机械行业一周解一惑系列：电机隐藏部件控制器与驱动器，儒竞科技为例

一周解一惑系列 电机隐藏部件控制器与驱动器：儒竞科技为例 2023年09月27日 本周关注：巨星科技、儒竞科技、禾川科技、美埃科技 推荐 维持评级 本周核心观点：关注伴随情绪复苏，此前触底但长逻辑较好的公司控制器与驱动器是电机系统的重要组成，但功能不尽相同：控制器根据用 分析师李哲执业证书：S0100521110006电话：13681805643邮箱：lizhe_yj@mszq.com分析师占豪执业证书：S0100522090007电话：15216676817邮箱：zhanhao@mszq.com 户输入和反馈信号不断调整控制信号，驱动器将控制信号转换为电机所需的电压或电流，电机根据控制信号进行转动。这样，驱动电机控制系统能够实现对电机的精确控制和保护。电机控制器和电机驱动器之间的主要区别在于——1）电机控制器负责控制电机的速度、扭矩和方向；而电机驱动器负责根据需要为电机提供足够的电力；2）电机控制器可以接收来自电机的反馈信号，并对其进行处理以进行进一步控制；电机驱动器则无法完成这项工作。 控制器与驱动器难点各不相同：1）控制器的主要技术难点是实现高级的电 机控制算法，如矢量控制、模型预测控制或感应电机矢量控制等，需要深厚的控制理论知识和数学背景；电机控制器需要使用各种传感器（如编码器、霍尔传感器等）来获取电机状态信息，传感器的选择和校准对于控制器的准确性和稳定性至关重要等。因此不同的场景如空调、汽车热管理、工业机器人、人形机器人中控制器面临的难点也有所差异，但共同核心是其算法开发与传感器的选择，并且需要在不同应用场景下使用不同的控制器去操作；2）电机驱动器的作用指通过控制电机的旋转角度和运转速度，以此来实现对占空比的控制来达到对电机怠速控制的方式。变频器是通过应用电力电子技术，改变电机工作电 相关研究1.一周解一惑系列：缝纫机械行业梳理2023 源频率，以控制电机不同转速的电力控制设备。变频器和伺服驱动器是传动系 /09/18 统中应用最广泛的驱动设备。伺服驱动器的难点主要在于主控制器、信号处理 2.一周解一惑系列：北美工程机械需求或将 和通信板等高精度、高性能的芯片需要进口，变频驱动器难点在于电磁兼容、输出波纹、功率因数矫正，会导致电磁干扰、能量浪费等、电机效率降低等。 控制器与驱动器公司的壁垒体验在二次开发+技术交叉+头部客户认可： 走弱-2023/08/283.一周解一惑系列：农业机械化有望再上台阶，未来发展前景可期-2023/08/21 4.一周解一惑系列：板式家具机械行业梳理 1）二次开发：根据客户需求与应用场景的差异对通用技术进行针对性、创新性 2023/08/07 的二次开发，在满足细分市场应用需求的同时，形成在产品功能、性能指标等 5.一周解一惑系列：矿山机械需求强劲，国 方面具备竞争优势的核心技术体系，从而在细分业务领域保持竞争优势，占有 内厂商积极拓展海外市场-2023/07/31 较高的市场份额。2）技术交叉：以儒竞科技为例，公司基于多年对电力电子及电机控制技术的研究，形成了以电机控制、电源控制及系统控制技术、数字电源及电力电子变换硬件平台、电机设计平台为代表的三大技术领域，在各细分技术领域内掌握了多项核心技术，实现技术的交叉应用及延伸。具体看，在发展变频技术的前提下，伺服的基本概念是精确、精密、快速定位，变频是伺服控制必不可少的内部环节，变频也存在于伺服驱动器中(需要无级调速)。伺服驱动器中的电流环、速度环和位置环(变频器无此环)进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算。3）头部客户认可：变频器及控制器领域的海外客户主要集中在欧洲和美国，包括艾默生、海尔、麦克维尔、开利、博世、阿里斯顿、三菱重工海尔等，此类大型厂商掌握了制冷设备生产和新能源汽车热管理系统设备生产最先进的技术，在市场上具有强大的话语权，因此对供应商有严格的投招标与筛选制度。以艾默生UPS投招标文件为例，供应商需要经过资格审查，供应商的产品需符合国际和国内相关产品认证标准（如CE、UL、CCC等）。 投资建议：建议关注产品专注于驱动器与控制器的：儒竞科技、禾川科技风险提示：1）传统下游景气度不及预期。2）技术交叉拓展不及预期。 目录 1电机控制系统产品3 1.1控制器与驱动器——电机控制系统的重要组成3 1.2控制设备原理4 1.3控制器在应用领域的作用以及难点7 1.4驱动设备原理9 1.5不同类型的驱动部分下游应用需求与性能对比14 2行业基本情况16 2.1变频器市场规模16 2.2细分下游市场规模16 2.3变频器及控制器市场格局19 2.4行业壁垒：变频器及驱动器下游客户资源20 2.5行业壁垒：针对不同细分场景的二次开发能力21 2.6行业壁垒：核心技术交叉应用及延伸实现跨领域--儒竞科技为例22 3行业宏观分析24 3.1暖通空调及冷冻冷藏设备领域24 3.2新能源汽车热管理系统领域25 3.3空气源热泵26 4相关公司27 4.1儒竞科技介绍27 5风险提示28 插图目录29 表格目录29 1电机控制系统产品 1.1控制器与驱动器——电机控制系统的重要组成 1.1.1电机驱动控制系统 电机驱动控制系统的工作原理可以按以下步骤简要概括： 1）获取输入信号：用户通过人机界面或其他输入设备向控制系统输入指令，例如设置电机的转速、方向等参数。 2）控制器计算：控制器接收输入信号，根据预设的算法、控制策略和反馈信号进行计算，生成控制信号。 3）获取传感器反馈：控制器读取电机的反馈信号，通常通过传感器获取。例如，编码器反馈电机转速和位置信息，温度传感器反馈电机温度等。 4）输出控制信号：控制器将计算出的控制信号发送给驱动器。 5）转换驱动信号：驱动器接收控制信号，根据信号特性进行电压或电流的转换，并输出适合电机操作的电压或电流信号。 6）控制电机运行：驱动信号通过电机绕组流动，产生电磁场，驱动电机转动。直流电机的转速和方向由电压信号控制，交流电机的频率和相位由电流信号控制。 7）系统监控与保护：控制器持续监测电机的状态和环境条件，如电流、温度等，并与预设的保护参数进行比较。如果超过设定范围，触发保护装置，防止电机受到过负荷、过热、短路等损坏。 通过循环执行上述步骤，控制系统能够稳定地控制电机的转速、方向和位置，实现期望动作。在整个过程中，控制器根据用户输入和反馈信号不断调整控制信号，驱动器将控制信号转换为电机所需的电压或电流，电机根据控制信号进行转动。这样，驱动电机控制系统能够实现对电机的精确控制和保护。 图1：变频驱动器控制电机工作图2：伺服系统工作原理 资料来源：儒竞科技招股书，民生证券研究院资料来源：儒竞科技招股书，民生证券研究院 1.1.2电机驱动器和电动控制器的区别 1）电机控制器和电机驱动器之间的主要区别在于，电机控制器负责控制电机的速度、扭矩和方向；而电机驱动器负责根据需要为电机提供足够的电力； 2）电机控制器可以从不同的输入设备获取多个输入信号并进行处理；电机驱动器不能从多个来源获取输入信号，也不能处理任何信号，仅按照电机控制器给出的指令工作； 3）电机控制器可以接收来自电机的反馈信号，并可以对其进行处理以进行进一步控制；电机驱动器则无法完成这项工作； 4）电机驱动器可用作电机控制器，仅可以进行基本控制；电机控制器不能用作电机驱动器； 5）电机驱动器不需要进行任何编程；而电机控制器需要编程才能运行。 图3：电机驱动控制系统 资料来源：NewLook，民生证券研究院 1.2控制设备原理 控制器是指用于对机械、电气等系统进行控制或者调节的装置，通常采用智能芯片、程序控制、传感器等技术实现。它广泛应用于工业自动化、家庭电器、汽车电子等领域，是现代生产和生活中不可或缺的重要组成部分。 控制器基本上是控制系统中的一个单元，它产生控制信号，以减少实际值与期望值的偏差，使其几乎为零或尽可能低的值。它负责控制系统的动作，以获得准确的输出。 由控制器产生控制信号的方法称为控制作用。 1.2.1控制器运控原理、功能及技术难点 1）控制器运控原理 控制器的工作原理通常采用传感器采集数据，通过智能芯片进行信息处理和逻辑运算，最终输出控制信号，实现对目标设备的控制或者调节。其中，传感器主要用于采集环境信息，智能芯片用于处理和分析数据，控制回路用于输出电流、电压等信号，实现设备的控制。 2）控制器组成及技术难点 控制器组成：传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三部分组成。电子控制单元（ECU）是分析处理传感器采集得到的各种信号并向执行器发出控制指令；执行器的功用是根据控制器的指令完成具体操作动作。电子控制单元是控制系统的核心，内有集成电路及其他精密的电子元件，其主要功能有：1、接受传感器或其他装置的输入信号，并将输入信号处理成电子控制单元能够处理的信号；2、给传感器提供参考电压；3、存储、计算、分析处理信息；4、输出执行命令，把弱信号变为强信号的执行命令；5、输出故障信息；6、完成多种控制功能。 控制器的主要技术难点是实现高级的电机控制算法，如矢量控制、模型预测控制或感应电机矢量控制等，需要深厚的控制理论知识和数学背景；电机控制器需要使用各种传感器（如编码器、霍尔传感器等）来获取电机状态信息，传感器的选择和校准对于控制器的准确性和稳定性至关重要等。 在不同场景下控制器需要的技术和难点有所不同导致同种控制器很难在不同场景中使用，例如：空调控制器中主要使用技术为PID(比例Proportion、积分Integral和微分Derivative三个单词的缩写)，无法满足环境要求较高或者对环境有特殊要求的场所； 控制器在复杂系统中会面临以下五个难点： 不确定性 传统控制是基于数学模型的控制，即认为控制、对象和干扰的模型是已知的或者通过辩识可以得到的。但复杂系统中的很多控制问题具有不确定性，甚至会发生突变。对于“未知”、不确定、或者知之甚少的控制问题，用传统方法难以建模，因而难以实现有效的控制。 高度非线性 传统控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性方法可以利用，但总体上看，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂在工程上难以广泛应用，而在复杂的系统中有大量的非线性问题存在。 半结构化与非结构化 传统控制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工具，其本质是一种数值计算方法，属定量控制范畴，要求控制问题结构化程度高，易于用定量数学方法进行描述或建模。而复杂系统中最关注的和需要支持的，有时恰恰是半结构化与非结构化问题。 系统复杂性 按系统工程观点，广义的对象应包括通常意义下的操作对象和所处的环境。而复杂系统中各子系统之间关系错综复杂，各要素间高度耦合，互相制约，外部环境又极其复杂，有时甚至变化莫测。传统控制缺乏有效的解决方法。 可靠性 常规的基于数学模型的控制方法倾向于是一个相互依赖的整体，尽管基于这种方法的系统经常存在鲁棒性与灵敏度之间的矛盾，但简单系统的控制可靠性问题并不突出。而对复杂系统，如果采用上述方法，则可能由于条件的改变使得整个控制系统崩溃。 总结：控制器的难点为其算法开发与传感器的选择，并且需要在不同应用场景下使用不同的控制器去操作。 图4：控制器内部图图5：工业控制器的工作原理 资料来源：《一步到位学会电动自行车维修》孙洋，孔军等编著，民生证券研究院 资料来源：electricscoach，民生证券研究院 步骤 功能 数据采集 通过传感器等装置采集设备周围的数据信息 数据处理 将采集到的数据进行处理、分析和逻辑运算，生成控制策略 控制输出 根据控制策略，输出控制信号，实现对设备的控制和调节 状态反馈 通过传感器等装置采集设备状态信息，向控制器反馈设备工作状态，并进行相应的处理和调节 表1：控制器基本功能 资料来源：eefocus与非网，民生证券研究院 1.3控制器在应用领域的作用以及难点 1.3.1暖通空调及冷冻冷藏设备（HVAC/R）领域 1）空调系统控制器 应用