2.3. 变频器：低压下游分散，中高压下游集中于冶金石化等
变频器是融合变频技术与微电子技术，通过对电机工作电源频率进行改变，从而控制交流电机的电力控制设备。变频器由整流单元、高容 量电容（电动机）、逆变器和控制器四个部分组成。变频器通过内部的 IGBT 的开断调整输出电源的电压和频率，给电机提供其所需的电源电 压，从而达到节能和调速的目的。变频器的主要功能有变频调速、软 起动和保护节能。通过对启动峰值电流的控制，保证电流最大不会超 过额定电流，降低对电网的冲击，延长设备可使用年限。变频器把交 流电转换为直流电再转换为随意可调的交流电，对电动机进行减速， 使得减少电机在调速过程中造成的功率损失。变频调速器对电机的调 速控制帮助变频器达到节能的效果。
中高压变频器下游行业较为集中，低压变频器下游行业较为分散。冶 金占中高压变频器下游行业的 30.2%，石化占比超过了 10%，前三大行 业占比达到了 52.5%；采矿、市政及公共设施和建材行业占比均高于 5%。低压变频器的下游分布较为分散，应用领域跨度较大，但差距不 大；前三大行业占比为 28%；除 TOP3 外，半导体、起重、纺织、机床 和物流占比超过 5%；其他应用领域还包括冶金、包装和食品饮料等。 冶金领域对变频器的需求包含低压、中压和高压三种类型。
得益于工业现代化，变频器市场规模不断扩大，低压变频器仍占据主 位。我国变频器市场规模不断扩大，低压变频器的市场规模占比较 大，维持在 75%左右。2021 年市场规模为 589 亿元，低压变频器占比 73.5%，较 2020 年下降 2.6%；高压变频器占比 26.5%，上涨 2.6%，幅 度达近五年新高。
2.4. 减速器：精密减速器需求提升，RV、谐波均衡发展
高精密减速器为工业机器人核心零部件，成本占比高。减速器是一种精 密的动力传达机构，作用在于降低转速、传递更大的扭矩，满足工业机 器人在重复执行相同的动作时的定位精度和重复定位精度，确保机器人 平稳精确运行。可以说减速器决定工业机器人的精度和负载，伺服电机 由于脉动信号的驱动，本身具备调速功能，但是由于工业机器人需要重 复、可靠地完成大量工序任务，对其定位精度和重复定位精度要求很高， 因此需要专门的减速器以保证精度。减速器的另一作用是传递负载：当负载较大时，伺服电机功率有限导致输出扭矩较小，此时需要通过减速 器来提高扭矩。此外，伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动， 对于长时间和周期性工作的机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。 精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转 速降到机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力 矩。精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求，具 有很高的技术壁垒和投资成本，在工业机器人零部件中占据最大成本份 额，约为 32%。
减速器分为通用减速器、专用减速器和精密减速器。应用范围较广， 行业内企业众多，通用减速器和专用减速器行业产品差异大，相互竞 争较少。通用减速器主要以中小型产品为主，实现模块化和系统化； 专用减速器以大型和特大型减速器为主，多为非标和行业专用；精密 减速器又可分为 RV 减速器、谐波减速器、精密行星减速器，主要应用 领域为工业机器人、机床和航空航天等高精度行业，以微小型减速器 为主。
工业机器人主流减速器为 RV和谐波减速器。工业机器人用精密减速机 主要有两种：RV 减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器，RV 减速器 具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将 RV 减速 器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小 臂、腕部或手部；二者之间适用的场景不同，属于相辅相成的关系。
谐波减速器基于行星齿轮传动发展起来的，由波发生器、柔轮、刚轮和 轴承组成。其工作原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，而 柔轮比钢轮少 N 个齿轮位。因此，当波发生器转一圈，柔轮移动 N 个齿 轮位，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动 传递。谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动，其优势是传动比 大、零部件数目少；其缺点是弹性变形回差大，这就不可避免地会影响 机器人的动态特性抗冲击能力等。
谐波减速器在精密传动领域具备高减速比体积比、高精度、高稳定性、 长寿命等优势。因谐波减速器结构简单，较小的体积就可以达到较高的 减速比，可应用于对尺寸要求比较高的场景，精度上看，谐波也优于 RV， 寿命一般也超过 RV 减速器。此外，因传动原理不同，谐波减速器精度 随时间呈现非线性变化，在精度保持寿命内可以稳定较高的精度，使用 期间一般不需要进行特殊维护，全生命周期使用成本远低于 RV。
2.5. 伺服：通用伺服应用领域广阔，专用伺服可按环境定制
伺服系统是指以位置、速度和转矩为控制量，进行动态跟踪目标变化 从而实现自动化控制的系统，伺服系统包括伺服电机和伺服驱动器。 伺服系统的发展经历了机械、液压和电气化三个阶段。现在的伺服系 统通常是指电气伺服，1960 年前，以功率步进电机为动力源，开环控 制为主；1960-1970 年，直流电机开始广泛应用，通过把直流有刷电机 作为驱动源，使旋转变压器、测速发电机和编码器等传感装置形成闭 环控制系统；20 世纪 80 年代后，交流伺服的时代开启，以永磁同步电 机为代表的执行电机逐步占据伺服领域的市场。伺服系统的工作原理 则是由伺服电机给伺服电机发出驱动信号，同时伺服电机中的编码器 将运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析 和修正。整个工作过程通过闭环方式精确控制执行机构的位置、速度和转矩等输出变量，使得其在对精确度要求较高的行业中得到广泛应 用。
伺服系统可分为通用伺服和专用伺服，且在产品特性上有较大差异。 专用伺服提供偏向于专业化的特殊定制服务，高海拔运行、防尘防 水、运行环境、防爆要求、高温启动要求、额定转速和法兰止口等都 可以按需定制；在产品技术方面，专用伺服产品可以在不同应用领域 保持高水平运作；其额定功率也达 7.5kW，特殊行业更适合使用专用伺 服。通用伺服的运行环境仅限于工业环境但应用领域较为广阔；通用 伺服产品主要应用于传统行业，因此对近海/海上防腐要求、水下运行 和防爆皆无要求。
伺服电机和步进电机相比优势明显。步进电机靠电脉冲信号转换为角 位移或线位移的开环控制进电机；伺服靠脉冲来定位，伺服电机本身 可以发出脉冲，每旋转一个角度发出相应数量的脉冲，从而和伺服电 机收到的脉冲形成呼应，也就是闭环，能够更精确的定位。伺服电机 在力矩方面也进行了升级，能够达到全力矩范围；其在运行速度、响 应速度、低频特性和矩频特性上也明显优于步进电机，且可承受三倍 的过载。虽然伺服电机整体性能更好，但其需和编码器及伺服驱动器 配合使用，从而导致其价格高于步进电机。
电机种类繁多，控制电机使用广泛。动力电机功率较大，侧重电机在 启动和运行过程中的力能指标，控制电机侧重电机输出量的幅频特 性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定性、线性度等指标， 作为系统执行部件，控制电机更侧重扭矩、转速、位置输出特性。动 力电机按运动方式可分为旋转电机和直线电机，旋转电机按电压性质 分为直流电机与交流电机，其中直流电机按内部有无碳刷可分为有刷 电机和无刷电机两种。控制电机根据控制方法与用途的不同，可分为 步进电机、伺服电机等。现代控制电机通常有步进电机、直流无刷电 机和交流伺服电机等，其中，步进电机最早成为计算机及外部设备所 使用的控制电机，步进电机首先在计算机外设、办公自动化设备及数 控机床中应用；直流无刷电机和交流伺服系统亦为控制电机的重要发 展方向。
空心杯电机结构独特，在人形机器人领域中发挥着不可替代的作用。 空心杯电动机结构上最大的特点就是采用无铁芯的电枢，从而这种特 点可以克服因铁芯而产生的所有问题，使电机的主要性能有了大幅度 地提升。空心杯电机的主要特点有：1、高效率，采用高性能磁性材 料，减小漩涡损耗，采用无铁芯电枢，无铁耗，同时机械损耗也降 低，属于高效率电机。它的效率高于一般的电机，可达 90%以上；2、 控制特性，电机特性为线性，控制性能极佳。机械时间常数小于 3ms， 响应时间极快，转速范围广，可对转速进行高精度控制；3、拖动特 性，散热性好，过载能力强，运行稳定、可靠，输出转矩高，转矩脉 动小，常应用于高动态性能伺服系统中。人形机器人的手指关节处需 要配备体积小且能输出较大力的电机，因此空心杯电机凭借其小体 积、轻负载和快速响应等优势，在机器人手、关节等应用广泛。
伺服下游行业丰富，市场集中度不高。伺服下游应用领域较为广阔， 前三大行业占比为 36%，电子及半导体制造设备和机床均超过 10%， 分别为 13.8%和 12.8%。作为占比最大的下游应用领域，半导体制造 设备有望进一步扩张，下游工业机器人行业的兴起和电子制造设备产 业的迅速扩张，也为伺服市场规模的扩大注入势能。伺服系统技术水 平的提高，对下游应用领域的不断渗透，整体市场规模增长空间较 大。随着在技术上的突破，市场规模随之扩大，国产厂家不断发力， 汇川技术已经成长为占据国内市占率 15.9%的行业龙头；但整体来看， 国产厂家在产品稳定性和可靠性上与外资还存在差距。
2.6. 步进：系统结构较伺服简单，混合式步进应用广泛
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电 机件，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以 控制步进电机的转向、速度和旋转角度。步进电机由前后端盖、轴 承、中心轴、转子铁芯和定子铁芯等部分构成；步进电机运用电磁学 原理，将电能转换为机械能，由电机定子齿槽上的线圈驱动。步进电 机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过内部逻辑电路，控制 步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电， 使得电机正向、反向 旋转或锁定。
混合式步进电机应用最广泛。硅钢、铜、铝和磁性材料等都是步进电 机的上游原材料。作为执行元件和机电一体化的关键产品，数控机 床、工业自动化、办公自动化、印刷设备和家用电器等是其下游应用 领域。步进电机可分为永磁式、反应式和混合式步进电机。混合式步 进电机结合了永磁式和反应式步进电机的优点，三洋公司在 1968 年正 式批量化生产用于机床控制的混合式步进电机，拉开了 20 世纪 70-80 年代步进电机广泛应用于硬盘驱动器和软件的序幕。
混合式步进电机优势较为明显。永磁式步进电机噪音效果优于混合式 步进电机且价格相对低廉；但其精度差，有较大的步矩角。混合式电 机虽然价格较高且结构复杂；但其步矩角相对较小，半步驱动器可使 步矩角减小为 0.9°，搭配上细分驱动器后可细分到 256 倍；噪音问题 也可以通过使用微步细分进行优化。
3. 国产企业技术逐步提升，国产替代有望加速3.1. 工控自动化系统国产率低，替代需求强
PLC：我国 PLC 市场中欧美品牌和日系品牌占据主导地位，具有广阔 的国产替代空间。由于大中型 PLC 工艺复杂、用户对产品安全性和抗 干扰性要求高，外资品牌凭借领先的技术优势、完善的销售与服务网络 占据垄断市场地位，大中型 PLC 国产化率较低。小型 PLC 主要应用于 中低端 OEM 用户，国产品牌近年来凭借高性价比、灵活的业务模式及 在特定行业的定制化机型开发能力，在小型 PLC 市场实现了行业渗透 率的显著提升。根据 MIR 睿工业的数据，2017 年至 2022 年 Q3，我国 小型 PLC 国产化率从 6.96%逐渐增加至 16.83%，国产化率显著提升。 PLC 整体市场来看，内资份额从 2017 年的 3.14%提升至 2022 年前三季 度的 8.61%，提升了 5.5pct，日系、美系等份额均有不同程度下降。
DCS：DCS国产化率较高，2021年国内龙头厂商中控技术、和利时占比 超 40%。根据智研咨询统计数据，2016 年至 2021 年，我国 DCS 国产化 率从 46.2%不断提升至 55.7%，国产化率一直表现良好且逐年提升。从 2021 年 DCS 控制系统行业市场份额来看，内资以中控技术、和利时为 主，两家龙头市场份额分别占比 27%与 16%。外资以艾默生、霍尼韦尔、 ABB、西门子、横河电机等巨头为主，外资仍然占据较大的市场空间。 未来随着国产 DCS 企业的崛起，依旧有非常大的进口替代空间。
变频器：低压变频器国产化率逐步落地，高压变频器领域逐渐涌现出优 质国内企业。近年来国内品牌产品质量逐步提高，故障率逐渐减少，相 比进口品牌性价比表现出优越性。根据 MIR 数据显示，2021 年欧美品 牌低压变频器占比为 44.6%，日韩份额为 13.1%，中国本土品牌占比为 42.3%，相较于 2017 年的 38.7%上升 3.6pcts，低压变频器市场国产化率 逐渐提升。根据华经产业研究院 2020 年高低压变频器市场竞争格局数 据，在高压变频器方面，合康新能为市场龙头，且市场涌现出一批如汇 川技术等优质国内公司，逐步挤占施耐德等外资市场份额。低压变频器 中汇川市场份额迅速提升，2020 年占据国内低压变频器市场 19%，已成 为低压变频器龙头，此外英威腾与中达市场占比均有大幅增长。随着国 产品牌定制化能力以及产品研发制造实力的提升，未来国产替代有望逐 步落地。
伺服：我国伺服市场国产替代进程稳步推进，通用伺服市场国产化率不 断提升。我国伺服产品起步较晚，对比国外，国内发展缓慢，因此前期 被欧美和日韩企业占据了主要市场份额。自 2013 年以来，得益于产业升 级带来的积极影响，国内伺服电机自主支撑能力已经形成，加之下游工 业机器人、电子制造设备等产业迅速扩张，我国伺服电机发展较快，国 内品牌不断崛起，国产化进程不断提升。根据 MIR 睿工业数据，我国 2021 年伺服市场本土品牌占比 43.3%，首次超过日韩品牌，占比居于首 位。我国通用伺服市场国产化率也在不断提升，从 2008 年的 6%上升至 2021 年的 24%，2022 年前三季度通用伺服市场国产化率甚至突破30%。 预计随着国产化进程不断加深，行业内企业不断加大研发投入，以技术 优势及成本优势抢占市场，行业发展空间将进一步打开。
3.2. 国产品牌加大研发投入，技术指标已与海外相近
PLC：中小型 PLC 国内领军产品与海外大厂产品技术指标趋于一致， 性能差距逐渐缩小。PLC 是工业自动化生产执行过程中实现精确定位、 精准运动的必要途径，决定其性能的核心指标包括高速实时控制能力、 高精运动控制能力、现场总线控制能力和安全保护能力。高速实时控制 能力是指控制系统在高速运行状态下能够做到强或接近强的实时控制， 是决定 PLC 产品控制性能的核心指标。高速实时控制能力主要技术指 标包括指令速度、控制周期、控制规模和总线抖动。高精运动控制能力 是 PLC 的各项运动控制指标，也是决定其性能的重要因素，主要技术指 标包括高速输入、脉冲定位、运动控制和插补控制。现场总线控制能力 帮助实现从信息层、控制层、执行层到传感层之间，多网络多层次的高 带宽高实时的互联互接，实现工业自动化现场的 IT 与 OT 网络的深度 融合。目前，市场上主流的 PLC 产品需要支持 CANopen、EtherCAT、 Ethernet/IP、OPC/UA 等多种工业现场总线。安全保护能力是指通过安全 认证的算法保护机制，对用户程序和关健工艺功能块实现高安全性和个 性化的保护设置。安全保护能力的主要技术指标包括程序保护、功能块 保护和安全算法，是否具备这些功能决定了 PLC 能否有效防止信息泄 露。目前，国内 PLC 领先厂商禾川科技的 PLC 产品在指令速度、控制 周期、控制规模等参数上已达到行业平均水平以上，且内置高速输入计 数和高速输出定位，支持多种总线控制类型且安全保护性能极佳，国内 领军 PLC 产品技术指标已到达国际先进水平。
DCS：国产 DCS系统技术上不逊于进口品牌。20世纪 90年代中期至21 世纪初，各家 DCS 厂商以信息技术、先进控制技术和现场总线技术的发 展为依托，先后推出了集成高速工业以太网、现场总线和先进控制器的 第三代开放型 DCS。21 世纪初开始，以第三代 DCS 为基础的控制系统 在国内石化行业得到了广泛的应用，但以国外进口品牌居多，而与之集 成的子系统（SIS/GDS/CCS/MMS/PLC）则均为进口品牌。目前，我国 DCS 厂商不断进行研发投入，国产 DCS 系统技术不断提高，比肩国际主要品 牌。将国产品牌浙江中控 ECS700 系统与进口品牌 EMERSON 公司 DeltaV 系统相比，ECS700 系统在技术上以及不逊于 DeltaV 系统，国产 DCS 技术已能比肩国外主流厂商。
变频器：国内厂商低压变频器技术与国外主流厂商技术基本相当，高压 变频器技术还有一定差距。变频器的核心技术包括电力电子和电机控制 算法两部分，从目前电力电子和电机控制算法的技术水平来说，国内低 压变频器龙头企业汇川技术目前与主流外资企业基本处于同一水平，国 内其他厂商也逐渐突破了矢量控制、直接转矩控制等技术难点。将汇川 的 MD810/880 高性能多传变频器与 ABB 的 ACS880 产品进行对比，发 现两者在速度控制精度、转矩控制精度、转矩响应时间、过载能力等核 心技术指标上趋于一致，MD810 标准型多机传动变频器做为汇川新一 代低压多点传动系统，已经突破了国外多点传动的技术堡垒和垄断格局。 由于高压变频器整机设计结构更复杂、控制算法的设计难度更大、系统 可靠性和安全性的要求更高等，目前国内厂商在高压变频器技术方面与 国际厂商西门子、ABB 等公司仍存在一定的差距。
减速器：内资品牌不断进行技术研发，减速器技术水平有所提高，龙头 企业减速器部分技术达到国际领先水平。外国公司在精密减速器领域起 步较早，以哈默纳科、纳博特斯克为代表精密减速器厂商的技术开发、 产品应用时间相较于国内厂商更长，在精密减速器技术上一直处于领先 地位。近年来我国减速器行业受益于政策和主要下游行业的驱动，迎来 快速发展时期，国内从事减速器的研发和生产的厂商有所增加，技术水 平有所提高，产品系列逐渐丰富，并已成功突破了国际品牌在国内市场 的垄断。国内谐波减速器龙头企业绿的谐波多年以来深耕精密传动领域， 突破了以传统 Willis 定理为基础的渐开线齿轮设计理论，其减速器产品 从模型设计、产品试制、小批量供货到规模化、产业化制造历经不断迭 代优化和完善，产品在实现额定寿命大幅提升的同时，在传动误差、背 向间隙、空程误差、传动效率、噪声、运行温升等各项性能指标均已达 到行业领先水平。内资品牌环动科技在精密传动领域精耕细作 10 余年， 致力于攻克我国在精密传动领域的“卡脖子”核心技术，其研发的 RV 减 速器参数水平基本达到国际一流厂商标准，打破技术垄断，加速国产替 代。
