术壁垒,前十强企业市场集中度达到72%。

其中日系品牌进入我国市场较早,松下电器、安川电机和三菱电机分别占有8.0%/7.7%/7.5%的市场份额;而欧美品牌西门子(10.5%)、欧姆龙(2.3%)和施耐德(1.3%)三者共占据约14.1%的市场份额。

本土品牌经过多年技术积累市场份额持续扩张,,汇川技术以21.5%的市占率位居国产品牌第一,禾川科技(3.4%)、信捷电气(2.6%)、埃斯顿(2.7%)等份额逐渐提高。

工业机器人专用伺服驱动系统已经有五十多年的发展历史,特别是随着近年电力电子技术、电机永磁材料技术、控制总线技术的发展,伺服驱动器在处理速度、响应速度、控制精度等各方面得到了较大的提升。

欧美系品牌伺服驱动器特点是过载能力强、动态性能好、总线技术性能优秀、开发性较好,典型代表是西门子、倍福、贝加莱、罗克韦尔等;日系品牌特点是价格亲民、体积较小、重量轻、动态性能稍弱,能够满足绝大部分的应用要求,典型代表是安川、松下、三菱等;在中高端工业机器人应用行业,国外品牌的伺服驱动器占据了国内工业机器人伺服驱动器市场份额的80%以上。

国内的工业机器人伺服驱动器起步较晚,但是发展迅速,目前已经发展有30多家较大规模的伺服厂家,主要代表是汇川技术、埃斯顿、英威腾、信捷电气、广州数控、迈信等。产业链细分领域部分厂商还包括乐创技术、柏楚电子、维宏股份、金橙子、雷赛智能、固高科技等。

国产伺服驱动系统在功能方面与国外伺服驱动器差距不大,性能方面还有提升空间。在工业机器人的焊接,喷涂,重型搬运等应用领域,国产伺服系统的动态响应能力、自适应能力、过载能力仍需提升。

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