微型直流低壓伺服, 撬動(dòng)精密制造大版圖

文:傳動(dòng)網(wǎng)2024年第四期

  伴隨中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級由粗放模式轉(zhuǎn)向高質(zhì)量、高層次、精細(xì)化模式,加上整體社會(huì)向著節(jié)約、綠色、低碳化轉(zhuǎn)型,使 得一體化方案越來越受到用戶市場的青睞,其中,微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器也成為了一類較受關(guān)注的產(chǎn)品線。

  最近幾年,微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器是一類較受關(guān)注的產(chǎn)品線,究其主因是,伴隨中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級由粗放模式轉(zhuǎn)向高質(zhì)量、高層次、精細(xì)化模式,加上整體社會(huì)向著節(jié)約、綠色、低碳化轉(zhuǎn)型,使得一體化方案越來越得到了用戶市場的重視。微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器的主要應(yīng)用優(yōu)勢有:小尺寸,結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省設(shè)備空間,更便于集成化設(shè)計(jì);功耗低,低壓伺服功率密度高,轉(zhuǎn)換效率高,降低能耗;響應(yīng)快,低壓伺服采用的計(jì)算芯片相對于交流伺服的性能更高,可以提高伺服的響應(yīng)能力;適配電機(jī)類型多,在低壓領(lǐng)域可以通用等,這些都很好地滿足了當(dāng)前企業(yè)高效生產(chǎn)的使用需求。總體而言,市場對于這類產(chǎn)品的要求是微型化,能夠盡可能地靠近電機(jī)安裝,無需拖鏈,同時(shí),高功率密度、低功耗、集成化、模塊化的趨勢也愈加明顯。根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)階段,中國低壓伺服驅(qū)動(dòng)器的市場容量大約在5億人民幣左右,從目前市場供應(yīng)來看,主流開發(fā)廠商包括:Elmo、Maxon、Copley Control、Technosoft、AMC、Ingenia、Synapticon等,以及國內(nèi)本土的步科自動(dòng)化、雷賽智能、和利時(shí)電機(jī)、微秒、高創(chuàng)、ISMC相石科技、固高科技、行動(dòng)元、清能德創(chuàng)、華創(chuàng)智企等等。

伺服驅(qū)動(dòng)器

  有業(yè)內(nèi)資深人士表示,其實(shí),微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器的市場規(guī)模并不大,僅為交流伺服驅(qū)動(dòng)器市場的1%左右,但另一方面,市場對于這類產(chǎn)品的性能要求卻并不低。例如,在對電機(jī)支持方面,往往要求微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器要能夠支持各種不同類型的電機(jī),包括:伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、音圈電機(jī)、直線電機(jī)、DD馬達(dá)、無刷電機(jī)、直流有刷電機(jī)等等;另外,還需要兼容多種編碼器協(xié)議和工業(yè)總線,尤其是很多時(shí)候要求結(jié)合客戶工藝、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制化開發(fā)。這些也是由微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器目前主要服務(wù)的市場性質(zhì)所決定的,可以說,“小眾化、市場分散”——是這類驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用市場的突出特征,正基于此,不同的細(xì)分領(lǐng)域也帶來了對產(chǎn)品性能及功能需求的差異化。

  機(jī)器人應(yīng)用成主力市場

  以微型直流低壓伺服驅(qū)動(dòng)器的主力應(yīng)用場景——廠內(nèi)物流AGV/AMR(自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車/自主移動(dòng)機(jī)器人)為例,伴隨當(dāng)前中國高端智能制造的快速發(fā)展,在包括鋰電池、光伏、新能源等新興制造業(yè)中,人們敢于大膽嘗試新技術(shù),在越來越多生產(chǎn)場景中開始逐漸采用AGV或AMR去取代傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)工作。AGV是一種移動(dòng)機(jī)器人,為了滿足大范圍快速移動(dòng)的需求,主要由蓄電池直流供電,電壓一般以48 VDC居多,功率范圍為50W~1kW,其中200W、400W和750W占據(jù)80%以上的市場份額。

  在結(jié)構(gòu)上,廠內(nèi)物流AGV移動(dòng)機(jī)器人由車體、蓄電池和充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向裝置、精確停車裝置、運(yùn)動(dòng)控制器、通信裝置、移載系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等所組成。在驅(qū)動(dòng)裝置部分主要包括電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器、控制與驅(qū)動(dòng)

  電路等,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般有閉環(huán)方式和開環(huán)方式兩種,AGV電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)方式主要以低壓直流伺服系統(tǒng)為主。針對廠內(nèi)AGV對于電機(jī)體積、載重、速度、噪音、平穩(wěn)、安全等性能的高要求,一批廠商專門進(jìn)行了定制化開發(fā)。例如,步科自動(dòng)化、和利時(shí)電機(jī)、偉創(chuàng)電氣等廠商結(jié)合低壓伺服產(chǎn)品線,在體積、過載、效率、功能和易用性等方面,面向特定場景深入優(yōu)化設(shè)計(jì),開發(fā)出了高集成度“電機(jī)+驅(qū)動(dòng)器+減速器+輪子”四位一體的伺服輪結(jié)構(gòu),大幅縮減了AGV移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)空間,不但具備低壓伺服電機(jī)系統(tǒng)高響應(yīng)速度、高定位精度的優(yōu)良特性、無需外加減速機(jī),而且還滿足了各種移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人對于低速平穩(wěn)、快速制動(dòng)、出力大、靜音、防水等全方位的苛刻要求。

  除了AGV、AMR、RGV(穿梭車)等特定應(yīng)用之外,實(shí)際上,低壓伺服系統(tǒng)在協(xié)作機(jī)器人、泛服務(wù)機(jī)器人(如:建筑機(jī)器人、養(yǎng)殖機(jī)器人、物流機(jī)器人、生活護(hù)理機(jī)器人以及特殊醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人),甚至于未來的人形機(jī)器人等開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也是十分可觀的。

  近期,步科自動(dòng)化還推出了高質(zhì)量、高性價(jià)比的第五代低壓伺服系統(tǒng)——FD1X5系列低壓伺服系統(tǒng),為市場提供了一種更緊湊、高效的機(jī)器人動(dòng)力解決方案。這款低壓伺服搭載高算力平臺(tái),主頻頻率提升2.4倍,位置環(huán)8K,速度環(huán)16K,可為機(jī)器人系統(tǒng)提供更快的響應(yīng)速度及更精準(zhǔn)的控制,確保卓越的性能表現(xiàn)和出色的控制能力。產(chǎn)品規(guī)劃供電電壓等級為24-96V,最大功率達(dá)5KW,可持續(xù)輸出電流普遍提升20%,過載能力更強(qiáng),并且具備防飛車功能和電機(jī)過溫保護(hù),全面保障設(shè)備和操作人員安全。

  另外,為滿足重載型移動(dòng)設(shè)備的市場需求,進(jìn)一步開發(fā)大功率低壓伺服,也是很多廠商的目標(biāo)。和利時(shí)電機(jī)公司推出的LS系列大功率伺服驅(qū)動(dòng)器采用主流先進(jìn)的數(shù)字信號處理芯片,具備“雙核”處理能力,支持5KW低壓伺服電機(jī);內(nèi)置高精密的電機(jī)控制算法,可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的實(shí)時(shí)協(xié)同控制,支持各電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和精確同步,完成復(fù)雜的動(dòng)作和任務(wù)。

伺服驅(qū)動(dòng)器

和利時(shí)電機(jī)開發(fā)的高集成度伺服輪驅(qū)模組

  高功率密度產(chǎn)品仍是“藍(lán)海”市場

  根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的市場調(diào)研顯示,目前市場上小于60V的直流低壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品較為普遍,但能夠滿足半導(dǎo)體、機(jī)器人、軍工等特殊領(lǐng)域應(yīng)用的60-200V產(chǎn)品則相對較少。對此,有行業(yè)人士認(rèn)為,這主要是因?yàn)槭艿焦β拾雽?dǎo)體工藝制程的限制,有能力生產(chǎn)電壓在(60-200)V之間的高功率密度伺服驅(qū)動(dòng)器的公司寥寥無幾,還是一片“藍(lán)?!笔袌觯瑑H有以色列Elmo等少數(shù)幾家公司能完全覆蓋到200V這一產(chǎn)品線,高功率密度、高端專用市場現(xiàn)階段還處于一個(gè)國際品牌壟斷的狀態(tài)。

  例如Elmo公司開發(fā)的Gold Twitter系列伺服驅(qū)動(dòng)器,其體積只有火柴盒一樣大小,卻可以達(dá)到5.5kW,功率密度甚至達(dá)455.49W/cm3,是常規(guī)產(chǎn)品功率密度的1000倍。這主要是依靠其中的驅(qū)動(dòng)芯片(Gate Driver)來提升效率,這種驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)了控制信號MCU到功率驅(qū)動(dòng)(PowerMOS)之間的一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng),是控制信號與功率器件之間的接口,這種驅(qū)動(dòng)集成電路芯片可以有效減低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度、縮短開發(fā)周期、提高可靠性,并且每一個(gè)功率器件都必須要一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片,因此驅(qū)動(dòng)芯片有著不同的結(jié)構(gòu)、耐壓絕緣等級、保護(hù)特性和封裝形式等。

  Elmo近期推出的Titanium Solo Castanet是一款備受期待的新產(chǎn)品,它是基于氮化鎵功率開關(guān)技術(shù)的下一代雙軸功能安全伺服驅(qū)動(dòng)器,適用于低直流電壓應(yīng)用。該解決方案在100伏電壓下最高可達(dá)15安培,連續(xù)功率為2.4千瓦。

伺服驅(qū)動(dòng)器

  Titanium Solo Castanet 是 Elmo 基于氮化鎵功率開關(guān)技術(shù)的下一代雙軸功能安全伺服驅(qū)動(dòng)器

  而在醫(yī)療器械領(lǐng)域,諾萬特集團(tuán)旗下的Celera Motion在手術(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制解決方案的開發(fā)方面也非常有實(shí)力,例如:適配于手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)的新一代EVEREST系列微型低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器采用超緊湊型設(shè)計(jì),待機(jī)功耗最低約為1W,超高功率密度,熱損耗小,工作效率最高可達(dá)99%,超低延時(shí);在手術(shù)機(jī)器人的末端器械上,運(yùn)動(dòng)控制精度直接影響到最終的手術(shù)質(zhì)量及安全性操作,需要用到準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制高精度力反饋方案, Celera Motion DENALI微型低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器適用于在狹小緊湊的空間場合工作,并且發(fā)熱量極低,適用于手術(shù)機(jī)器人末端執(zhí)行器或醫(yī)生操作端等這些對溫度、發(fā)熱量控制有極高要求的應(yīng)用場合。

伺服驅(qū)動(dòng)器

Celera Motion EVEREST 系列微型低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器

  本土廠商最新開發(fā)動(dòng)向

  在微型伺服領(lǐng)域,與某些海外品牌相比,本土廠商基本上算是后進(jìn)者,在目前的市場上,大部分也都是按照國際廠商的規(guī)格在開發(fā)產(chǎn)品,但與此同時(shí),也有一批企業(yè)正發(fā)揮自身對本土市場反應(yīng)迅速的優(yōu)勢,加快了在這一類產(chǎn) 品線的更新迭代速度。

  ISMC相石科技于2019年推出了其首款微伺服產(chǎn)品Diamond鉆石系列——“放在手心的驅(qū)動(dòng)器”,以其微小的尺寸、功率密度大和性能優(yōu)越在行業(yè)內(nèi)小有口碑,成為公司的主打產(chǎn)品,之后,ISMC相繼又推出Ruby紅寶石系列——面向多軸高度集成場景、Amber琥珀系列——滿足客戶的二次開發(fā)需求,端子根據(jù)客戶需要靈活分布,方便客戶走線、Sapphire綠寶石系列——更適合惡劣的現(xiàn)場工況環(huán)境。ISMC基于供應(yīng)鏈安全的需要,積極響應(yīng)國家政策號召,憑借其強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、超前的技術(shù)實(shí)力和嚴(yán)格的質(zhì)量控制,花費(fèi)超過兩年的時(shí)間,經(jīng)過上百次的器件認(rèn)證測試,今年,ISMC成功研發(fā)出了全國產(chǎn)化ADP系列微型伺服驅(qū)動(dòng)器。

  據(jù)介紹,這款A(yù)DP系列微型伺服驅(qū)動(dòng)器的元器件實(shí)現(xiàn)了全面國產(chǎn)化,提升了產(chǎn)業(yè)鏈自主可控能力,也是ISMC在全國產(chǎn)系列平臺(tái)上推出的第一款系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有小尺寸、高功率密度、高帶寬、高精度和低EMC等特點(diǎn);廣泛兼容支持多種通信協(xié)議和多種編碼器反饋,能夠輕松適配各種電機(jī)類型和控制器,實(shí)現(xiàn)靈活組合和快速部署。此外,其獨(dú)特的插針式接口設(shè)計(jì),不僅簡化了安裝流程,更為客戶的定制化需求與二次開發(fā)提供了極大的便利。

伺服驅(qū)動(dòng)器

ISMC 新推出的 ADP 系列微型伺服驅(qū)動(dòng)器

  今年8月,在原來FM1系列無框電機(jī)的基礎(chǔ)上,雷賽智能再次推出了新一代的FM2系列,它采用全新的電磁方案設(shè)計(jì),溫升更低、連續(xù)扭矩更大、速度更快、穩(wěn)定性更高。近年來,基于雷賽智能20多年運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)積累,以及對人形機(jī)器人市場需求的洞察,相繼推出了高質(zhì)價(jià)比的高密度無框電機(jī)、靈巧手用的空心杯電機(jī)以及機(jī)器人專用微型伺服系統(tǒng)等產(chǎn)品,并積極與減速機(jī)等眾多伙伴洽談合作,努力為廣大人形機(jī)器人本體廠家升級降本,共同推動(dòng)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  雷賽LD3Mini系列功率涵蓋50W/100W/400W/750W,具有EtherCAT/CAN/RS485等總線接口、最快125微秒總線周期、三環(huán)矢量控制、高中低頻振動(dòng)抑制等先進(jìn)功能,同時(shí)具備小巧靈動(dòng)、功能強(qiáng)大、易用高效、安全可靠四大核心產(chǎn)品特性,產(chǎn)品主要被應(yīng)用于人形機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、AGV/RGV移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療、3C電子、半導(dǎo)體等行業(yè)領(lǐng)域。此外,雷賽還可以根據(jù)客戶相關(guān)需求提供伺服驅(qū)動(dòng)定制以及中空編碼器,以匹配客戶使用要求并獲得極致的伺服效果。

  清能德創(chuàng)同樣也是一家聚焦機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)伺服產(chǎn)品開發(fā)廠家,其開發(fā)的一款CoolDrive Mini ANT微型智能伺服采用GaN驅(qū)動(dòng)技術(shù),具有高效率、低損耗的特點(diǎn);同時(shí)具有高功率密度、高開關(guān)頻率以及高帶寬響應(yīng),支持多種類型的編碼器以及全閉環(huán)控制,適用于人形機(jī)器人、機(jī)械狗等對于體積小且高爆發(fā)設(shè)備的應(yīng)用場景。另據(jù)悉,清能德創(chuàng)目前是北京人形機(jī)器人創(chuàng)新中心的組建單位之一,并正積極參與建立國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),為人形機(jī)器人共性技術(shù)的突破提供有力基礎(chǔ)支撐。該中心是在國家工業(yè)和信息化部和北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局指導(dǎo)下成立的、國內(nèi)首家聚焦于人形機(jī)器人核心技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)以及應(yīng)用生態(tài)建設(shè)的創(chuàng)新機(jī)構(gòu),由人形機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)軍企事業(yè)單位聯(lián)合組建。

伺服驅(qū)動(dòng)器

雷賽智能 LD3Mini 系列微型伺服驅(qū)動(dòng)器

  結(jié)語

  微型直流低壓伺服作為伺服系統(tǒng)的一個(gè)分支市場,整體規(guī)模容量較小,從成套系統(tǒng)來看,根據(jù)有關(guān)專業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,2022年中國低壓伺服系統(tǒng)的市場規(guī)模達(dá)到了12億元,預(yù)計(jì)未來需求將繼續(xù)保持穩(wěn)步增長,到2027年,市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到15億元左右。面對現(xiàn)階段市場下行壓力加大的形勢,持續(xù)結(jié)合特定市場需求,不斷豐富產(chǎn)品線,將會(huì)是支撐這類企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的有效措施。除了各種類型機(jī)器人需要電池供電的應(yīng)用場景之外,微型直流低壓伺服器在醫(yī)療器械、半導(dǎo)體、光伏/風(fēng)電新能源、鋰電、3C電子等制造領(lǐng)域仍有大量可發(fā)揮的潛力空間。在中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中,對精密加工的要求會(huì)越來越高,輕量化、高能效、高集成、高精密已成為行業(yè)發(fā)展的主旋律,這也意味著,包括微型直流低壓伺服系統(tǒng)在內(nèi)的更多新技術(shù)將源源不斷地涌現(xiàn)在人們面前。


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