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編碼器的行業應用之編碼器與伺服電機行業:智能制造核心要突破,關鍵在它!
編輯:威海艾迪科電子科技股份有限公司   時間:2019-02-22

中國伺服市場規模

2015年整體的經濟形勢不景氣,一些傳統的制造業對伺服的需求有所放緩。然而,國家對機器人行業以及“工業4.0”的積極推動,刺激了伺服的市場需求增長,特别是網絡型伺服、總線型伺服系統得到了快速發展。整體來看,2015年伺服市場仍保持着較高的增速。

2015年中國伺服市場規模為110億元,預計未來随着工業機器人行業的深化、工業自動化的進一步突進和智能制造的深入推進,伺服市場将會出現新一輪爆發式增長,到2020年,中國伺服市場規模将達到254億元。

2015-2020年中國伺服市場規模

伺服系統是以變頻技術為基礎發展起來的産品,是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統。伺服系統除了可以進行速度與轉矩控制外,還可以進行精确、快速、穩定的位置控制。

伺服系統工作方式

目前應用最為廣泛的電氣伺服系統,通常伺服系統包括伺服驅動器和伺服電機,以及伺服反饋裝置(編碼器)。伺服驅動器屬于自動化控制系統中的驅動層,伺服電機屬于執行層。伺服驅動器和伺服電機如今已經成為智能制造的必備品。

伺服系統的工作過程可以簡單理解為上位機(PLC、控制卡)發出脈沖信号驅動伺服電機,由上位機來控制整個伺服運動,編碼器是一個反饋單元,用來檢查伺服電機執行了多少脈沖信号并反饋給驅動器,從而進行精确閉環控制。

伺服電機編碼器是安裝在伺服電機末端用來測量伺服電機轉角及轉速的一種傳感器,通常内置在伺服電機末端。伺服電機編碼器,目前自控領域常用的是光電編碼器和磁電編碼器。光電編碼器通過光電碼盤反射光信号數量确定電機轉子轉動角度,而磁電編碼器通過磁場感應元器件來感應電機轉子轉動所帶來的磁場變化來确定電機轉子位置。光電式編碼器進度主要由碼盤刻度線精度決定,精度越高,刻度線越多,碼盤體積越大,其技術難點就在于碼盤的加工生産;磁電式編碼器使用磁場感應元器件代替碼盤,因此可以在提高精度的同時保證體積相對較小,所以在高精度但對編碼器體積有要求的前提下使用磁電編碼器,同時磁電式編碼器采用的磁場感應工作原理,相對于光反射過程相對簡單,過程更為可靠。但是磁電編碼器價格比較昂貴,目前僅在精度要求、工況要求相對較高的領域适用,随着未來磁場感應元器件價格的下降,磁電式編碼器将會有替代光電式編碼器的趨勢。

編碼器作為伺服系統的信号反饋裝置,很大程度上決定了伺服系統的精度。伺服驅動器驅動電機運轉,電機帶着編碼器旋轉,編碼器的反饋型号輸送到控制器,控制器就能知道電機的運轉情況,從而得出電機的轉速,移動位置和移動距離等。控制器根據編碼器反饋的信号經過計算得出偏差結果,再次控制電機運動,糾正偏差,從而精确控制電機的轉速、位置、距離和力矩等系統變量。

伺服編碼器内部結構

編碼器技術作為伺服系統的核心技術之一,高精度編碼器研發難度非常大,目前國内和國外的伺服系統大部分廠商都是匹配第三方編碼器。目前世界上編碼器龍頭企業是德國Heidenhain公司,其産品選型範圍廣,品種齊全;比較著名的公司還有日本的尼康和佳能,他們憑借在光學儀器生産中常年積累的經驗,生産的光電式編碼器具有性能穩定,精度高,使用壽命長等優點。

随着國内研發投入的不斷提高,目前部内企業已經掌握編碼器技術,比如彙川技術已經能夠生産出達到國際領先水平的23位編碼器,從而降低了整個伺服系統的制造成本,在行業競争中取得優勢。

伺服系統未來發展趨勢

數字化、智能化、簡易化、網絡化和高效化是伺服系統的未來發展趨勢。随着電子技術水平的不斷提高,伺服系統的發展也在不斷升級。現代伺服系統多采用交流伺服驅動系統,随着工業4.0、工業物聯網等理論的提出,現代伺服系統正逐漸向數字信号控制、網絡模塊控制方向轉變。數字控制技術、總線控制技術等現代化技術已經逐漸被高端伺服廠商采用。随着智能制造的逐步發展,五大發展趨勢将逐步顯現。

1. 數字化

數字控制技術取代模拟控制電路在伺服系統中是一種必然趨勢。以模拟電子器件為主的伺服控制單元将會被采用全數字處理器的伺服控制單元全面取代。在伺服控制方面将逐步轉變為軟件控制,以便在伺服系統中應用現代先進的控制方法。數字化控制相比傳統控制方法,在響應數度和運動精度等方面得到了全面提升。

2. 智能化

智能化主要是指伺服驅動器智能化。目前伺服内部控制核心大都采用新型高速微處理器和專用數字信号處理機(DSP),,伺服系統數字化是其實現智能化的前提條件。智能化趨勢是運行參數都可以通過人機對話的方式來設置;故障自診斷與分析;參數自動修正的功能等。

3. 簡易化

簡易化不是簡單而是精簡,是根據用戶情況,将用戶使用的伺服功能予以強化,使之專而精,而将不使用的一些功能予以精簡,從而降低了伺服系統成本,為客戶創造更多的收益,嘗試從客戶的實際需要出發,形成簡易模塊化編程操作,使客戶使用簡便快捷。

4. 網絡化

即構建網絡型、總線型伺服系統。現場總線是一種應用于生産現場,在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術,構建總線型伺服是實現工業物聯網的必要途徑之一。

5. 高效化

伺服系統将會采用更精度的編碼器,提高系統的采樣精度,同時提高伺服驅動器的産品性能,不斷優化逆變器驅動電路,提供更快數據處理速度和伺服系統的加減速性能。

伺服系統國産化步伐加快。

我國伺服系統的發展曆程大緻可以分為三個階段,第一階段是70年度時期,伺服系統首先被應用于國防科技、軍工等高端制造行業。第二階段是80年代以後,伺服系統開始在一些高端民用制造中得到嘗試;2000年以後,随着制造強國等戰略的提高,我國制造業水平提到很大提升,伺服系統在我國高端制造業中得到大範圍應用,但使用的幾乎都是國外的伺服系統。

目前,國外伺服企業在中國的市場占有率達75%,其中日本品牌占比為50%,占據了我國伺服系統市場一半的份額。其著名品牌包括松下、三菱電機、安川、三洋、富士等,産品特點是技術和性能水平比較符合中國用戶的需求;歐美品牌占比25%,美國以羅克韋爾、丹納赫、帕光等聞名,而德國則擁有西門子、倫茨、博世力士樂、施耐德等品牌。國産品牌占據了20%的市場,其中内地品牌和台灣品牌分别占據10%的市場,中國台灣以東元和台達為代表,其技術水準和價格水平居于進口中端産品和内地品牌之間;中國内地的品牌主要有華中數控、廣州數控、埃斯頓、彙川技術、英威騰等。伴随着國産伺服技術研發水平的不斷提升,國産伺服系統進口替代的步伐将會加快。

武漢華中數控股份有限公司創立于1994年,是首批國家級“創新型企業”。已獲得國家科技進步二等獎1項、省部級科技進步一等獎4項,有9項産品被評為國家級重點新産品。

華中數控的伺服驅動産品有:HSV-180AS全數字交流伺服主軸驅動單元、HSV-180AD全數字交流伺服進給驅動單元、HSV-160B系列伺服驅動單元、HSV-160U系列交流伺服驅動單元、HSV-180U系列交流伺服驅動單元、HSV-180D數字交流伺服進給驅動裝置、HSV-162A全數字交流雙軸伺服驅動單元、HSV-160B全數字交流伺服驅動單元,産品豐富。

深圳市彙川技術股份有限公司是國家高新技術企業,掌握了高性能矢量變頻技術、PLC技術、伺服技術和永磁同步電機等核心平台技術。經過十幾年的發展,公司已成為國内工業自動化控制領域的領軍企業,在銷售收入、盈利水平、技術創新等方面均處于國内行業領先水平。

英威騰是國家火炬計劃重點高新技術企業,目前擁有16家控股子公司,依托于電力電子、電氣傳動、自動控制、信息技術等關鍵技術的掌握,主要産品涵括高、中、低壓變頻器、電梯智能控制系統、伺服系統、PLC、HMI、電機和電主軸、SVG、UPS、光伏逆變器、節能減排在線管理系統、軌道交通牽引系統、新能源汽車電控系統等。

DA200高性能通用交流伺服系統是英威騰投入大量資源,傾力打造的明星升級産品,超群的速度響應、出色的定位精度、領先的抑振技術隻為激發驅動控制無限潛能,實現伺服與人、機械和環境的完美和諧。

随着産生升級和制造業變革加速,電子設備制造行業(包括傳統電子設備、半導體、液晶、LED)及機器人行業受政策利好及市場需求量快速增加等因素影響,行業自身及對伺服需求量快速增長。伺服系統衆多下遊行業符合國家産業政策所鼓勵的發展方向,随着中國裝備制造業整體性的産業升級,其自動化、數控化、智能化的發展方向為伺服系統産品提供了十分廣闊的市場空間。

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