2022年中国伺服电机行业研究报告.pdf
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1、自动化设备的筋脉,应用领域持续拓展2022年中国伺服电机行业研究报告概览标签:伺服电机、伺服系统、伺服控制、伺服驱动器、伺服编码器、工业自动化、工业控制、反馈元件、励磁绕组、感应线圈、导磁材料、光栅尺、旋转变压器、变频器、汇川技术、埃斯顿2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理伺服电机:伺服电机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
2、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。交流伺服电机:交流伺服电动机的结构主要可分为两部分,即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同,在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组,另一组为控制绕组,交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。直流伺服电机:直流伺服电机包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。伺服系统:
3、伺服系统又称随动系统,是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。伺服驱动器:伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用来控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、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,是传动技术的高端产品。伺服编码器:伺服编码器是安装在伺服电
4、机上用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速的一种传感器,从物理介质的不同来分,伺服电机编码器可以分为光电编码器和磁电编码器,另外旋转变压器也算一种特殊的伺服编码器,市场上使用的基本上是光电编码器。名词解释2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理前端盖轴承中心轴转子定子后轴承编码器后端盖电机的定义电机 广义上指电动机和发电机,但一般情况下就以电机作为电动机的简称,且电动机和发电机原理可逆,都是利用电磁感应原理进行电能和机械能的相互转换。按照最常用的电源分类方式可将电机分为直流电机和交流电机,其中直流电机根据有无电刷分为有刷和无刷电机,交流电机根据转子和磁场的运转同步与否分为同步电机
5、和异步电机;电机的另外一种分类方式是按照用途划分,主要分为驱动电机和控制电机两类;控制电机包括步进电机和 伺服电机。伺服电机的定义伺服电机 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。中国伺服电机行业市场概述基本概
6、念与结构形态伺服电机的构造资料来源:鸣志电器官网,行行查研究中心伺服驱动与伺服电机深度绑定,与控制器、编码器等配件共同构成 伺服系统。伺服驱动器的主要功能是控制伺服电机,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分,主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、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,是传动技术的高端产品,因此伺服电机可以理解为 绝对服从控制信号指挥 的电机。伺服电机的内部结构伺服电机主要由 定子 和 转子 构成。定子上有两个绕组,励磁绕组和控制绕组。其内部的转子是永磁铁或感应线圈,导磁材料,转子在由励磁绕组产生的旋转磁场的作用下转动。同时伺
7、服电机自带编码器,驱动器实时的接受到编码器的反馈信号,再根据反馈值与目标值进行比较来调整转子转动的角度。由此可见,伺服电机的控制精确度很大程度决定于编码器的精度。2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理 同步型交流伺服电动机 直流电动机内部构造较为简单。它的定子与感应电动机一样,都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同,按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。数控机床中多用永磁式同步电动机。直流伺服电机直流伺服电机的基本构造与一般直流电动机相似,分为有刷和无刷电机。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
8、护,但维护方便,产生电磁干扰,对使用环境有要求,通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合。交流伺服电机交流电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似,其定子上装有两个位置互差90的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。异步型交流伺服电动机 即交流感应电动机,它有三相和单相之分,也有鼠笼式和线绕式,通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单,与同容量的直流电动机相比,质量轻1/2,价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速,必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。中
9、国伺服电机行业市场概述电机分类与优缺点分析资料来源:正成电气,鑫永电机,晟信誉机电,行行查研究中心伺服电机优缺点对比伺服电机的分类无刷电机交流电机非电磁式同步电机有刷电机直流电机伺服电机电磁式异步电机伺服驱动器比DC电机用的略微复杂电机与伺服驱动器必须一对一使用永久磁铁的磁力可能会逐渐减弱无需维护适应能力强;小型轻便可输出大转矩停电时可进行发电制动功率变化率大小容量机型的低效率伺服驱动器比DC电机用的略微复杂停电时不能发电制动特性随温度而波动SM(同步)型AC伺服电机必须对整流子部位进行维护和定期检查因DC伺服电机会产生电刷粉末,故不能用于有洁净要求的环境因电刷的缘故,不适于 高速、大转矩用途
10、永久磁铁的磁力可能会逐渐减弱无需维护环境适应能力强可输出大高速、大转矩大容量机型效率高伺服驱动器结构简单停电时可进行发电制动小容量机型价格低DC伺服电机IM(感应)型AC伺服电机种类优点缺点示意图资料来源:中国产业信息网,OFweek,行行查研究中心 无刷电机 体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况,效率很高,运行温度低噪音小,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理步进电机 是一种离散运动的装置,接到一个命令就执行一步
11、。步进电机把输入的脉冲信号转变为角位移。当步进电机驱动器收到一个脉冲信号,驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。伺服电机 是指在伺服系统中将电信号转化为转矩、转速以驱动控制对象,可控制速度、位置精度。通过综合性能对比,相对于步进电机,伺服电机在控制精度、运转的平稳性、转速、过载能力、响应速度等方面均有明显优势。关于伺服电机产品性能,欧系产品优势更为明显,尤其在要求高速度和精度领域;日系伺服产品的稳定性较好,可以满足大部分应用领域的需求,尤其是小功率电机,性价比优势明显;国产伺服与外资尚存在一定的差距,主要体现在高低速防振动方面。中国伺服电机行业市场概述伺服电机与步进电机性能对比资料来源:
12、电子发烧友网,行行查研究中心资料来源:高工产研(GGII),行行查研究中心步进电机和伺服电机综合性能对比安川(日系)多摩川(日系)汇川(国产)西门子(欧系)型号SGMPH-08ATS4614N1680E200IS620-S5R511FK7042-2AF21-1功率750W750W750W800W额定电压(V)200200220240额定转矩(Nm)2.392.392.392.6最大转矩(Nm)7.167.167.1610.4额定转速(rpm)3000300030003000最高转速(rpm)5000500060005000额定电流(A)4.154.63.95转子惯量(kgm2)2.11.061
13、.32.9保护方式(全封闭自冷)IP55IP42IP65IP65速度环频率(HZ)1.5k1.2k1.2k2k伺服电机产品性能比较步进电机伺服电机运行性能开环控制,启动频率较高或者负载过大的情况下会出现丟步等状况,停止情况下转速过高将会发生过冲状况闭环控制,驱动器直接对电机编码器反馈信号信息采样,内部构成位罝和速度环,通常不会发生丟失状况,控制性能比较稳定控制精度步进电机的相数和拍数越多,它的精确度就越高取决于自带的编码器,编码器的刻度越多,精度就越高。一般而言,分辨率相比步进电机要高低频特性在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关伺服电机运转非常平稳,即使在低速时也不会
14、出现振动现象矩频特性输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降伺服电机为恒力矩输出过载能力通常自身不含有过载能力自身含有一定的过载能力速度响应性能从静止加速到工作运行状况,通常为每分钟几百转,消耗的时间为300ms加速性比较高,从静止加速到额定转速3000EPM仅仅需要消耗几毫秒,能够应用在要求快速停止的坏境中2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理中国伺服电机行业发展历程国产伺服起步较晚,发展迅猛全球伺服系统的研发与应用主要经历了机械、液压、电气化伺服三个阶段。上世纪60年代以前,主要是以液压伺服系统或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代;60-70年代 直流伺服电动
15、机诞生,此阶段伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。80年代至今,由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展,出现了无刷直流伺服及交流伺服等新产品,结合微电子技术的快速发展,伺服系统的控制方式也迅速由模拟控制向数字控制转变,带来的直接影响就是伺服系统的反应速度、反应精度以及智能化水平的大幅提升。我国从1970年代开始跟踪开发交流伺服技术,主要研究力量集中在高等院校和科研单位,包括北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。此时多以军工、宇航卫星为主要应用方向,不考虑成本因素。80年代之后开始进入工业领域。2000年左右,国产同服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态
16、,技术水平和可靠性难以满足工业需要。此后,随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间,国内一些单位也开始推出自己品牌的交流伺服产品。资料来源:行行查研究中心70年代直流伺服电机得到广泛应用50年代以前伺服系统由传统液压控制向电气控制转变90年代以后交流伺服系统由模拟控制向数字控制进化80年代交流伺服控制系统和交流伺服电机逐步普及50年代直流无刷电机实现了产品化,在机械设备上逐步普及液压伺服或以功率步进电动机直接驱动,伺服系统的位置控制为开环系统直流伺服电机全盛发展时期,伺服系统位置控制由开环系统发展成为闭环系统无刷直流伺服电机与交流伺服电机出现,交流伺服控制方式向
17、数字控制进化,控制器实现方式由硬件向软件发展第二阶段20世纪60年-70年代第一阶段20世纪60年代以前第三阶段20世纪80年代以来全球伺服系统发展历程伺服电机发展历程资料来源:数控机床电气控制,行行查研究中心2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理中国伺服电机行业伺服系统常见分类方式介绍(1/2)伺服系统 又称随动系统,是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。
18、在很多情况下,伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角),其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统目前有三种分类方式,分别是按照 系统功率大小、按照液压元件 和 按控制原理分类。(1)按照功率大小,可分为小型伺服、中型伺服和大型伺服系统。大型伺服是指系统功率大于5KW,主要用于驱动重型机械设备;中型伺服是指功率介于1KW和5KW之间,在OEM市场得到广泛应用;小型伺服是指系统功率小于1KW,主要应在在中低端OEM市场。(2)按照液压元件,伺服系统可分为液压伺服系统、电气伺服
19、系统和气动伺服系统;(3)按控制原理分类,伺服系统可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。资料来源:中国工控网,行行查研究中心资料来源:高工机器人,行行查研究中心伺服系统按液压元件及控制原理分类伺服系统按系统功率大小分类 按液压元件分类功率主要应用小型伺服1KW小型机械:电子装配、小型机床、小型包装机械、印刷机、雕刻机等中型伺服1KW5KW中型机械:铣床、注塑机、枕式包装机、钻孔机等大型伺服5KW大型机械:大型铣床、大型数控机床、大型注塑机、风力发电机组等伺服系统液压伺服系统电气伺服系统气动伺服系统直流伺服交流伺服伺服系统开环控制伺服系统闭环控制伺服系统半闭环控制伺服系统
20、 按控制原理分类2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理中国伺服电机行业伺服系统常见分类方式介绍(2/2)控制原理决定了伺服系统的控制精度与应用场景。按照控制原理的不同,伺服系统可分为 开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统 和 半闭环控制伺服系统。开环伺服系统 即无位置反馈的系统,其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达。这两种驱动元件的工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换,它不用位置检测元件实现定位,而是靠驱动装置本身,转过的角度正比与指令脉冲的个数;运动速度由进给脉冲的频率决定。开环伺服系统的结构简单,易于控制,但精度差,低速不平稳,高速扭矩小。一般用于轻载负载变化不大
21、或经济型数控机床上。闭环伺服系统 是误差控制随动随动系统。数控机床进给系统的误差,是CNC输出的位置指令和机床工作台(或刀架)实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置,因此需要有位置检测装置。该装置测出实际位移量或者实际所处的位置,并将测量值反馈给CNC装置,与指令进行比较,求得误差,依次构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制,反馈测量装置精度很高,所以系统传动链的误差,环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿,从而大大提高了跟随精度和定位精度。资料来源:行行查研究中心开环伺服系统示意图闭环伺服系统示意图半闭环伺服系统示意图 半闭环系统:位置检测元件不直接安装在进
22、给坐标的最终运动部件上,而是中间经过机械传动部件的位置转换,称为间接测量。亦即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外,在环外的传动误差没有得到系统的补偿,因而这种伺服系统的精度低于闭环系统。半闭环和闭环系统的控制结构是一致的,不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件,传动误差均可被补偿。理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响,系统稳定性难以调整。速度检测位置控制调节器速度控制调节器功率驱动实际速度反馈实际位置反馈+-+-位置指令测速发电机或编码器伺服电机位置检测信号处理位置控制调节器速度控制调节器功率驱动实际速度反馈实际位置反馈+-+-位置指令编码器伺服
23、电机步进驱动装置控制器相电压脉冲串方向脉冲步进电机资料来源:电工之家,电子发烧友,行行查研究中心资料来源:电工之家,电子发烧友,行行查研究中心2022 HangHangCha来源:行行查研究中心整理中国伺服电机行业伺服系统伺服电机是核心执行结构伺服系统由 伺服驱动器、伺服电机、编码器 三部分组成。伺服驱动器负责将从控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能够执行的命令,再传递给执行机构(伺服电机);伺服电机将收到的电流信号转化为转矩和转速以驱动控制对象,实现每一个关节的角度、角速度和关节转矩的控制;编码器作为伺服系统的反馈装置,很大程度上决定伺服系统精度。编码器安装在伺服电机上,与电机同步旋转,
24、电机转一圈编码器也转一圈,转动的同时将编码信号送回控制器,控制器据以判断伺服电机的转向、转速、位置信息。伺服电机:工业生产流程每个环节会被布置多个电机。电机目前主要分为交流电机和直流电机两类。直流电机功率大、调速特性平滑、调速范围宽广,但是关键部件电刷容易损坏;交流电机结极简单,没有电刷,后期维护斱便。在实际运用中,交流电机越来越受到欢迎。伺服驱动器:伺服驱动器主要接受控制器信号指令,然后放大为功率信号,驱动电机工作。伺服驱动器由位置控制单元、速度控制单元和驱动单元三部分极成。检测反馈元件:为了实现闭环控制,在电机辒出轴同轴装上编码器,电机与编码器同步旋转,电机转一圈编码器也转一圈,转动的同时
25、将编码信号送回控制器,控制器根据编码信号判断伺服电机的转向、转速、位置是否正确,据此调整驱动器辒出电源频率及电流大小。资料来源:工控网,行行查研究中心位置指令位置控制调节器速度控制调节器功率驱动速度检测位置检测位置控制速度控制实际速度反馈实际位置反馈机械传动机构电机+-+-组成部分功能介绍主要产品伺服电机根据驱动器传过来的电能,精确完成角度、速度的旋转包括交流同步伺服电机,交流异步伺服电机,直流电机等。交流永磁同步电机是主流伺服驱动器是驱动伺服电机运转的传动单元,根据控制指令变化自身电流、功率等,完成能量转化包括交流伺服驱动,直流伺服驱动等检测反馈元件检测电机的速度和位移,反馈给驱动器;检测负
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