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交流伺服系統的發展方向

現代交流伺服系統,經歷了從模擬到數字化的轉變,數字控制環已經無處不在,比如換相、電流、速度和位置控制;采用新型功率半導體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如IR推出的伺服控制專用引擎)也不足為奇。國際廠商伺服產品每5年就會換代,新的功率器件或模塊每2~2.5年就會更新壹次,新的軟件算法則日新月異,總之產品生命周期越來越短。總結國內外伺服廠家的技術路線和產品路線,結合市場需求的變化,可以看到以下壹些最新發展趨勢。

· 盡管這方面的工作早就在進行,但是仍需要繼續加強。主要包括電機本身的高效率比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結構設計,也包括驅動系統的高效率化,包括逆變器驅動電路的優化,加減速運動的優化,再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

· 直接驅動包括采用盤式電機的轉臺伺服驅動和采用直線電機的線性伺服驅動,由於消除了中間傳遞誤差,從而實現了高速化和高定位精度。直線電機容易改變形狀的特點可以使采用線性直線機構的各種裝置實現小型化和輕量化。

· 采用更高精度的編碼器(每轉百萬脈沖級),更高采樣精度和數據位數、速度更快的DSP,無齒槽效應的高性能旋轉電機、直線電機,以及應用自適應、人工智能等各種現代控制策略,不斷將伺服系統的指標提高。

· 電動機、反饋、控制、驅動、通訊的縱向壹體化成為當前小功率伺服系統的壹個發展方向。有時我們稱這種集成了驅動和通訊的電機叫智能化電機(Smart Motor),有時我們把集成了運動控制和通訊的驅動器叫智能化伺服驅動器。電機、驅動和控制的集成使三者從設計、制造到運行、維護都更緊密地融為壹體。但是這種方式面臨更大的技術挑戰(如可靠性)和工程師使用習慣的挑戰,因此很難成為主流,在整個伺服市場中是壹個很小的有特色的部分。

· 通用型驅動器配置有大量的參數和豐富的菜單功能,便於用戶在不改變硬件配置的條件下,方便地設置成V/F控制、無速度傳感器開環矢量控制、閉環磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式,適用於各種場合,可以驅動不同類型的電機,比如異步電機、永磁同步電機、無刷直流電機、步進電機,也可以適應不同的傳感器類型甚至無位置傳感器。可以使用電機本身配置的反饋構成半閉環控制系統,也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度全閉環控制系統。

· 現代交流伺服驅動器都具備參數記憶、故障自診斷和分析功能,絕大多數進口驅動器都具備負載慣量測定和自動增益調整功能,有的可以自動辨識電機的參數,自動測定編碼器零位,有些則能自動進行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補運動等控制功能和驅動結合在壹起,對於伺服用戶來說,則提供了更好的體驗。

· 隨著機器安全標準的不斷發展,傳統的故障診斷和保護技術(問題發生的時候判斷原因並采取措施避免故障擴大化)已經落伍,最新的產品嵌入了預測性維護技術,使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢,並采取預防性措施。比如:關註電流的升高,負載變化時評估尖峰電流,外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器,以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。

· 隨著機器安全標準的不斷發展,傳統的故障診斷和保護技術(問題發生的時候判斷原因並采取措施避免故障擴大化)已經落伍,最新的產品嵌入了預測性維護技術,使得人們可以通過Internet及時了解重要技術參數的動態趨勢,並采取預防性措施。比如:關註電流的升高,負載變化時評估尖峰電流,外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器,以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。

· 雖然市場上存在通用化的伺服產品系列,但是為某種特定應用場合專門設計制造的伺服系統比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構(SPM)和嵌入式永磁(IPM)轉子結構的電機出現,分割式鐵芯結構工藝在日本的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化,並引起國內廠家的研究。

· 無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發展,比如20,28,35mm外徑;同時也在發展更大功率和尺寸的機種,已經看到500kW永磁伺服電機的出現。體現了向兩極化發展的傾向。

· 根據ARC 2001年的報告,當年全球伺服驅動的市場規模是20.67億美元,01年到06年的復合增長率在7%以上,預計全球伺服系統的市場規模在2006年會達到29億美金左右(這個預測包括了交流伺服和步進電機)。現在回過頭來看,恐怕已經不止這個數據,這中間經歷了911等因素造成的02、03年的市場衰退和04年之後的恢復性增長。預計未來幾年增長率會有所提高。

國內交流伺服的市場規模2006年估計在20億人民幣左右,市場規模近3年壹直保持了大於25%的年復合增長率,在所有自動化產品中當屬發展最快之列。而且隨著世界制造業加速向中國轉移,國產數控裝備在國家政策的扶持下快速向高性能、高附加值發展,國產交流伺服系統的性價比快速提高,交流伺服系統的市場會繼續保持快速增長的勢頭,預計從2007到2010年,年平均增長率會維持在20%以上。但是平均單價也將隨著競爭加劇不斷下降,每年大約下降10%。

中國伺服產品的用戶區域主要分布在華東、華南和華北,其中華東市場(上海、江浙和山東)占45%,以廣東為主的華南和以京津為主的華北各為15%左右。華中和東北大約是10%。華東市場是伺服最大的消費市場,而且這個趨勢會持續下去。

伺服驅動廠商面臨用戶和OEM廠家不斷變化的需求的挑戰,伺服驅動器的上位機可以是CNC系統、通用運動控制器和PLC,還有各種嵌入式控制器,他們必須不斷推出多樣化的產品,滿足所有運動控制領域的要求。從功率範圍上,當前100W~2000W是主流,大約占整個伺服市場的70%,而10kW以下的品種占到90%。在轉速範圍上,大約50%的用戶需要3000rpm以內的電機,另外40%需要3000~6000轉,不到10%的人需要10000rpm或以上轉速的電機。

分析當前國內用戶的購買因素,占前三位的是穩定可靠性、價格和服務。這也說明目前國內交流伺服市場還處在較低級的階段,對性能和功能的充分利用沒有擺在重要位置。從長遠來看,伺服廠商的關鍵成功因素應該是產品的性價比、可靠性、技術含量、以及市場份額和品牌影響力。 國內交流伺服市場當前品牌競爭情況和10多年前的變頻器市場非常類似。當時進口(主要是日本富士和三肯)產品占據了90%以上的市場份額,經過10年的奮鬥,國產變頻器已經占據了中低端市場,在整個市場份額上與進口產品二分天下,並湧現了利德華福、森蘭等壹批有實力、也有技術的廠商,其中利德華福在大功率變頻器細分市場上取得絕對的領先優勢。

目前,國外品牌占據了中國交流伺服市場85%左右的份額,他們來自日本、德國和美國,日該品牌有安川、發那克(Fanuc)、三菱電機、松下、三洋、富士等;美國有羅克維爾(Rockwell Automation)、達那赫(Danaher)、帕克(Parker)等;德國有西門子(Siemens)、博世力士樂(Bosch Rexroth)、施奈德(Schneider)等。其中,日該品牌以良好的性能價格比和較高的可靠性占據了超過50%的最大市場份額,在中小型OEM市場上尤其具有壟斷優勢,而且本地化生產的策略進壹步增加了在價格和快速交貨方面的籌碼;歐美品牌在高端設備和生產線上比較有競爭力,其市場策略是高性能、高價格,以全套自動化解決方案作為賣點,總的市場占有率大約在35%,最近這些高端品牌也不斷尋找本地合作夥伴力圖打入中低端市場,並不甘心被日該品牌擠壓市場空間。

最近2、3年來自臺灣的伺服廠商在國內設廠,並加大了市場推廣的力度,主要是臺達和東元,其技術水平和價格水平都居於進口中端產品和國產品牌之間,在競爭中主要突出性價比優勢,對國產品牌帶來了新的競爭壓力,市場占有率從幾年前的微不足道提高到大約5%。

中國國內的品牌主要有和利時電機、華中數控、廣數、蘭州電機等,最近出現了南京埃斯頓、上海鄂爾多斯等廠家,粗略計算,宣稱推出交流伺服產品的國產廠家不下20個。其中和利時電機面向整個自動化產業機械市場提供步進、無刷、伺服等系列產品,在技術上和品牌上有壹定優勢;華中數控、廣數和蘭電等主要集中在數控機床行業,伴隨著這幾年數控行業的大發展,他們的出貨量也保持了快速增長,積累了相對較強的實力;國產品牌產品功率範圍多在5kW以內,技術路線上與日系產品接近,目前總市場占有率在10%左右。

展望未來,隨著伺服價格的不斷下降、交流伺服的市場接受度不斷上升,中低端市場有非常大的增長空間,因此本土廠商仍將有很大作為;同時臺灣、日本廠商也將在整個市場的擴大中獲益,歐美品牌的市場占有率將逐漸下降,但仍將保持很高的毛利水平。

根據機械工業研究院產業與市場研究所05年做的市場調查,目前國內市場上覆蓋面最廣的10個品牌分別是:西門子、三菱、安川、蘭電、松下、Fanuc、華中數控、ABB、和利時電機和AB(屬於Rockwell Automation)。其中西門子和三菱品牌覆蓋率在30%以上,AB在3.7%,其他品牌均在10~20%之間。調查顯示國產企業比如和利時電機、華中數控、蘭州電機等企業,經過多年的研發推廣,在這個市場中做的有聲有色,在產品覆蓋面上占有壹席之地,但是國產品牌的客戶忠誠度和影響力明顯不如進口品牌。用戶選擇進口品牌和國產品牌的比例為大約4:1,國產品牌沒有進入用戶首選品牌的前5名。雖然和利時電機和華中數控分列未來需求品牌的第6位和第7位,但是面臨日本和臺灣產品本地化生產之後日益激烈的競爭,中小功率通用伺服產品價格持續下降,利潤率越來越低。國產品牌不僅在產品的性能、質量與品種上都有所欠缺,在技術儲備、生產能力和資本實力上的巨大差距更不是壹兩天可以彌補。國產品牌要想突圍,除了需要耐心和持續投入之外,還需要在競爭策略方面走差異化路線。總之,中國品牌廠商同時面臨巨大的挑戰和發展機會,任重而道遠。 國際交流伺服市場處於恢復性增長狀態,而國內市場在未來3~5年仍將維持高速增長。

國外運動控制廠商通過購並和聯盟迅速擴大自己的實力,謀求壹站式解決方案提供商的地位,比如Danaher自從1995年以來連續收購了超過40家運動控制廠商,包括我們非常熟悉的壹些品牌,如Kollmorgen,API,Pacific Scientific,Superior Electric,Dover,NEAT,Thomson,Giddings & Lewis,Warner Motion,InMotion,Bautz,Micron和Siedel等。Parker也按照相同的思路在擴展,最近的例子是收購了Bayside,而Schneider收購了Berger Lahr。許多新生的小企業具備獨特的技術或其他核心能力,也會找到屬於自己的生存空間,並因此得到更多投資。

國際範圍內,政府和國際標準的不斷發展給伺服產業帶來深遠影響,比如美國的能源法案EPactⅡ對電機系統能效的規定,美國的UL、NEC(NFPA)標準對安全的規定,歐盟的RoHS、WEEE和CE標準對環保和安全的規定等。

交流伺服系統的市場範圍不斷擴大,越來越多取代機械傳動、液壓和氣動傳動系統;交流伺服不斷取代直流伺服的市場份額,導致直流伺服在整個伺服市場的占有率從目前的不到15%每年大約下降0.5%;同時交流伺服成本和尺寸不斷縮小,也在蠶食高端步進電機的市場,但是步進電機本身也在不斷提高自己的競爭能力,不斷延伸市場空間,因此在收到沖擊的同時市場也在擴大,只是速度可能不如交流伺服這麽快而已。

我們相信,在中國交流伺服市場發展的過程中,壹定會出現強勢的國產品牌,國際廠商也必然從中獲益;在諸強博弈中讓廣大客戶受益,最終促進整個行業的成熟。

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