机械设备-机器人硬件拆解四：智能关节的控制与驱动

证券研究报告|行业深度机械设备机器人硬件拆解四：智能关节的控制与驱动伺服系统：驱动器和电机是主要成本，控制芯片是核心。伺服系统主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。伺服系统的基本组成部分包括电机、编码器、驱动器、控制器等，从成本构成上看，驱动器成本占整个伺服系统成本的42%，电机的成本占比约35%，编码器成本占比约为11%。而对于驱动器来说，主要结构包括控制芯片、电源模块、信号采集模块、功率放大器、过热保护电路和控制面板等部分，控制芯片是核心，成本占比超过50%。控制芯片的性能关系到伺服驱动器的响应速度和控制精度。此外，电源模块主要用于向伺服电机供电，信号采集模块用于采集电机转子的位置、速度、加速度等运动信息，产生控制信号。从成本端看，伺服驱动主要成本为材料费用，其中IGBT、DSP芯片占总材料成本的50%以上。智能关节是机器人运动能力重要载体，控制算法难度大大增加。相较于传统机器人，人形机器人的运动控制算法难度大大增加，主要表现在人形机器人有更加复杂的运动控制规划，以及更加复杂的传感和反馈控制。为实现高度复杂的运动控制，人形机器人的关节通常需要更加智能化，其伺服驱动器承担部分运动控制功能，发挥“小脑”的作用。目前多数伺服驱动器均具有独立的控制系统，内部集成主控芯片，形成驱动控制一体化架构。主控芯片可以实现比较复杂的控制算法，一般采用数字信号处理器 (DSP)、高性能单片机(MCU)、FPGA等芯片。人形机器人打开需求空间，有望迎来百亿级增量市场。通常情况下，伺服电机和伺服驱动器数量为一一对应关系，而控制器可以同时控制多个伺服驱动器。从市场空间来看，以特斯拉Optimus为例，其全身具有40个关节执行器，则需要40个驱动器与之配套，在100万台人形机器人销售假设下，我们测算其配套的驱动器、控制器的市场空间分别约为80亿元、45亿元，合计125亿元，其中驱控芯片市场空间约为6亿元，人形机器人有望打开广阔增量空间。建议关注：我们认为机器人智能关节的控制与驱动重点聚焦于驱动器和驱动器芯片两个环节，1)建议关注国内领先的驱动器厂商麦格米特、拓邦股份、英威腾；2)电机驱动芯片决定驱动器的响应速度和控制精度，对伺服系统至关重要，建议关注国内优质的电机驱控芯片生产商峰岹科技。风险提示：制造业扩产不及预期、行业竞争格局加剧、假设和测算不完善。(维持)行业走势16%0%-16%-32%2022-072022-112023-032023-07作者分析师张一鸣分析师欧阳蕤研究助理刘嘉林相关研究6-30请仔细阅读本报告末页声明P.2请仔细阅读本报告末页声明 二、智能关节是机器人运动能力重要载体 62.1人形机器人运动控制算法难度大大增加 62.2驱动承担部分运动控制，芯片植入算法 82.3空间测算：驱动器为运动控制硬件中价值量占比最高的环节 9 3.1麦格米特：平台型公司构筑深厚壁垒 113.2拓邦股份：全球领先的智能控制方案供应商 12 3.4峰岹科技：国内领先的电机驱动芯片供应商 14 图表4：伺服系统成本拆分 4图表5：伺服系统下游各行业占比(2021年) 4 图表8：连续轨迹控制弧焊机器人 6图表9：人形机器人底层技术与关键硬件 7图表10：波士顿动力Atlas翻跟头动作体现了人形机器人运动控制顶尖水平 7 图表13：特斯拉关节执行器分布(橙色) 9 P.3请仔细阅读本报告末页声明伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。其主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。伺服系统最初用于国防军工，如火炮的控制，船舰、飞机的自动驾驶，导弹发射等，后来逐渐推广到国统的组成及运作流程资料来源：电子发烧友，国盛证券研究所服系统的分类P.4请仔细阅读本报告末页声明驱动器和电机是伺服系统的主要成本，电子制造设备是主要应用方向。伺服系统的基本器用于实时测量运动的位置和速度，并且编码器通常嵌入于伺服电机本体内，驱动器根据控制器输出的PWM信号，将电能转换为机械能，控制电机的速度和位置。从成本构图表3：一种一体化伺服电机结构示意图资料来源：NiMotion，国盛证券研究所图表4：伺服系统成本拆分图表5：伺服系统下游各行业占比(2021年)42%究院，国盛证券研究所电源模块、信号采集模块、功率放大器、过热保护电路和控制面板等部分。通过这些组成部分的协同工作，伺服驱动器可以实现对电机的高精度控制和高速响应。其中控制芯信号采集模块用于采集电机转子的位置、速度、加速度等运动信息，产生控制信号。功率放大器用于将控制信号转换为电机的工作电压和电流，实现对电机的控制。从成本端P.5请仔细阅读本报告末页声明图表6：伺服驱动器成本构成30%板P.6请仔细阅读本报告末页声明二、智能关节是机器人运动能力重要载体大大增加运动控制是机器技术的核心领域，传统工业机器人有三类控制方式。机器人运动控制是指通过计算机或其他电子设备对机器人的运动进行精确控制的技术领域。其工作的基本原理是根据机器人的自由度和运动学模型，通过传感器获取机器人当前状态，利用控制算法计算出机器人的运动轨迹和运动参数，然后通过执行器(如电机和液压装置)实现机器人的运动。传统工业机器人的运动控制方法包括以下几种：2)连续轨迹控制方式(CP)。这种方式对工业机器人末端执行器的移动轨迹有一定的精力矩信息，并根据预设的控制算法进行反馈控制，以确保机器人在操作物体时施加的力控制数控钻床图表8：连续轨迹控制弧焊机器人资料来源：大河立钻机床，国盛证券研究所资料来源：KawasakiRobotics，国盛证券研究所知识，并根据自身内部的知识库作出相应的决策，而智能驱动关节正是智能控制的核心)执行器——人形机器人关节，运动控制重要载体；3)驱动器、控制器——人形P.7请仔细阅读本报告末页声明图表9：人形机器人底层技术与关键硬件资料来源：傅利叶智能公众号，新浪财经头条，国盛证券研究所通常拥有人类类似的外形、肢体和受力方式，能够实现复杂的动作，完成各种任务。传统的工业机器人或协作机器人在运动控制方面相对简单，而人形机器人由于需要模拟人PID控制在人形机器人上的应用受限，需要发展更高级的控制算法，如模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)和强化学习等。细的运动控制。传感器在人形机器人运动控制中起到至关重要的作用。相较于传统机器合要求更高的算法和技术，包括计算机视觉、传感数据融合和人机交互等。因此，人形机器人运动控制算法的难度远大于传统机器人。图表10：波士顿动力Atlas翻跟头动作体现了人形机器人运动控制顶尖水平资料来源：澎湃，国盛证券研究所P.8请仔细阅读本报告末页声明越来越多地承担了控制功能，驱动和控制有集成化发展趋势。当前主流的伺服驱动器由精准的运动控制：，扭矩可通过向伺服驱动监控向伺服驱动器提供速度信息的者又将信号发送至速度环，从而增大或减小速度，然后再将信息传递给电流环以实现扭：伺服驱动器工作原理图资料来源：中国工控网，国盛证券研究所伺服驱动器集成控制功能，其主控芯片可实现较复杂算法。现在多数伺服驱动器具有独xP.9请仔细阅读本报告末页声明峰岹科技电机驱动控制架构器为运动控制硬件中价值量占比最高的环节Optimus驱动器与之配制图表13：特斯拉关节执行器分布(橙色)资料来源：特斯拉AIDAY，国盛证券研究所人形机器人有望带来大量驱动器、控制器需求，100万台销量假设下合计市场空间逾P.10P.10人形机器人控制器、驱动器及驱控芯片市场空间测算与敏感性分析价值量(元/个)人形机器人预计用量(个)单台价值量(元)人形机器人销量对应市场空间(亿元)100万台500万台1000万台控制器003450045225450驱动器20040800080400800其中：驱控芯制器+驱动器合计1250062550算过程包含主观假设，结论与实际可能存在误差P.11请P.11公司构筑深厚壁垒品广泛应用于工业自动化设备、家用及商业显示、变频家电、智能卫浴、新能源汽车、设备、服务器、光伏、风力发电、储能、锂电池包、工业微波、石油装备等消费和工业的众多行业。麦格米特发展历程P.12P.12麦格米特营收及归母净利润麦格米特收入结构营业收入(亿元)归母净利润(亿元)020182019202020212022资料来源：Wind，国盛证券研究所 %精密连接智能装备2018资料来源：Wind，国盛证券研究所领先的智能控制方案供应商2007年在深交所挂牌上市，2016年成功收购深圳合信达控制系统股份有限公司。经过公司主营业务为智能控制系统解决方案的研发、生产和销售，即新能源、工业和智能解决方案等行业提供各种定制化解决方案。拓邦股份主要业务预期公司营收有望保持稳步增长。从各个业务板块来看，工具板块营收逐年上涨，目前P.13P.13拓邦股份营收及归母净利润拓邦股份收入结构营业收入(亿元)归母净利润(亿元)营收增速(%)归母净利润增速(%)%0其他智能解决方案工业新能源家电工具%2019工业自动化和能源电力领域二十余年，拥有完整的研发、销售、供应链和服务平台，是行业的主流供应商之一。：英威腾发展历程P.14请P.14100%50%0%-50%-200%-250%新能源汽车出现较大调整，公司对相关业务大幅计提应收账款减值、投资减值、商誉减100%50%0%-50%-200%-250%英威腾营业收入及同比增速威腾归母净利润及同比增速50营业收入(亿元)营业收入增速(%)20182019202020212022%43210归母净利润(亿元)归母净利润增速(%)20182019202020212022 资料来源：Wind，国盛证券研究所资料来源：Wind，国盛证券研究所内领先的电机驱动芯片供应商2010公司自主研发电机控制芯片设计技术、电机设计技术、驱动架构、传感器技术及电机矢峰岹科技公司历程司是专注于高性能BLDC电机驱动控制芯片的设计公司，产品涵盖电机驱动控制的全部关键芯片，包括电机主控芯片CHVICMOSFET集成度电机主控芯片产品，并可提供电机驱动P.15请P.15：峰岹科技主要产品布局品图示特点应用·集成电机控制内核(ME)和通用内核；低领，适用于各种智能控制场通信设备、工众多下游领域C刷电机驱驱供具小、集成度高、性价比高等优点。等多个领域。芯片驱动器系列系列驱动器系列系列护与电机件共同系统。低系动。电机驱动芯机驱动控制块IPM率器紧，主要应用于吹风筒等领域峰岹科技营业收入与归母净利润3210营业总收入(亿元)归母净利润(亿元)%2020202120222023Q1资料来源：Wind，国盛证券研究所岹科技营业收入结构%其他业务IPMMOSFETASICHVICMCU资料来源：Wind，国盛证券研究所P.16P.16提示设风险，将对测算结果造成影响。P.17请P.17免责声明国盛证券有限责任公司(以下简称“本公司”)具有中国证监会许可的证券投资咨询业务资格。本报告仅供本公司的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。本报告的信息均来源于本公司认为可信的公开资料，但本公司及其研究人员对该等信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告中的资料、意见及预测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，可能会随时调整。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。本公司不保证本报告所含信息及资料保持在最新状态，对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本公司力求报告内容客观、公正，但本报告所载的资料、工具、意见、信息及推测只提供给客户作参考之用，不构成任何投资、法律、会计或税务的最终操作建议,本公司不就报告中的内容对最终操作建议做出任何担保。本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。投资者应当充分考虑自身特定状况，并完整理解和使用本报告内容，不应视本报告为做出投资决策的唯一因素。投资者应注意，在法律许可的情况下，本公司及其本公司的关联机构可能会持有本报告中涉及的公司所发行的证券并进行交易，也可能为这些公司正在提供或争取提供投资银行、财务顾问和金融产品等各种金融服务。本报告版权归“国盛证券有限责任公司”所有。未经事先本公司书面授权，任何机构或个人不得对本报告进行任何形式的发布、复制。任何机构或个人