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    步進電機和伺服電機的區別和應用場景

    2020-12-09 14:18:30 來源: 網絡 侵刪
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    導讀:

    步進電機是離散的運動裝置,相對伺服具有低價優勢電機是機械能與電能之間轉換的裝置。由機械能轉化為電能的電機,稱作“發電機”;把電能轉換成機械能的電機,稱作“電動機”。步進電機、伺服電機都屬于運動控制產品,能對自動化設備的運動軌跡以及運動方式進行精確定位,主要應用于自動化設備制造領域。

    按照步進電機轉子分類,有 3 種類型:反應式(VR 型)、永磁式(PM 型)、混合式(HB型)。1)反應式(VR 型):帶有轉子齒的齒輪。2)永磁式(PM 型):帶有永久磁鐵的轉子。3)混合式(HB 型):同時具有永久磁鐵和轉子齒的齒輪。按照步進電機定子上繞組來分類:有二相、三相、五相等系列。具有兩個定子的電機成為二相電機,具有五個定子的電機稱為五相電機。步進電機的相數和拍數越多,精確度越高。

    編輯

    HB 電機可實現非常精確的小增量步距運動,而 PM 電機一般控制精度要求不高。HB 電機可達到復雜、精密的線性運動控制要求。PM 電機轉矩和體積相對較小,一般控制精度要求不高,成本更為經濟。HB 步進電機主要應用于新興行業:光伏發電、3D 打印等;較新興行業:安防監控;傳統行業:紡織機械、食品包裝。從生產工藝及電機控制精度上看,HB 步進電機較 PM 步進電機較高端。

    步進電機與伺服電機都為運動控制產品,但在產品性能上有所不同。步進電機是一種離散運動的裝置,接到一個命令就執行一步。步進電機把輸入的脈沖信號轉變為角位移。當步進電機驅動器收到一個脈沖信號,驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。伺服電機是指在伺服系統中將電信號轉化為轉矩、轉速以驅動控制對象,可控制速度、位置精度。

    ?步進電機、伺服電機在低頻特性、矩頻特性、過載能力方面都有較大不同:

    控制精度:步進電機的相數、排數越多,精確度越高;交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證,編碼器刻度越多,精度越高。

    ? 低頻特性:步進電機在低速時易出現低頻振動現象,這種由步進電機工作原理決定的低頻振動現象對機器的正常運轉不利,一般采用阻尼技術克服低頻振動現象;交流伺服系統具有共振抑制功能,可涵蓋機械的剛性不足。運轉非常平穩,即使在低速時也不會出現振動現象。

    ? 矩頻特性:步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降,因此其最高工作轉速在300-600RPM;伺服電機在額定轉速以內(一般為 2000-3000RPM)都能輸出額定轉矩,在額定轉速以上為恒功率輸出。

    ? 過載能力:步進電機不具有過載能力;伺服電機有較強過載能力。

    ? 響應性能:步進電機從靜止加速到工作轉速(每分鐘幾百轉)需 200-400 毫秒;交流伺服加速性能更優,可用于要求快速啟停的控制場合。以松下 MASA 400W 交流伺服為例,靜止加速到額定轉速 3000RPM 僅需幾毫秒。

    ? 運行性能:步進電機為開環控制,啟動頻率過高、負載過大易出現丟步或堵轉現象,停止時轉速過高易出現過沖現象;交流伺服為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,一般不會出現步進電機丟步或過沖的現象,控制性能更可靠。

    編輯

    交流伺服在性能方面優于步進電機,但步進電機具有低價優勢。交流伺服在響應速度、過載能力、運行性能等方面都優于步進電機,但步進電機因性價比優勢在一些要求不高的場景使用。在采用閉環技術后,閉環步進電機能提供出色的精度和效率,既能達到伺服電機的部分性能,又具備低價優勢。以雷賽智能的產品為例。2019 步進電機的均價為 120 元/只,而混合伺服、伺服電機的均價分別為 283、633 元/臺,約為步進電機均價的 2-5 倍。

    編輯

    目光前瞻,布局新興領域。步進電機應用發生結構性變化,傳統市場已達到飽和狀態,新興行業不斷興起。公司控制電機及驅動系統產品深度布局醫療儀器、服務機器人、工業自動化、信息通信、安防等新興產業,在業務總體中占比較大,并且增速較快。步進電機需求與經濟、科技、工業自動化水平以及步進電機自身技術發展水平有關。在傳統行業如辦公自動化、數碼相機、家用電器等市場已達到飽和狀態,而新興行業不斷涌現,如 3D 打印、太陽能發電、醫療設備、汽車應用等。

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    新興行業 1:3D 打印在研發技術上不斷突破,在下游應用場景不斷拓寬,國內外市場規

    模都有約 30%的增速。3D 打印以數字模型為基礎,將材料逐層堆積,制造出實體物品。電機是 3D 打印機上重要的動力部件,電機的精度影響 3D 打印效果的好壞,一般 3D 打印采用步進電機。2019 年,全球 3D 打印產業規模為 120 億美元,同比增長 30%;國內 3D 打印行業規模達到 208 億元,同比增長 32%。新興行業 2:移動機器人由計算機控制,具有移動、自動導航、多傳感器控制、網絡交互 等功能,在實際生產中最主要的用途是搬運,非標準化程度較高。

    步進電機應用于移動機器人的傳動模塊上,主要傳動結構由驅動電機、減速齒輪(齒輪箱)組裝而成。國內工業機器人行業雖然相對于國外起步較晚,但在移動機器人領域領先于國外。目前移動機器人核心部件以國產為主,目前國內企業基本上已達到各方面精度要求,且國外競爭企業較少。

    2019 年,中國移動機器人市場規模約 62 億元,同比增長 45%。軟銀機器人集團推出的專業清掃機器人,清潔效率大幅增加。在推出人形機器人”Pepper”之后,于2018年11月宣布推出第二臺機器人”Whiz”?!盬hiz”為智能商用吸塵機器人,安裝有多個感測器,可以檢測障礙物、樓梯和人體移動。充電一次后可連續運行 3 小時,清掃面積可達 1500 平方米?!盬hiz”可替代清潔人員絕大部分日常工作量,并可以在原有清潔工作的基礎上,增加吸塵清掃的頻次。Whiz 每月收費僅 499 美金,預計不到美國清潔工人工資二分之一。

    Whiz 每月訂閱費 499美元起,而美國 2019 年最低工資為 7.25 美元/小時,以每天 8 小時,一個月 4 周計算,一個清潔工人每月薪水約 1160 美金,機器人收費不到一個清潔工人薪水的一半。2019 年 5月開始在日本商業提供 Whiz,隨后在香港、澳門、新加坡、美國推出。截至 2020 年 3 月,全球已銷售 6000 多臺”Whiz”;截至 2020 年 6 月,“Whiz”累計銷售量達到 10000 件。

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    新興行業 3:隨著 5G 推廣,通訊基站天線數量增加,電機需求數量也相應增加。一般情 況下,普通通訊基站需配置 3 面天線,4G 基站需配置 4-6 面天線,而 5G 應用由于需要覆蓋傳統手機通訊及物聯網通訊應用,因此基站和天線數量進一步增加。鳴志電器生產的加齒輪箱組件的控制電機產品為國內主流的基站天線廠定制開發。每面電調天線配套使用一臺加齒輪箱的控制電機。

    4G 基站數量 2019 年新增 172 萬個,5G 建設有望開啟新周期。2019 年,中國移動電話基站數達到 841 萬個,其中 4G 基站數量 544 萬個,占比 65%。2019 年,新增 4G 基站數量172 萬個,為 2015 年來新增最多,主要原因為 1)網絡擴容,覆蓋農村地區盲點。2)提升核心網能力,為 5G 網絡建設打下基礎。中國 5G 商用牌照于 2019 年 6 月發布,到 2020年 5 月,全國開通 5G 基站超過 25 萬個。

    工信部統計顯示,我國 5G 基站數量以每周增加1 萬多個的數量在增長。以每周建設 1 萬個基站計算,一年基站建設數量超過 52 萬個,5G基站建設進入新周期,拉動電機需求數量。

    新興行業5:醫療器械是步進電機的主要應用場景之一,是公司深耕的細分領域之一。從金屬到塑料,醫療器械在生產時對精度的要求較高。很多醫療器械廠家為達到精度要求采用伺服電機生產,但由于步進電機相比伺服經濟性較高、體積更小,且精度可以滿足部分醫療設備,因此步進電機應用于醫療器械制造行業,甚至替代部分伺服電機。

    2019 年,全球醫療器械銷售額 4519 億美元,同比增長 6%,中國醫療器械市場規模 6285 億元,同比增長 18%。全球醫療器械規模增速目前在個位數增速,而國內醫療器械市場每年增速近 20%。醫療器械的增長有望帶動步進電機需求提升。

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    伺服電機的市場口空間

    2018 年中國伺服市場規模為 148億元,而國內步進電機市場規模為 8.6 億元,約為步進電機的 17 倍。由步進電機切入伺服電機,打開數十倍市場空間,且伺服領域有較大的國產替代空間。2018 年伺服市場規模 148 億元,同比增長 4.7%,市占率前三分別為松下、安川、三菱,市占率分別為 13%、12%、12%,CR3 約為 37%。目前國內伺服市場多為外資企業,國產替代空間較大。

    編輯

    作者:孫瀟雅

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