第一节 交流伺服驱动系统 行业 宏观经济环境 分析
交流伺服驱动系统的技术水平和实力直接影响并决定着其他产业和产品的竞争力,是一个国家综合国力的重要体现。尤其是重大成套技术装备的制造能力和制造水平,是一个国家科技、经济、工业现代化水平的综合体现。世界各工业强国,无一例外都是重大装备制造业的强国。
2005年-2011年前三季度我国GDP增长变化图
单位:亿元
2009-2011年我国CPI指数同比增长变化情况
我国经济的平稳快速发展为交流伺服驱动系统 行业 的发展创造了良好的外部宏观环境。
第二节 交流伺服驱动系统 行业 相关政策及影响 分析
在国家大力振兴装备制造业、产业结构调整、关键大型设备自主化、替代能源、节能减排等多项政策影响下,我国的重大技术装备类交流伺服驱动系统产品迎来了新一轮发展机遇。
近些年国家出台的政策中,值得引起交流伺服市场注意的是:国发〔2009〕《纺织工业调整和振兴 规划 》、《电子信息产业调整和振兴 规划 》、《汽车产业调整和振兴 规划 》,三份 规划 的 规划 期均为2009—2011年。
《纺织工业调整和振兴 规划 》针对 规划 的目标中所提到的“科技支撑力显著提高、节能减排取得明显成效。、淘汰落后取得实质性进展。”具体到:“高新技术产品的产业化及应用取得显著进展,具有国际先进水平的纺织技术装备比重提高到50%左右,”、“全 行业 实现单位增加值能耗年均降低5%、水耗年均降低7%、废水排放量年均降低7%。”、“到2011年,淘汰75亿米高能耗、高水耗、技术水平低的印染能力,淘汰230万吨化纤落后产能,加速淘汰棉纺、毛纺落后产能。”
《电子信息产业调整和振兴 规划 》中提到,“加速 行业 解决方案的开发和推广,组织开展 行业 应用试点示范工程,支持RFID(电子标签)、汽车电子、机床电子、医疗电子、工业控制及检测等产品和系统的开发和标准制定。支持信息技术企业与传统工业企业开展多层次的合作,进一步促进信息化与工业化融合。”
《汽车产业调整和振兴 规划 》中关于“推广使用节能和新能源汽车”中提到,“启动国家节能和新能源汽车示范工程,由中央财政安排资金给予补贴,支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等节能和新能源汽车。县级以上城市人民政府要制订 规划 ,优先在城市公交、出租、公务、环卫、邮政、机场等领域推广使用新能源汽车;建立电动汽车快速充电网络,加快停车场等公共场所公用充电设施建设。”
纺织 行业 ,交流伺服应用份额占8%左右,预计2010年可以增长到3亿元的市场规模,特别在印染方面,加上国家对淘汰落后产能的政策,此方面的增长应当是今年纺织应用 行业 的主要增长点之一。
电子专用设备方面,交流伺服占据近9个点的应用市场, 规划 中提到的相关的 行业 中,机床、医疗等 行业 中,机床是交流伺服应用市场中最重要的组成部分,医疗器械 行业 是交流伺服未来发展的重要潜力 行业 ,而增加应用于电子专用设备产品的同时,也可以视为是增加在机床及医疗器械 行业 中的应用份额。2010年在此范围的市场应用规模预估在3.2亿元左右。
汽车 行业 ,近几年在大家的视线中,无论提到“节能减排”,还是提到“国家优惠政策”均少不了政府对汽车 行业 的提及,可见是重视再重视。虽然从目前来看交流伺服目前应用于汽车 行业 的不足3%的份额,但各地政府积极采购新能源汽车作为市政采购的一部分,可见未来五年中,应用于新能源汽车的交流伺服市场将会较现在的市场规模翻一番。
第三节 交流伺服驱动系统 行业 技术工艺 发展 分析
伺服系统伴随着伺服电动机的发展而发展,主要经历了三个主要发展阶段:第一个发展阶段是20世纪60年代以前,以步进电动机驱动的液态伺服电动机或以功率步进电动机直接驱动为中心,伺服系统的控制为开环系统。第二个发展阶段是20世纪六七十年代,直流伺服电动机诞生并全盛发展,由于直流电动机具有优良的调速性能,被很多高性能驱动装置采用,伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。第二三个发展阶段是20世纪80年代至今,以机电一体化时代为背景。与其相适应的伺服驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,且调试、使用简单,因而倍受青睐。
20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有:
1、无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低。
2、定子绕组散热比较方便。
3、惯量小,易于提高系统的快速性。
4、适应于高速大力矩工作状态。
5、同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期,各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能完全满足运动控制的要求,近年来随着微处理器、新型数字信号处理器(DSP)的应用,出现了数字控制系统,控制部分可完全由软件进行,分别称为永磁交流伺服系统。
到目前为止,高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器,其中D系列适用于数控机床(最高转速为1000r/min,力矩为0.25~2.8N.m),R系列适用于机器人(最高转速为3000r/min,力矩为0.016~0.16N.m)。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制,力矩波动由24%降低到7%,并提高了可靠性。这样,只用了几年时间形成了八个系列(功率范围为0.05~6kW)较完整的体系,满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
以生产机床数控装置而著名的日本法奴克(Fanuc)公司,在20世纪80年代中期也推出了S系列(13个规格)和L系列(5个规格)的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数,适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。
日本其他厂商,例如:三菱电动机(HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列)、东芝精机(SM系列)、大隈铁工所(BL系列)、三洋电气(BL系列)、立石电机(S系列)等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。
德国力士乐公司(Rexroth)的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。
德国西门子(Siemens)公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类,共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比,重量只有后者的1/2,配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列,最多的可供6个轴的电动机控制。
德国宝石(BOSCH)公司生产铁氧体永磁的SD系列(17个规格)和稀土永磁的SE系列(8个规格)交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。
美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分部(Motion Control Division),生产M600系列的交流伺服电动机和A600 系列的伺服驱动器。后合并到AEG,恢复了Gettys名称,推出A700全数字化的交流伺服系统。
美国A-B(ALLEN-BRADLEY)公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。
I.D.(Industrial Drives)是美国著名的科尔摩根(Kollmorgen)的工业驱动分部,曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的(Goldline)永磁交流伺服电动机,包括B(小惯量)、M(中惯量)和EB(防爆型)三大类,有10、20、40、60、80五种机座号,每大类有42个规格,全部采用钕铁硼永磁材料,力矩范围为0.84~111.2N.m,功率范围为0.54~15.7kW。配套的驱动器有BDS4(模拟型)、BDS5(数字型、含位置控制)和Smart Drive(数字型)三个系列,最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。
爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部,现合并到AEG,以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。
法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列(长型)和GC系列(短型)交流伺服电动机共14个规格,并生产AXODYN系列驱动器。
原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中ДBy系列采用铁氧体永磁,有两个机座号,每个机座号有3种铁心长度,各有两种绕组数据,共12个规格,连续力矩范围为7~35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁,6个机座号17个规格,力矩范围为0.1~170N.m,配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统,其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型,功率从0.03~5kW,共18种规格;中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列,功率从0.75~4.5kW,共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5~5kW,有7种规格。
韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统,其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号,功率从15W~5kW。
现在常采用Powerrate这一综合指标作为伺服电动机的品质因数,衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续(额定)力矩和转子转动惯量之比。
按功率变化率进行计算
分析
可知,永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D
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研究
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